CN106404322B - 一种火箭橇试验振动传递谱确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，属于力学环境试验技术领域。步骤如下：(1)通过传感器测量出设备X和设备Y在运行时的加速度值序列aIx(k)、aIy(k)；(2)把aIx(k)、aIy(k)作为输入量，经过高通滤波后求得振动值序列adx(k)，ady(k)；(3)计算adx(k)和ady(k)的功率谱密度序列Φx(fp)、Φy(fp)；(4)对功率谱密度序列Φx(fp)、Φy(fp)进行降噪处理，得到新的功率谱密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；(5)计算振动传递谱序列该方法能够直接获取高频振动信息，有效去除了噪声，能够对振动传递特性进行分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，属于力学环境试验技术领域。
背景技术
火箭橇是用火箭发动机作为推力，在轨道上高速运行的滑橇。由于火箭橇在运行过程中可产生大过载，因此，不同类型的产品都安装在橇体上开展火箭橇试验。
火箭橇试验过程中，被试产品根据试验要求有两种安装方式，第一种方式是被试产品直接安装于橇体上；第二种方式是被试产品安装于减振平板上，而减振平板通过金属减振器安装于橇体上。通过振动测试系统实时测量和记录橇体和被试产品(第二种方式的话还包括减振平板)的振动和冲击信号，待试验结束后读取记录存储的数据并进行数据处理。
振动测试系统由传感器、数据采集记录系统、触发装置和信号传输电缆等组成。测试系统中传感器、数据采集系统和触发装置通过信号传输电缆连接，各部件在橇体上的安装可采用压条、螺栓紧固的方式，具体安装部位包括：
a)在橇体和被试产品(第二种方式的话还包括减振平板)壳体上分别安装不少于3个输入轴正交的传感器，分别测量安装位置处的航向加速度、竖向加速度和侧向加速度；
b)数据采集系统、触发装置直接安装于橇体上；
c)信号传输电缆根据布线方式采用捆扎成束就近与橇体固连。
目前，在数据处理过程中存在以下问题：
(1)由于传感器测量的加速度信息包括了低频过载信息和高频振动信息，为得到振动信息，首先采用低通滤波器对加速度信息进行滤波得到过载信息，然后，加速度信息减去过载信息得到振动信息。而缺少实现高频振动信息的直接获取方法；
(2)对各级振动信息只开展了周期功率谱分析，特点是噪声大，缺少有效的降噪处理方法；
(3)只是定性分析各级的振动量级大小、有无谐振峰值等，不能对橇体至减振平台、减振平台至被试产品或橇体至被试产品的振动传递特性分析。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，能够直接获取高频振动信息，有效去除了噪声，能够对振动传递特性进行分析。
本发明的技术方案是：一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，步骤如下：
(1)在火箭橇试验过程中，分别通过传感器采集设备X和设备Y运行时的加速度值，得到设备X的加速度值序列aIx(k)和设备Y的加速度值序列aIy(k)，k为采样时刻，k＝1,2,…,N，所述设备X和设备Y的加速度值均包含随机振动信息和过载信息，所述传感器采样频率fs满足4KHz<fs<10KHz，采样周期为Ts＝1/fs；
(2)采用高通滤波器对加速度值序列aIx(k)进行滤波，得到设备X的振动值序列adx(k)；采用高通滤波器对加速度值序列aIy(k)进行滤波，得到设备Y的振动值序列ady(k)；
(3)根据adx(k)得到设备X的振动功率谱密度序列Φx(fp)，根据ady(k)得到设备Y的振动功率谱密度序列Φy(fp)，p＝1,2,…,N/2；
(4)分别对步骤(3)得到的振动功率谱密度序列进行降噪处理，得到降噪后的振动功率谱密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；
(5)根据步骤(4)获得的振动功率谱密度序列，利用公式确定设备X至设备Y的振动传递谱序列Φxy(fp)，所述设备X至设备Y的振动传递谱序列为橇体至被试产品的振动传递谱、橇体至减振平台的振动传递谱或减振平台至被试产品的振动传递谱。
所述步骤(2)中高通滤波器对加速度值序列进行滤波得到振动值序列的实现方法为：
