CN114184271B - 基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法及系统，解决现有振型测试方式存在安装不便捷、定位精度低；测试过程慢、效率低；对高阶振型测试准确性低的问题。该方法包括1)将被测结构件固定并在表面喷涂散斑；2)在被测结构件外侧布置激光多普勒测振仪；3)向被测结构件施加激励信号，触发激光多普勒测振仪采集被测结构件的响应速度信号；4)对激励信号与响应速度信号采用估计法处理，获得频响函数，从中找出突频点并表示为f1,f2……,fn；5)对被测结构件分别施加定频为f1,f2……,fn的正弦激励信号，同时拍摄每个正弦激励下摄影视频；6)对拍摄的各段摄影视频进行运动放大；7)对运动放大后的摄影视频进行DIC分析得到高频振型。

Description

基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法及系统

技术领域

本发明属于模态测试技术领域，具体涉及一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法及系统，适用于轻质管路及薄壁结构的高阶模态振型辨识。

背景技术

在液体火箭发动机中，由于振荡燃烧激励、流体激振和声学共振存在，导致液体火箭发动机内部在很宽的频率范围内存在激励能量。液体火箭发动机在实际工作过程中，若管路的频率与液体火箭发动机内部激励频率耦合时，会使管路发生共振，导致管路在短时间内疲劳破坏。为了避免管路在发动机工作过程中的疲劳破坏，需要对管路的高阶振型进行测试，根据实测振型管路振动方向对管路采取增强和改进措施，以提高发动机工作可靠性。

目前，对管路振型的测试方式主要有传统接触式测试、激光多普勒测振仪测试和DIC(数字图像相关)技术测试。

传统接触式是在管路上粘贴加速度传感器，由于管路外表面为曲面，加速度传感器安装不便捷，以及加速度传感器空间定位精度低；另外，粘贴加速度传感器的测试方法在应用于管路模态测试(模态测试包括频率和振型)时，存在附加质量影响，进而影响测试结果。

激光多普勒测振仪基于激光的多普勒效应获取被测物体的振动速度，采用逐点扫描测量，获取高分辨率振型时测点数量增加导致耗时很长，效率很低。

与传统接触式测试和激光多普勒测振仪测试相比，DIC技术测试提供了更高的空间测点密度。现有DIC技术可以获得被测结构的低阶振型，但对于高阶振型来说，由于高阶振型对应的高频振动位移很小，DIC技术测试的准确度降低，往往无法得到准确的测试结果。

发明内容

为了解决现有管路振型测试方式或存在安装不便捷、定位精度低，影响测试结果；或测试过程慢、效率低；或对于高阶振型测试准确性低的技术问题，本发明提供了一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将被测结构件的至少一端固定，并在被测结构件表面喷涂高对比度散斑；

2)在被测结构件外侧布置激光多普勒测振仪，并使激光多普勒测振仪瞄准被测结构件的激光测振点；

3)向被测结构件施加激励信号f，同步触发激光多普勒测振仪采集被测结构件的响应速度信号x；

4)对激励信号f与响应速度信号x采用估计法进行处理，获得激光测振点的频响函数H(ω)，从中找出频带B1～B2范围内的所有突频点，每个突频点对应于被测结构件的峰值频率，所有突频点表示为f1，f2……，fn；

其中，B1比A1小5～10Hz，B2与A2大10～20Hz，被测结构件所安装的发动机激励频带范围为A1～A2；

5)对被测结构件分别施加定频为f1，f2……，fn的正弦激励信号，同时待被测结构件振动稳定后拍摄每个正弦激励下的摄影视频，且摄影视频的视野包含完整的被测结构件，共获得n段不同激励频率下的摄影视频；

