CN104897276A - 一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构的隔振技术领域，涉及一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及方法。该装置在两钢板之间构造了线性无关的两组位移差响应：直接位移差响应和复式位移差响应；应变片a采集的是直接位移差响应，其反应的是隔振沟前后位移响应的直接差值；应变片b采集的是复式位移差响应，其反应的是隔振沟前侧的位移响应同质量块位移响应的差值；质量块位移响应是隔振沟后侧位移响应作用于弹簧质量部件后形成的；数据分析处理器对两种位移差响应进行频谱分析，确定每个频率成分在隔振沟前后的频域特征；色带显示器将获得的频域特征实时显示，对处在0-50Hz内的频率成分以不同颜色进行显示，来标定隔振沟的减振效果特征。

Description

一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及方法，属于工程结构的隔振技术领域。

背景技术

随着现代工业技术的快速发展，高精密设备日益广泛应用，其对振动环境的要求越来越高，例如重型水压机、地铁、爆破施工等对精密厂房设备的影响。此外在日常生活中，我们也比较关注外部环境振动的影响，例如地铁、高铁、高速公路等机动车辆运行所引起的地面振动对生活环境的影响。为了保证精密设备正常使用的适应性以及人们生活环境的适宜性，需要采取一定的减振措施来减小外部振动的影响。

从沿波动传播方向上质点的振动来看，这些振动问题可看作沿着传播方向地表质点的竖向运动问题，类似于剪切波的性质。在工程中，隔振沟和排桩隔振技术是常用的两种隔振形式，可以用来隔断或减弱振动能量的传递。从原理上看，以隔振沟为例，其基本形式是通过在地表振源附近挖出具有一定宽度和深度的沟来隔断沿着地表水平方向传播的振动波，从而保证隔振沟后环境的安定性。

通常情况下，隔振沟在设计时，往往是对周围某一预设振源，经过理论分析或试验验证来完成设计，起到一定减振或隔振效果。但在生产或生活过程中，外部振源往往是多变的。振源的性质一旦发生改变，由其引起的振动波的特征也会发生改变。隔振沟对这些振源是否仍有隔振效果是工程人员比较关心的问题。而且，工程人员也很关心从定量角度来探究隔振沟对不同振源的隔振效果以及隔振沟前后波动信号的衰减特征。

目前，从监测的角度来看，评价隔振沟的减振效果需要解决两个主要方面的问题：一是以频谱的形式来表征隔振沟前后振动信号的振动特征和衰减特征；二是监测设备在长期使用状态下的鲁棒性和适用性。而目前缺乏这种集成性好，又满足要求的动态监测装置。当前主要的监测技术依然是实验室形式的临时装置，通过在隔振沟前后某一方向上布置长距离的加速度和速度振动信号采集线，观测该测线上多个测点的响应，通过分析加速度峰值和速度峰值大小来确定隔振沟的减振效果。这种监测形式难以在各种复杂变化环境下长期、有效、稳定的工作。本发明也是在此背景下，提出了一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及其设计方法。其主要满足易用性、长效性和鲁棒性这三方面的特性。其中，易用性是说明装置集成性好，主要采用的是常规的动应变采集技术，操作简便，监测数据准确；长效性是装置及其量测功能具有很高的可靠性，能够满足工程中长时间的监测需要；鲁棒性是指设备中的不同部件，不仅要满足长时间的协调使用要求，而且还应克服同一振动在传播过程中不同采集仪捕捉信号的同步性问题。

发明内容

本发明提供了一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置及方法，将隔振沟两侧动态相对剪切变形问题转换成动态线应变量测问题；利用差值量测解决了隔振沟前后信号的同步问题；基于成熟的应变片动态监测技术，解决需要长时间进行动态监测隔振沟隔振效果的稳定性的问题；基于复式差值装置的设计方法，对隔振沟前后同一频率成分的信号同时采集直接位移差响应和复式位移差响应，来构造线性无关的两组位移差响应，解决了由单组位移差导致的信息不完备的问题；基于频谱分析理论，对这两组位移差进行综合频谱分析，可以明确隔振沟前后振动信号的频域特征，利于识别不同振源及振动的主要能量成分。

(1)本发明装置构造如下：

钢板a固定在隔振沟前侧上，钢板b固定在隔振沟后侧上；T型支架a和T型支架b固定在钢板a上；T型支架c和弹簧质量部件固定在钢板b上；应变载片a连接在T型支架a和T型支架c之间；应变载片b连接在T型支架b和弹簧质量部件之间；弹簧质量部件由质量块和弹簧串联组成；应变片a紧密贴在应变载片a上；应变片b紧密贴在应变载片b上；应变片a和应变片b通过电导线连接于数据分析处理器；色带显示器和数据记录仪通过电导线连接于数据分析处理器。