(2.1)定义高通滤波器的转折频率为f，阻尼系数为ξ，则高通滤波器的系数为
(2.2)k＝1时，高通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(2.3)高通滤波器利用公式ad(k)＝(n1-d1)x1(k)+(n2-d2)x2(k)+b0aI(k)对第k个时刻的加速度值aI(k)进行滤波得到振动值ad(k)，进入步骤(2.4)；
(2.4)k的值加1，判断k是否小于等于N，如果是，则利用公式更新x1(k)和x2(k)，返回步骤(2.3)；否则，高通滤波器滤波结束，得到振动值序列。
所述步骤(3)中根据adx(k)得到设备X的振动功率谱密度序列Φx(fp)的实现方式为：
(i)基于正频域，利用如下公式计算设备X振动数据的线谱序列：
其中fp为频率，fp＝(p-1)/T,p＝1,2,…,N/2；
(ii)根据线谱序列计算设备X的振动值功率谱密度序列：
其中T为N个采样周期的持续时间；F(k)为离散傅立叶变换；
根据ady(k)得到设备Y的振动值功率谱密度序列Φy(fp)的实现方式为：
(i)利用如下公式计算设备Y的振动数据的线谱序列：
(ii)根据线谱序列计算设备Y的振动值功率谱密度序列：
所述步骤(4)中对振动功率谱密度序列进行降噪处理的实现方法为：
(4.1)定义低通滤波器的截止频率为f'，阻尼系数为ξ'，N个采样周期的持续时间为T，则有低通滤波器的系数为
n1′＝2；
n′2＝1；
(4.2)p＝1时，低通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(4.3)低通滤波器利用公式Φ′x(fp)＝(n1′-d1′)x1(p)+(n′2-d2′)x2(p)+b0Φx(fp)对第p个时刻的加速度值aI(p)进行滤波得到降噪后的功率谱密度，进入步骤(4.4)；
(4.4)p的值加1，判断p是否小于等于N/2，如果是，则利用公式更新x1(p)和x2(p)，返回步骤(4.3)；否则，降噪处理结束，得到降噪后的功率谱密度序列。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明给出了一种精确描述火箭橇试验振动传递谱的方法，克服了以前各级之间的振动传递定性描述的不足，实现了对橇体至减振平台、减振平台至被试产品、橇体至被试产品的振动传递特性的量化描述，精度高。
(2)本发明传感器采集的加速度值通过高通滤波器滤波后，实现了对高频振动信息的直接提取，相对于先提取过载再求差的方法，提高了数据的转换效率。
(3)相对传统的周期功率谱具有噪声大的特点，本发明通过低通滤波器进行降噪处理，有效减小了振动的噪声。
附图说明
图1为本方法的流程图；
图2为火箭橇试验中减振平板安装的航向传感器采集记录的加速度信息；
图3为本发明的高通滤波器提取的火箭橇试验振动数据；
图4为采用传统的基于周期谱的振动功率谱密度计算结果；
图5为本发明的振动功率谱密度计算结果；
图6为火箭橇试验中橇体的振动功率谱密度；
图7为火箭橇试验中减振平板的振动功率谱密度；
图8为火箭橇试验中被试产品上的振动功率谱密度；
图9为火箭橇试验中减振平板在橇体振动激励下的振动传递谱分布；
图10为火箭橇试验中被试产品相对减振平板振动激励下的振动传递谱分布；
图11为火箭橇试验中被试产品在橇体振动激励下的振动传递谱分布。
具体实施方式
火箭橇试验振动传递谱包括橇体至被试产品的振动传递谱、橇体至减振平台的振动传递谱或减振平台至被试产品的振动传递谱。因此，如图1所示，本发明提出一种火箭橇试验过程中，设备X至设备Y的振动传递谱确定方法，步骤如下：
(1)在火箭橇试验过程中，分别通过传感器采集设备X和设备Y的加速度值，得到设备X的加速度值序列aIx(k)和设备Y的加速度值序列aIy(k)，k为采样时刻，k＝1,2,…,N，所述设备X和设备Y的加速度值均包含随机振动信息和过载信息，其中采集设备X加速度值的传感器和采集设备Y加速度值的传感器采样频率一致，其采样频率fs满足4KHz<fs<10KHz，采样周期为Ts＝1/fs；
以橇体至被试品的振动传递谱为例，安装于橇体的传感器在每个采样周期采样橇体运行时的激振源加速度值，得到橇体运行时的激振源加速度值序列aIx(k)；同时，安装于被试品的传感器在每个采样周期采样被试品运行时的加速度值，得到被试品运行时的加速度值序列aIy(k)。