6)对拍摄的各段摄影视频以相对应的激励频率为中心频率进行运动放大，获得n段运动放大后的摄影视频；

7)对n段运动放大后的摄影视频分别进行DIC分析，得到高频振型。

进一步地，步骤4)中，所述估计法为H₁估计法，频响函数H(ω)的公式如下：

其中，G_xf表示x与f的互功率谱估计，G_ff表示f的自功率谱估计。进一步地，步骤1)中，所述被测结构件表面为被测结构件摄影可见的外侧表面；所述对比度散斑为黑白散斑。

进一步地，步骤3)中，所述激励信号为脉冲激励信号或扫频激励信号。

进一步地，步骤4)中，所述发动机激励频带覆盖燃烧激励频带和泵转速的1～12倍频；

步骤5)中，定频为fi时，其对应拍摄摄影视频的帧速率≥2*fi，i＝1,2……，n。

进一步地，步骤2)中，所述激光多普勒测振仪为多个，分别瞄准被测结构件的多个激光测振点。

同时，本发明提供了一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，其特殊之处在于：包括激光多普勒测振仪、激振设备、拾振单元、高速摄像机、运算放大单元和DIC处理单元；

所述激振设备用于向被测结构件施加激励信号和定频的正弦激励；

所述激光多普勒测振仪用于采集被测结构件激光测振点的响应速度信号；

所述拾振单元用于根据激励信号和响应速度信号获取激光测振点的频响函数，并中找出频带B1～B2范围内的各所有突频点；其中，B1比A1小5～10Hz，B2与A2大10～20Hz，被测结构件所安装的发动机激励频带范围为A1～A2；

所述高速摄像机用于拍摄每个定频正弦激励下被测结构件的摄影视频；

所述运算放大单元用于对每个摄影视频以相对应的正弦激励频率为中心频率进行运动放大；

所述DIC处理单元用于对运动放大后的摄影视频分别进行DIC分析，得到高频振型。

进一步地，所述高速摄像机的数量为1个时，用于获取被测结构件面内高频振型，数量大于2个时，用于获取被测结构件三维空间高频振型。

进一步地，所述激光多普勒测振仪为多个，分别采集被测结构件多个激光测振点的响应速度信号；

进一步地，所述激振设备包括激振器。

进一步地，所述激振设备还包括力锤。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明基于激光多普勒测振仪获得激励下被测结构件的频响函数，频响函数各峰值对应结构的固有频率；以各个识别得到的固有频率对被测结构件施加定频正弦激励载荷，拍摄在各个定频激励下响应的视频，采用放大后的视频进行DIC分析，可以获得周期性激励下的高质量位移图，对应于被测结构件的各阶模态。由于高频振动对应的位移很小，传统的DIC方法识别高频位移效果很差，因此本发明可以清晰的识别被测结构件的高频振型。

2、与激光多普勒测振仪相比，本发明能够大幅缩短测试时间，获取具有极高空间分辨率的被测结构件高频振型，且避免了多次激励对待测结构件造成的损伤积累。

3、本发明以被测结构件的峰值响应频率作为激励频率，得到该阶模态的纯响应，结合运动放大，能够以很小的激励力对被测结构件进行激励获取高频振型，避免了激励设备高量级激振可能对被测结构件造成的损伤。

4、与DIC模态测试技术相比，本发明基于激光多普勒测振仪获取频率函数，可以获得淹没在图像本底噪声下的固有频率，结合运动放大进行结构定频响应的视频处理，可以有效避免DIC识别高频微位移精度不足的问题，大大拓宽了DIC技术的适用频率范围。

5、本发明将视频运动放大和DIC技术相结合，通过对运动放大后的视频执行DIC分析，在高频下获得结构的高阶振型，拓宽了DIC技术在高频的应用范围，获得高频下结构振型表征。

附图说明

图1为本发明基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统的结构示意图(未示出拾振单元、运算放大单元和DIC处理单元)；