(2)上述装置进行差值频谱分析的方法

应变片a采集的是直接位移差响应ΔU，采集位移差的主要目的是解决隔振沟前后信号的同步采集问题。对ΔU进行综合频谱分析得出隔振沟前后每个频率成分的直接位移差响应Δu＝sin(ωt+θ)-A sin(ωt+θ+φ)，而其中相对幅值A是隔振沟前侧某一频率成分的振幅同隔振沟后侧对应频率成分振幅的比值。再对Δu进行三角函数变换最终得到Δu和幅值|F|的三角函数关系式：Δu＝|F|sin(ωt+θ+Ψ)，其中即为此三角函数表达式的幅值。

由Δu＝|F|sin(ωt+θ+Ψ)曲线可知，在某一频率下，根据已知的信息相角φ和幅值|F|，对给定A＝1时|F|随φ的变化曲线进行插值获得该频率成分的A值。再根据A和1的大小关系即可确定这种频率成分在隔振沟前后的频域特征：如果A>1则表示这种频率成分在经过隔振沟后被加强，A<1则表示这种频率成分在经过隔振沟后发生削弱，A＝1则表示这种频率成分在经过隔振沟后没有发生变化。

通过分析可得，|F|随φ和A的变化曲线是根据φ的取值分成三个区段：第一区段第二区段以及第三区段通过确定在各个区段内A和1的关系大小，来明确这种频率成分在隔振沟前后的频域特征。可以发现，在第一区段和第三区段当中，|F|<1的情况对应有两个A值。因此在此区段内不能确定这种频率成分的频域特征，还需要补充条件来确定A的取值。

而必要的补充条件是应变片b采集到的复式位移差值响应ΔU'。通过质量弹簧部件，将隔振沟后侧的响应转换成质量块单质点的响应，构建了一种与应变片a采集的直接差值响应线性无关的复式差值形式。对ΔU'进行频谱分析可以得出Δu'＝sin(ωt+θ)-A'sin(ωt+θ+φ')＝|F'|sin(ωt+θ+Ψ')。根据结构动力学的知识，隔振沟后侧某频率成分的响应作用在质量弹簧部件上，可以计算得出质量单质点的动态响应，这质量单质点的动态响应就是Δu'，继而可以确定A和1的关系大小，从而可以确定具体的A值。

色带显示器以0～50Hz之间频率成分的颜色来反应A的大小，根据A与1的大小关系来确定某一频段的频率成分是发生衰减来还是被加强，继而用色带显示器显示出来。如某一频段的频率成分发生衰减就用绿色显示，某一频段的频率成分被加强就用红色显示。

本发明可以有效识别隔振沟前后振动波的频域特征，根据动态监测在隔振沟前后各个频率成分的频域特征，可以使工程人员了解隔振沟的实际作用效果，即可以通过该监测装置确定外部振源的频域特征及振动信号对保护区域的真是影响。基于差值频谱分析技术能保证设备不同部件间在监测过程中的同步性问题，这对高频信号长期监测尤为重要。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是不同A的取值情况下|F|随φ的变化曲线图。

图3是在给定A等于1的情况下|F|随φ的变化曲线图。

图4是|F|和φ的共同变化下A的取值曲线图

图中：1钢板a，2钢板b，3应变片a，4应变片b，5应变载片a，6应变载片b，7质量块，8弹簧，9质量弹簧体系，10T型支架a，11T型支架b，12T型支架c，13隔振沟前侧，14隔振沟后侧，15数据分析处理器，16数据记录仪，17色带显示器，18电导线。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明装置的具体实施方式。

如图1所示，钢板a固定在隔振沟前侧13上，钢板b固定在隔振沟后侧14上。T型支架a和T型支架b固定在钢板a上，T型支架c和弹簧质量体系9固定在钢板b上。其中，T型支架a、T型支架b和T型支架c应保证有较强的刚度，避免在长期测量过程中变形导致测量结果不准确。质量体系9是由质量块7和弹簧8串联而成，这样就可以通过质量体系9将隔振沟后侧14的响应转换成了质量块7的响应。应变载片a连接在T型支架a和T型支架c之间，应变载片b连接在T型支架b和弹簧质量体系9之间。应变载片a和应变载片b的刚度小，质量轻，基本避免了测量设备对所测结构的反向约束作用。应变片a紧密贴在应变载片a上，应变片b紧密贴在应变载片b上，应变片a采集的是直接位移差响应，应变片b采集的是复式位移差响应。

如图1所示，应变片a和应变片b通过电导线17连接在数据分析处理器15上。色带显示器和数据记录仪通过电导线17与数据分析处理器连接。数据分析处理器15对采集到的直接位移差响应和复式位移差响应进行处理，确定各个频率成分的频域特征。数据记录仪实时记录下数据分析处理器所采集到的两种差值响应和分析得出的各频率成分的频域特征，以提供给工程人员分析使用。色带显示器能够将数据分析处理器获得的频域特征实时显示出来，对频率处在0-50Hz范围内的频率成分分别以不同颜色进行显示，来标定各频率成分在经过隔振沟后是发生加强还是被削弱。