(2)采用高通滤波器对加速度值序列aIx(k)进行滤波，得到设备X的振动值序列adx(k)；采用高通滤波器对加速度值序列aIy(k)进行滤波，得到设备Y的振动值序列ady(k)；
高通滤波器的计算过程为：
(2.1)定义高通滤波器的转折频率为f，阻尼系数为ξ，则高通滤波器的系数为
(2.2)k＝1时，高通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(2.3)高通滤波器利用公式ad(k)＝(n1-d1)x1(k)+(n2-d2)x2(k)+b0aI(k)对第k个时刻的加速度值aI(k)进行滤波得到振动值ad(k)，进入步骤(2.4)；
(2.4)k的值加1，判断k是否小于等于N时，如果是，则利用公式更新x1(k)和x2(k)，返回步骤(2.3)；否则，高通滤波器滤波结束，得到振动值序列。
(3)根据adx(k)得到设备X的振动功率谱密度序列Φx(fp)，根据ady(k)得到设备Y的振动功率谱密度序列Φy(fp)，p＝1,2,…,N/2；
(i)基于正频域，利用如下公式计算设备X振动数据的线谱序列：
其中fp为频率，fp＝(p-1)/T,p＝1,2,…,N/2；
(ii)根据线谱序列计算设备X的振动功率谱密度序列：
其中T为N个采样周期的持续时间；F(k)为离散傅立叶变换；
根据ady(k)得到设备Y的振动功率谱密度序列Φy(fp)的实现方式为：
(i)利用如下公式计算设备Y的振动数据的线谱序列：
(ii)根据线谱序列计算设备Y的振动功率谱密度序列：
(4)分别对步骤(3)得到的振动功率谱密度序列进行降噪处理，得到降噪后的振动功率谱密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；
降噪处理过程为：
(4.1)定义低通滤波器的截止频率为f'，阻尼系数为ξ'，N个采样周期的持续时间为T，则有低通滤波器的系数为
n1′＝2；
n′2＝1；
(4.2)p＝1时，低通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(4.3)低通滤波器利用公式Φ′x(fp)＝(n1′-d1′)x1(p)+(n′2-d2′)x2(p)+b0Φx(fp)对第p个时刻的加速度值aI(p)进行滤波得到降噪后的功率谱密度，进入步骤(4.4)；
(4.4)p的值加1，判断p是否小于等于N/2时，如果是，则利用公式更新x1(p)和x2(p)，返回步骤(4.3)；否则，降噪处理结束，得到降噪后的功率谱密度序列。
(5)根据步骤(4)获得的振动功率谱密度序列，利用公式确定设备X至设备Y的振动传递谱序列Φxy(fp)。
实施例1：
以减振平板安装的航向传感器为例来验证本发明对振动值功率谱密度的降噪能力。
用本发明方法从原始加速度信号中提取振动信号，其中设定条件如下：在火箭橇试验中，采用多级安装方式，即：被试产品安装于减振平板上，再由减振平板通过隔振器安装于橇体。传感器采样频率为9.6kHz。在开始运行至停止的过程，采集记录的加速度数据如图2所示，采用本发明的高通滤波器滤波后得到的振动数据如图3所示。采用传统的基于周期谱的振动功率谱密度计算结果如图4所示，可以看出，噪声较大。利用本发明方法对功率谱密度序列进行低通滤波降噪，得到的振动功率谱密度曲线如图5所示，可以看出，振动功率谱密度曲线更清晰，噪声幅值大幅度衰减。
实施例2：
从火箭橇试验中根据多传感器的振动信息计算各级之间的振动传递谱，实现振动传递特性分析。
设定条件如下：在火箭橇试验中，采用多级安装方式，即：被试产品安装于减振平板上，再由减振平板通过隔振器安装于橇体。传感器采样频率为9.6kHz。在开始运行至停止的过程，由橇体安装的航向传感器、减振平板安装的航向传感器以及惯性平台(被试产品)安装的航向传感器分别采集记录对应的加速度值信息，经过高通滤波器得到振动数据，并进一步得到功率谱密度。橇体的振动功率谱密度信息如图6所示、减振平板的振动功率谱密度信息如图7所示、惯性平台(被试产品)的振动功率谱密度信息如图8所示。根据本发明的振动传递谱计算方法，可分别计算出：
(1)减振平板至橇体(减振平板在橇体振动激励下)的振动传递谱分布，如图9所示；
(2)惯性平台(被试产品)至减振平板(惯性平台(被试产品)在减振平板振动激励下)的振动传递谱分布，如图10所示；
(3)惯性平台(被试产品)至橇体(惯性平台(被试产品)在橇体振动激励下)的振动传递谱分布，如图11所示。