图2为本发明基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法的流程图；

图3为本发明实施例中激光测振获得结构某点的频响函数。

图4为现有DIC方法所得第一阶弯曲振型；

图5为本发明方法所得第一阶弯曲振型；

图6为现有DIC方法所得第二阶弯曲振型；

图7为本发明方法所得第二阶弯曲振型；

图8为本发明实施例中联合运动放大和3D DIC的三维振型表征示意图；

其中，附图标记如下：

1-激光多普勒测振仪，2-激振器，3-高速摄像机，4-散斑，5-光源，6-夹具，7-被测结构件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，包括激光多普勒测振仪1、激振设备、拾振单元、高速摄像机3、运算放大单元和DIC处理单元，图中未示出拾振单元、运算放大单元和DIC处理单元；

激振设备用于向被测结构件7施加激励信号和定频的正弦激励；本实施例激振设备可选择为激振器2，实现向被测结构件7施加激励信号和定频的正弦激励，还可包括力锤，通过力锤向被测结构件7施加脉冲激励信号，通过激振器2被测结构件7施加定频的正弦激励。

激光多普勒测振仪1用于采集被测结构件7激光测振点的响应速度信号；拾振单元用于根据激励信号和响应速度信号获取激光测振点的频响函数；高速摄像机3用于拍摄每个定频正弦激励下被测结构件7的摄影视频；运算放大单元用于对每个摄影视频以相对应的正弦激励频率为中心频率进行运动放大；DIC处理单元用于对运动放大后的摄影视频分别进行DIC分析，得到高频振型。

如图2所示，本发明一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，结合DIC和运动放大的高阶模态表征方式，本实施例以固支阶梯梁作为被测结构件7，描述了梁结构从散斑4喷涂到高阶振型辨识的测试过程。具体步骤如下：

1)实验设置：采用夹具6固定固支阶梯梁(被测结构件7)的粗端，模拟悬臂梁状态；并在固支阶梯梁小横截面的外侧表面喷涂高对比度黑白散斑4；本实施例可在固支阶梯梁小横截面的全部外侧表面喷涂高对比度黑白散斑，也可仅在摄影可见的外侧表面喷涂高对比度黑白散斑；

在固支阶梯梁外侧布置激光多普勒测振仪1，并使激光多普勒测振仪1瞄准固支阶梯梁的激光测振点；

2)施加信号：采用力锤敲击固支阶梯梁，向固支阶梯梁施加激励信号f，力锤信号同步触发激光多普勒测振仪1采集固支阶梯梁的响应速度信号x；激励信号可为脉冲激励信号或扫频激励信号，可通过力锤或激振器2向被测件施加脉冲激励信号或扫频激励信号；

3)频响函数采集：对激励信号f与响应速度信号x采用估计法进行处理，获得激光测振点的频响函数H(ω)，本实施例估计法采用H₁估计法，频响函数H(ω)的公式如下：

其中，G_xf表示x与f的互功率谱估计，G_ff表示f的自功率谱估计。

从频响函数找出频带B1～B2范围内的所有突频点，每个突频点对应于被测结构件7的一个峰值频率，所有突频点(所有峰值频率)表示为f1，f2……，fn；其中，B1比A1小5～10Hz，B2与A2大10～20Hz，被测结构件7所安装的发动机激励频带范围为A1～A2；发动机激励频带覆盖燃烧激励频带和泵转速的1～12倍频；

本实施例频响函数如图3所示，则重点关注梁的前两阶弯曲振型，第一阶固有频率f1为162.5Hz，第二阶固有频率f2为1027.5Hz；

4)高速摄影拍摄：采用高速摄像机3拍摄固支阶梯梁的截面，调整高速摄像机3位置使得固支阶梯梁尽量充满整个相机视野。在夹具6上粘贴微型激振器2，激振器2以第一阶固有频率162.5Hz对支阶梯梁施加定频激励，待支阶梯梁振动稳定后，使用高速摄像机3拍摄1s视频，相机的帧速率为2000fps，镜头焦距为50mm，光源8进行补光。本实施例光源8采用补光灯。