上述的装置进行差值频谱分析的方法具体过程如下：

应变片a采集到是隔振沟两侧剪切波的直接差值响应ΔU，并对直接差值响应ΔU进行频谱分析得出Δu。Δu是隔振沟前某一频率成分的响应sin(wt+θ)和隔振沟后相对应频率成分的响应A sin(ωt+θ+Ψ)之间的差值，采集位移差的主要目的是解决隔振沟前后信号的同步采集问题，而其中相对幅值A值是隔振沟前侧某一频率成分的振幅同隔振沟后侧对应频率成分振幅的比值。最后再对Δu进行三角变换得到Δu和|F|之间的三角函数关系式，关系式如公式(1)所示。

Δu＝sin(ωt+θ)-A sin(ωt+θ+φ)＝|F|sin(ωt+θ+Ψ)           (1)

$\left|F\right|=\sqrt{1+A^2-2Acos\mathrm{\&phi;}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&Psi;}=-\arctan \left(\frac{Asin\mathrm{\&phi;}}{1-Acos\mathrm{\&phi;}}\right)---\left(3\right)$

如关系式(1)所示同一频率成分往往因为φ和时间t的不同导致隔振沟前后响应的差值响应会有不同，为了避免时间以及相角的影响，只考虑每个频率成分的|F|和Δu之间的对应关系。对于某一响应，频率已知时|F|是能够唯一确定的。而|F|是受φ和A影响的，如图2所示，图中曲线也即是关系式(2)所包含的信息。在给定A＝1时，幅值|F|随相角φ的变化关系式如下所示。

$\left|F_1\right|=\sqrt{2-2cos\mathrm{\&phi;}}---\left(4\right)$

其中|F₁|表示在给定A＝1时幅值|F|所对应的值。

图3中的曲线反应的是关系式(4)中|F₁|随φ的变化关系，对此曲线进行插值，即根据横轴φ值和纵轴|F|值标定某一频率成分在曲线中的位置，从而获得该频率成分在隔振沟后对应的A值。如果A>1则表示这种频率成分在经过隔振沟后得到加强，A<1则表示这种频率成分在经过隔振沟后得到削弱，A＝1则表示这种频率成分在经过隔振沟后没有变化。

根据φ的取值情况将如图3所示的曲线分成三个区段，第一区段第二区段以及第三区段如图3所示，在第二区段中，如果|F|>|F₁|，则确定A>1,则这种频率成分在经过隔振沟后得到加强；如果|F|<|F₁|，则确定A<1,则这种频率成分在经过隔振沟后得到削弱；如果|F|＝|F₁|，则确定A＝1,则这种频率成分在经过隔振沟后没有变化。

如图3所示，在第一区段和第三区段中，如果|F|>1，则可确定A>1。而|F|<1，则对应有两个A值，不能确定这种频率成分的频域特征。因为在这个区段内,根据关系式(5)可以计算得出两个A值，图4即反应了这种关系，因此还需要补充条件来确定A值。

而必要的补充条件是应变片b采集到复式差值响应ΔU'。通过串联在一起的已知质量m的质量块和刚度k的弹簧，将隔振沟后侧的响应A sin(ωt+θ+Ψ)转换成了质量块的响应对复式差值响应ΔU'进行频谱分析可以得出每个频率成分对应的复式差值响应Δu'。

根据结构动力学的知识，隔振沟后侧的响应A sin(ωt+θ+φ)作用在质量弹簧部件后质量块的响应是可以计算得出的，其关系式如下所示：

其中 为质量弹簧体系的自振频率。

用隔振沟前侧的响应sin(wt+θ)减去质量块的响应得出Δu'，其关系式如下所示：

对于某一频率成分，将在第一区段和第二区段内计算的两个A值分别代入到关系式(7)中确定出具体的A值，再根据A与1的大小关系判断这种频率成分在经过隔振沟后是被加强还是被削弱。

根据以上的分析方法，通过在各个区段内标定出在给定频率下A与1的大小关系，继而可以判定这种频率成分的频域特征，其整体的分析判断如关系式(8)所示：

色带显示器以0～50Hz之间频率成分的颜色来反应相对幅值A的大小，根据A与1的大小关系来确定某一频段的频率成分是发生衰减来还是被加强，继而用色带显示器显示出来。如某一频段的频率成分发生衰减就用绿色显示，某一频段的频率成分被加强就用红色显示。

Claims (2)

