CN111353329B - 一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法，所述方法通过在每个振源周围布设若干个传感器实现，所述方法包括：将传感器测量信号频域值组合表征源特性；独立运行各振源，在该振源激励引起组合信号强度最强，其它振源引起组合信号强度最弱的约束条件下，求解每个振源的传感器组合系数，将振源组合表征信号参与工况传递路径分析，从而消除振源串扰，准确获得各振源对目标点贡献量。采用本方法能够提高工况传递路径分析法测试分析精度。

Description

一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法

技术领域

本发明涉及一种振源识别测量领域，特别涉及一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法。

背景技术

结构的振动包括三部分：振动源、振动传递路径及振动接受结构，若采用一定技术手段发现主要振源和传递路径，针对主要源和路径采取减振降噪办法能有效降低振动与噪声，在非关键部位采用减振降噪手段起不到主要作用。减振降噪的前提也是传递路径分析和振源大小的辨识问题。

传统传递路径分析需要解除串扰激励源，即拆卸发动机等振源获得传递函数，很多情况下不易于实现。一种传递路径分析法是工况传递路径分析法(OTPA，operationaltransfer path analysis)传递路径测试法，其原理是在激励源处布置传感器测量响应信号作为参考信号，通过多工况运行获得传递率系数，并与振源附近响应相乘获得各源贡献量。该方法不需要拆卸机器，可在线工况测量，测试结果反映实际工况情况。但表征振源的参考响应信号存在串扰，如图1所示：用来代替振源的振动响应不仅来源于该源，还来源于其它源，串扰造成源分析的错误。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法，利该方法用振源附近传感器进行组合，从而消除了串扰，提高了测量分析精度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法，所述方法通过在每个振源周围布设若干个传感器实现，所述方法包括：将传感器测量信号频域值进行组合表征源特性；独立运行各振源，在该振源激励引起组合信号强度最强，其它振源引起组合信号强度最弱的约束条件下，求解每个振源的传感器组合系数；将振源组合表征信号参与工况传递路径分析，从而消除振源串扰，获得各振源对目标点贡献量。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)分步运转各振源，建立方程求解每个振源的传感器组合系数；

构建振源i的传感器组合方程：

A⁽ⁱ⁾K⁽ⁱ⁾＝0 (1)

其中，1≤i≤q，q为振源的总数；

为待求解组合系数矩阵向量，

表示振源i的第l个传感器加和乘法系数，1≤l≤m_i，m_i为振源i周围布置的传感器总数，A⁽ⁱ⁾为振源i组合系数求解工况矩阵：

A⁽ⁱ⁾＝[B⁽¹⁾ B⁽²⁾ B^(j≠i) B^(q)]^T

其中，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符，B^(j)表示振源j单独运行工况子矩阵，j≠i，具体如下：

其中，

表示振源i在振源j激励时的工况数目，

表示振源i的第l个传感器在振源j以rmp(e)转速运行时采集的传感器频域信号；

rmp(e)表示工况e的转速；

步骤2)运行混合工况，建立混合多工况传递路径方程，求解工况传递路径系数，计算消除串扰后各振源对目标点贡献量；

求解齐次方程(1)，获得振源i的相互正交的解系数为：K^(i)，1，K^(i)，2，...

其中，n_i表示组合系数矩阵向量个数，表示振源i有n_i个独立等效子源，消除串扰后振源i的第d个子源工况向量为：

其中：d表示子源标号，1≤d≤n_i；上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；B′⁽ⁱ⁾为l′个混合工况数目下振源i的所有传感器构成的矩阵：

其中：矩阵中每个元素为采集的传感器频域信号，

表示振源i的第l个传感器在该振源以rpm(f)转速运行时采集的传感器频域信号；1≤f≤l′；rpm(f)表示工况f的转速；

将所有振源的子源工况向量构建如下工况矩阵：

构建多工况分析法如下：

CH＝P^rpm (2)