然后，激振器2以第二阶固有频率1027.5Hz对支阶梯梁施加定频激励，待支阶梯梁振动稳定后使用高速摄像机3拍摄0.2s视频，相机的帧速率为11000fps，镜头焦距为50mm，补光灯进行补光。

在其他实施例中，激振器2以fi定频信号施加激励时，高速摄影机以不小于2*fi的帧速率进行拍摄；

5)运动放大：对获得的第一段视频进行运动放大，设计相应的时域带通滤波器，中心频率fc＝162.5Hz，带宽为5Hz，放大系数a＝50，得到运动放大后的视频；

对获得的第二段视频进行运动放大，设计相应的时域带通滤波器，中心频率fc＝1027.5Hz，带宽为5Hz，放大系数a＝300，得到运动放大后的视频；

6)DIC分析：对两段视频分别进行DIC分析，得到梁的高质量一阶和二阶振型。

图4和图5分别给出了现有DIC技术和本发明方法得到的一阶振型，可以看出，由于162.5Hz定频激励下结构的最大位移仅有0.0154mm，现有DIC方法识别得到的一阶振型辨识度很差。而本发明通过结合运动放大和DIC技术，可以清晰的辨识出结构的一阶振型。图6和图7分别给出了现有DIC技术和本发明方法得到的二阶振型，通过对比，同样本发明可以得到梁结构清晰的高频振型。

本发明高速摄像机3的数量为1个时，用于获取结构面内高频振型；高速摄像机3数量大于等于2个时，获取被测结构件7三维空间高频振型。图8给出了本发明对于三维结构振型的辨识方法，通过两台高速摄像机3同时拍摄被测结构件7，对两台高速摄像机3得到的视频分别进行运动放大，而后执行立体DIC分析，可以获取被测结构件7三维空间高频振型。

本实施例激光多普勒测振仪1可为多个，分别瞄准被测结构件7的多个激光测振点，并分别采集被测结构件7多个激光测振点的响应速度信号。

本发明识别方法主要通过使用单点激光多普勒测振仪1获得力锤或激振器2激励下结构激光测振点的频响函数，频响函数各峰值对应结构的固有频率。在结构表面喷涂高对比度散斑4，激振器2分别以各个识别得到的固有频率对结构施加定频正弦激励载荷，使用高速摄像机3拍摄在各个定频激励下结构响应的视频。以固有频率为中心频率，选择包含该共振峰的频率带宽，对视频进行运动放大。采用放大后的视频进行DIC分析，可以获得周期性激励下的高质量位移图，对应于被测结构件7的各阶模态。由于高频振动对应的位移很小，传统的DIC方法识别高频位移效果很差，本方法可以清晰的识别被测结构件7的高频振型。本发明联合视频运动放大和DIC技术的结构模态振型辨识技术，解决高频振动位移小，DIC技术难以辨识高阶振型的问题。

液体火箭发动机燃烧激励往往在上千Hz的高频范围内仍有较高的能量，发动机中涡轮泵转速的6倍频也在1000Hz以上。与激光多普勒测振仪相比，本发明能够大幅缩短测试时间，获取具有极高空间分辨率的结构高频振型，且避免了多次激励对被测结构件7造成的损伤积累。

本发明以被测结构件7的峰值响应频率作为激励频率，得到该阶模态的纯响应。结合运动放大，能够以很小的激励力对被测结构件7进行激励获取高频振型，避免了激励设备高量级激振可能对被测结构件7造成的损伤。

单点激光多普勒测振仪测试时具有很高的灵敏度，可以获得很高频率范围的频响函数，但获取高分辨率振型时耗时很长，效率很低。基于摄影的DIC技术属于全场测试技术，可以在短时间内获得振型，但高频振型测试时准确度降低。与DIC模态测试技术相比，本发明基于激光多普勒测振仪获取频率函数，可以获得淹没在图像本底噪声下的固有频率，结合运动放大进行结构定频响应的视频处理，可以有效解决DIC识别高频微位移精度不足问题，大大拓宽了DIC技术的适用频率范围。