1.一种基于差值波谱分析的隔振沟动态监测装置，其特征在于：

该装置包括钢板a、钢板b、应变片a、应变片b、应变载片a、应变载片b、质量块(7)、弹簧(8)、质量弹簧体系(9)、T型支架a、T型支架b、T型支架c、数据分析处理器(15)、数据记录仪(16)和色带显示器(17)；钢板a固定在隔振沟前侧(13)上，钢板b固定在隔振沟后侧(14)上；T型支架a和T型支架b固定在钢板a上；T型支架c和弹簧质量部件(9)固定在钢板b上；应变载片a连接在T型支架a和T型支架c之间；应变载片b连接在T型支架b和弹簧质量部件(9)之间；弹簧质量部件(9)由质量块(7)和弹簧(8)串联组成；应变片a紧密贴在应变载片a上；应变片b紧密贴在应变载片b上；应变片a和应变片b通过电导线(18)连接于数据分析处理器(15)；色带显示器(17)和数据记录仪(16)通过电导线(18)连接于数据分析处理器(15)。

2.权利要求1所述的装置进行差值频谱分析的方法，其特征在于以下步骤：

根据应变片a采集到是隔振沟两侧的直接差值响应ΔU，对直接差值响应ΔU进行频谱分析得出Δu；

Δu是隔振沟前侧某一频率成分的响应sin(wt+θ)和隔振沟后侧相对应频率成分的响应A sin(ωt+θ+Ψ)之间的差值，其中相对幅值A是该频率成分在隔振沟后的幅值与隔振沟前的幅值之比；采集位移差的主要目的是解决隔振沟前后信号的同步采集问题；最后再对Δu进行三角变换得到Δu和|F|之间的关系式，关系式如下所示；

Δu＝sin(ωt+θ)-A sin(ωt+θ+φ)＝|F|sin(ωt+θ+Ψ)     (1)

$\left|F\right|=\sqrt{1+A^2-2Acos\mathrm{\&phi;}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\&Psi;}=-arctan\left(\frac{Asin\mathrm{\&phi;}}{1-A\cos \mathrm{\&phi;}}\right)---\left(3\right)$

为了避免时间以及相角的影响，只考虑每个频率下幅值|F|和Δu之间的对应关系；而幅值|F|是受相角φ和相对幅值A影响的，即关系式(2)所包含的信息；在给定A＝1时，幅值|F|随φ的变化关系式如下所示；

$\left|F_1\right|=\sqrt{2-2\cos \mathrm{\&phi;}}---\left(4\right)$

|F₁|表示在给定A＝1时幅值|F|所对应的值；对关系式(4)中幅值|F|随φ的变化曲线进行插值，即根据横轴φ值和纵轴|F|值标定某一频率成分在曲线中的位置，从而获得该频率成分在隔振沟后对应的A值；如果A>1则表示这种频率成分在经过隔振沟后得到加强，A<1则表示这种频率成分在经过隔振沟后得到削弱，A＝1则表示这种频率成分在经过隔振沟后没有变化；

根据φ的取值情况将对关系式(4)中幅值|F|随φ的变化曲线分成三个区段，第一区段第二区段以及第三区段在第二区段中，如果|F|>|F₁|，则确定A>1,则这种频率成分在经过隔振沟后得到加强；如果|F|<|F₁|，则确定A<1,则这种频率成分在经过隔振沟后得到削弱；如果|F|＝|F₁|，则确定A＝1,则这种频率成分在经过隔振沟后没有变化；

在第一区段和第三区段中，如果|F|>1，则确定A>1；而|F|<1，则对应有两个A值，不能确定这种频率成分的频域特征；在这个区段内，需要补充条件来确定A的取值；

而必要的补充条件是应变片b采集到复式差值响应ΔU'；通过串联在一起的已知质量m的质量块和刚度k的弹簧，将隔振沟后侧的响应A sin(ωt+θ+Ψ)转换成了质量块的响应对复式差值响应ΔU'进行频谱分析得出每个频率成分对应的复式差值响应Δu'；

隔振沟后侧的响应A sin(ωt+θ+φ)作用在质量弹簧部件后质量块的响应是可以计算得出的，其关系式如下所示：

其中 为质量弹簧体系的自振频率；

用隔振沟前侧的响应sin(wt+θ)减去质量块的响应得出Δu'，其关系式如下所示：

对于某一频率成分，将在第一区段和第二区段内计算的两个A值分别代入到关系式(7)中确定出具体的A值，再根据A与1的大小关系判断这种频率成分在经过隔振沟后是被加强还是被削弱；

在各个区段内根据|F|和φ标定出在给定频率下的频域特征，其整体的分析方法如关系式(8)所示：

色带显示器以0～50Hz之间频率成分的颜色来反应相对幅值A的大小，根据A与1的大小关系来确定某一频段的频率成分是发生衰减来还是被加强，继而用色带显示器显示出来；如某一频段的频率成分发生衰减就用绿色显示，某一频段的频率成分被加强就用红色显示。