P^rpm＝[p^rpm(1) p^rpm(2) … p^rpm(l′)]^T

其中：p^rpm(f)表示工况f时观察点声压值，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；

求解方程(2)得到系数矩阵H，H的行数与C矩阵的列数一一对应，可表示为：

其中：上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；

对于某混合工况r，计算振源i的解除串扰参考量

为：

其中，上标rpm(r)表示混合工况r的转速；

计算振源i在混合工况r下对观察点的贡献如下：

作为上述方法的一种改进，所述振源i的周围的传感器个数m_i大于总振源个数和。

本发明的优势在于：

本发明的方法能够解决工况传递路径分析法存在串扰的缺陷，通过一定手段测量获得传感器线性组合实现串扰解除，从而实现振源传递路径分析。

附图说明

图1为现有技术的串扰及串扰对工况传递路径分析影响的示意图；

图2为本发明的实验装置传感器布点示意图；

图3为两种方法对振源1贡献分析结果与真实结果对比图；

图4为两种方法对振源2贡献分析结果与真实结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明通过以下技术方案来实现：

串扰是降低工况传递路径分析法振源辨识贡献量分析精度的主要因素，通过消除或减小串扰可提高源辨识精度。受到结构振动局部模态的启发，激励结构时其局部模态被激励起来，对于振源的振动可能是以局部振动为主的形态，而振源传递到其它振源附近时，是全局振动。局部模态振型与全局模态振型存在正交关系，振型正交性实质是传感器的组合。本方面使用振源处多个传感器作响应组合，其实质是提取出局部振动特性，从而实现串扰解除。

在振源附近布置传感器，分步运行建立方程，求解组合系数，使得该振源激励引起附近的组合信号强度最强，其它振源引起信号较弱，从而消除串扰。具体步骤如下：

1)分析振源个数、位置：通过了解分析系统，找出系统主要振源，在振源附近布置振动传感器，振源附近消除串扰用传感器个数一般大于所有振源个数；

2)分步运转各激励源(分步运转可以采用力锤的形式进行)，建立方程求解传感器组合系数。求解者振源i附近传感器组合方法为单步启动各源(可以采用力锤敲击源安装位置的形式替代)，构建传感器方程：

A⁽ⁱ⁾K⁽ⁱ⁾＝0 (1)

其中，1≤i≤q，q为振源的总数；

为待求解组合系数矩阵向量，矩阵向量中每个单元为待求传感器加和乘法系数，

表示振源i的第l个传感器加和乘法系数，1≤l≤m_i，m_i为振源i周围布置的传感器总数，A⁽ⁱ⁾为振源i组合系数求解工况矩阵：

A⁽ⁱ⁾＝[B⁽¹⁾ B⁽²⁾ B^(j≠i) B^(q)]^T

其中，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符，B^(j)表示第j(j≠i)个振源单独运行工况子矩阵，具体如下：

这是一个m_i行，

列的矩阵，其中

为工况标记，

表示振源i在振源j激励时的工况数目，矩阵中每个单元为采集的传感器频域信号，

表示振源i的第l个传感器在振源j以rmp(e)转速运行时采集的传感器频域信号；

rmp(e)表示工况e的转速；传感器个数m_i设置需考虑其它激励源和自身源激励源个数，通常取传感器个数m_i大于总源个数，各源有时不是一个单纯源，其内部也有多个独立子源，振源i的独立源个数为n_i，其它振源独立源个数加和为e_i，可取m_i≥n_i+e_i，构建的方程(1)是一个静不定方程，解出n_i组解可充分表示振源i的特性。

3)建立工况传递路径方程，求解工况传递路径系数，获得解除耦合的工况传递路径方程，完成源解耦分析。

求解齐次方程(1)，获得振源i的相互正交的解系数为：K^(i)，1，K^(i)，2，...

上标逗号后的数值n_i表示组合系数矩阵向量个数，表示振源i有n_i个独立等效子源，消除串扰后振源i的第d个子源工况向量为：

其中：上标'表示为混合工况，下标d表示子源标号，1≤d≤n_i；上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符。B′⁽ⁱ⁾为l′个混合工况数下源i所有传感器构成的矩阵：

其中：矩阵中每个单元为采集的传感器频域信号，

表示振源i的第l个传感器在该振源以rpm(f)转速运行时采集的传感器频域信号；1≤f≤l′；rpm(f)表示工况f的转速；

将所有源的子源工况向量构建如下工况矩阵：

构建多工况分析法如下：

CH＝P^rpm (2)