从图中可以看出，惯性平台(被试产品)相对于减振平板的振动量级放大，由于减振平板的衰减作用有限，从而造成橇体振动激励时惯性平台(被试产品)的振动量级也放大。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (4)
1.一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)在火箭橇试验过程中，分别通过传感器采集设备X和设备Y运行时的加速度值，得到设备X的加速度值序列aIx(k)和设备Y的加速度值序列aIy(k)，k为采样时刻，k＝1,2,…,N，所述设备X和设备Y的加速度值均包含随机振动信息和过载信息，所述传感器采样频率fs满足4KHz<fs<10KHz，采样周期为Ts＝1/fs；
(2)采用高通滤波器对加速度值序列aIx(k)进行滤波，得到设备X的振动值序列adx(k)；采用高通滤波器对加速度值序列aIy(k)进行滤波，得到设备Y的振动值序列ady(k)；
(3)根据adx(k)得到设备X的振动功率谱密度序列Φx(fp)，根据ady(k)得到设备Y的振动功率谱密度序列Φy(fp)，p＝1,2,…,N/2；
(4)分别对步骤(3)得到的振动功率谱密度序列进行降噪处理，得到降噪后的振动功率谱密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；
(5)根据步骤(4)获得的振动功率谱密度序列，利用公式确定设备X至设备Y的振动传递谱序列Φxy(fp)，所述设备X至设备Y的振动传递谱序列为橇体至被试产品的振动传递谱、橇体至减振平台的振动传递谱或减振平台至被试产品的振动传递谱。
2.根据权利要求1所述的一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中高通滤波器对加速度值序列进行滤波得到振动值序列的实现方法为：
(2.1)定义高通滤波器的转折频率为f，阻尼系数为ξ，则高通滤波器的系数为
(2.2)k＝1时，高通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(2.3)高通滤波器利用公式ad(k)＝(n1-d1)x1(k)+(n2-d2)x2(k)+b0aI(k)对第k个时刻的加速度值aI(k)进行滤波得到振动值ad(k)，进入步骤(2.4)；
(2.4)k的值加1，判断k是否小于等于N，如果是，则利用公式更新x1(k)和x2(k)，返回步骤(2.3)；否则，高通滤波器滤波结束，得到振动值序列。
3.根据权利要求1所述的一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据adx(k)得到设备X的振动功率谱密度序列Φx(fp)的实现方式为：
(i)基于正频域，利用如下公式计算设备X振动数据的线谱序列：
其中fp为频率，fp＝(p-1)/T,p＝1,2,…,N/2；
(ii)根据线谱序列计算设备X的振动功率谱密度序列：
其中T为N个采样周期的持续时间；F(k)为离散傅立叶变换；
根据ady(k)得到设备Y的振动功率谱密度序列Φy(fp)的实现方式为：
(i)利用如下公式计算设备Y的振动数据的线谱序列：
(ii)根据线谱序列计算设备Y的振动功率谱密度序列：
4.根据权利要求3所述的一种火箭橇试验振动传递谱确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中对振动功率谱密度序列进行降噪处理的实现方法为：
(4.1)定义低通滤波器的截止频率为f'，阻尼系数为ξ'，N个采样周期的持续时间为T，则有低通滤波器的系数为
n′1＝2；
n′2＝1；
(4.2)p＝1时，低通滤波器的状态变量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(4.3)低通滤波器利用公式Φ′x(fp)＝(n′1-d′1)x1(p)+(n′2-d′2)x2(p)+b0Φx(fp)对第p个时刻的加速度值aI(p)进行滤波得到降噪后的功率谱密度，进入步骤(4.4)；
(4.4)p的值加1，判断p是否小于等于N/2，如果是，则利用公式更新x1(p)和x2(p)，返回步骤(4.3)；否则，降噪处理结束，得到降噪后的功率谱密度序列。
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