本发明基于激光多普勒测振仪获得频响函数，可以获得淹没在图像本底噪声下的模态振型；能够以极高空间分辨率获得被测结构件7的高阶振型；可在被测结构件7表面布置至少一个激光测振点，通过施加脉冲激励信号或扫频激励信号获得频响函数，找到峰值频率。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将被测结构件(7)的至少一端固定，并在被测结构件(7)表面喷涂高对比度散斑(4)；

2)在被测结构件(7)外侧布置激光多普勒测振仪(1)，并使激光多普勒测振仪(1)瞄准被测结构件(7)的激光测振点；

3)向被测结构件(7)施加激励信号f，同步触发激光多普勒测振仪(1)采集被测结构件(7)的响应速度信号x；

4)对激励信号f与响应速度信号x采用估计法进行处理，获得激光测振点的频响函数H(ω)，从中找出频带B1～B2范围内的所有突频点，每个突频点对应于被测结构件(7)的峰值频率，所有突频点表示为f1,f2……,fn；

其中，B1比A1小5～10Hz，B2比A2大10～20Hz，被测结构件(7)所安装的发动机部件激励频带范围为A1～A2；

5)对被测结构件(7)分别施加定频为f1,f2……,fn的正弦激励信号，同时待被测结构件(7)振动稳定后拍摄每个正弦激励下的摄影视频，共获得n段不同激励频率下的摄影视频；

6)对拍摄的各段摄影视频以相对应的激励频率为中心频率进行运动放大，获得n段运动放大后的摄影视频；

7)对n段运动放大后的摄影视频分别进行DIC分析，得到高频振型。

2.根据权利要求1所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于：步骤4)中，所述估计法为H₁估计法，频响函数H(ω)的公式如下：

其中，G_xf表示x与f的互功率谱估计，G_ff表示f的自功率谱估计。

3.根据权利要求2所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于：步骤1)中，所述被测结构件(7)表面为被测结构件(7)摄影可见的外侧表面；所述散斑(4)为黑白散斑。

4.根据权利要求3所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于：步骤3)中，所述激励信号为脉冲激励信号或扫频激励信号。

5.根据权利要求1至4任一所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于：步骤5)中，定频为fi时，其对应拍摄摄影视频的帧速率≥2*fi，i＝1,2……，n。

6.根据权利要求5所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别方法，其特征在于：步骤2)中，所述激光多普勒测振仪(1)为多个，分别瞄准被测结构件(7)的多个激光测振点。

7.一种基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，其特征在于：包括激光多普勒测振仪(1)、激振设备、拾振单元、高速摄像机(3)、运算放大单元和DIC处理单元；

所述激振设备用于向被测结构件(7)施加激励信号和定频的正弦激励；

所述激光多普勒测振仪(1)用于采集被测结构件(7)激光测振点的响应速度信号；

所述拾振单元用于根据激励信号和响应速度信号获取激光测振点的频响函数，并中找出频带B1～B2范围内的各所有突频点；其中，B1比A1小5～10Hz，B2与A2大10～20Hz，被测结构件(7)所安装的发动机部件激励频带范围为A1～A2；

所述高速摄像机(3)用于拍摄每个定频正弦激励下被测结构件(7)的摄影视频；

所述运算放大单元用于对每个摄影视频以相对应的正弦激励频率为中心频率进行运动放大；

所述DIC处理单元用于对运动放大后的摄影视频分别进行DIC分析，得到高频振型。

8.根据权利要求7所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，其特征在于：所述激光多普勒测振仪(1)为多个，分别采集被测结构件(7)多个激光测振点的响应速度信号。

9.根据权利要求8所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，其特征在于：所述激振设备包括激振器(2)。

10.根据权利要求9所述基于运动放大和数字图像相关的高频振型识别系统，其特征在于：所述激振设备还包括力锤。

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