P^rpm＝[p^rpm(1) p^rpm(2) … p^rpm(l′)]^T

其中：其中：p^rpm(f)表示工况f时观察点声压值，观察点也可以为振动信号，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符。

求解方程(2)得到系数矩阵H，H的行数与C矩阵的列数一一对应，也可表示为：

其中：上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符。

对于某混合工况r，计算源i的解除串扰参考量表述为：

其中：m_i为振源i周围布置的传感器个数，上标rpm(r)表示混合工况r的转速。

计算振源i在工况r对观察点的贡献如下：

验证实例：

为验证本发明的方法，设计一个实验装置，如图2所示，试验平板为长、宽分别为1米乘以1米，厚度3mm的钢板，板上放两个不同型号小电机，因此振动谱不相同。在两个源附近分别布置4个加速度计，源1附近为s1～s4，源2附近为s5～s8为参考加速度，s9为响应加速度，计算源M1和M2对于响应点s9的贡献。作为比较，同时s1～s4和s5～s8作为电机源1，2的参考信号，用工况传递路径分析法分析源对s9的贡献并作比较。

从测试计算图3和图4可以看出，对于观察点位置s9贡献分析精度，与OTPA方法对比，本发明的方法消除了串扰影响，振源1和振2贡献分析精度都比OTPA方法大大提高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种传感器组合源表征的振源串扰消除方法，所述方法通过在每个振源周围布设若干个传感器实现，所述方法包括：将传感器测量信号频域值进行组合表征源特性；独立运行各振源，在该振源激励引起组合信号强度最强，其它振源引起组合信号强度最弱的约束条件下，求解每个振源的传感器组合系数；将振源组合表征信号参与工况传递路径分析，从而消除振源串扰，获得各振源对目标点贡献量；

所述方法具体包括：

步骤1)分步运转各振源，建立方程求解每个振源的传感器组合系数；

构建振源i的传感器组合方程：

A⁽ⁱ⁾K⁽ⁱ⁾＝0 (1)

其中，1≤i≤q，q为振源的总数；

为待求解组合系数矩阵向量，

表示振源i的第l个传感器加和乘法系数，1≤l≤m_i，m_i为振源i周围布置的传感器总数，A⁽ⁱ⁾为振源i组合系数求解工况矩阵：

A⁽ⁱ⁾＝[B⁽¹⁾ B⁽²⁾ B^(j≠i) B^(q)]^T

其中，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符，B^(j)表示振源j单独运行工况子矩阵，j≠i，具体如下：

其中，

表示振源i在振源j激励时的工况数目，

表示振源i的第l个传感器在振源j以rmp(e)转速运行时采集的传感器频域信号；

rmp(e)表示工况e的转速；

步骤2)运行混合工况，建立混合多工况传递路径方程，求解工况传递路径系数，计算消除串扰后各振源对目标点贡献量；

求解齐次方程(1)，获得振源i的相互正交的解系数为：

其中，n_i表示组合系数矩阵向量个数，表示振源i有n_i个独立等效子源，消除串扰后振源i的第d个子源工况向量为：

其中：d表示子源标号，1≤d≤n_i；上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；B′⁽ⁱ⁾为l′个混合工况数目下振源i的所有传感器构成的矩阵：

其中：矩阵中每个元素为采集的传感器频域信号，

表示振源i的第l个传感器在该振源以rpm(f)转速运行时采集的传感器频域信号；1≤f≤l′；rpm(f)表示工况f的转速；

将所有振源的子源工况向量构建如下工况矩阵：

构建多工况分析法如下：

CH＝P^rpm (2)

P^rpm＝[p^rpm(1) p^rpm(2) … p^rpm(l′)]^T

其中：p^rpm(f)表示工况f时观察点声压值，上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；

求解方程(2)得到系数矩阵H，H的行数与C矩阵的列数一一对应，可表示为：

其中：上标T表示将矩阵翻转，行变成列的运算符；

对于某混合工况r，计算振源i的解除串扰参考量

为：

其中，上标rpm(r)表示混合工况r的转速；

计算振源i在混合工况r下对观察点的贡献如下：

2.根据权利要求1所述的传感器组合源表征的振源串扰消除方法，其特征在于，所述振源i的周围的传感器个数m_i大于总振源个数和。

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