DE2439236C3 - Arrangement for determining the natural frequencies of a test object - Google Patents

Arrangement for determining the natural frequencies of a test object

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DE2439236C3 DE19742439236 DE2439236A DE2439236C3 DE 2439236 C3 DE2439236 C3 DE 2439236C3 DE 19742439236 DE19742439236 DE 19742439236 DE 2439236 A DE2439236 A DE 2439236A DE 2439236 C3 DE2439236 C3 DE 2439236C3
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    • G01R27/28Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
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Description

zen eines Prüflings; vielmehr wird diese Art der Bestimmung der Eigenfrequenzen als bekannt vorausgesetzt zen of a test object; rather, this type of determination of the natural frequencies is assumed to be known

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Eigenfrequenzen insbesondere durch schärfere Trennung der Pole in der komplexen Frequenzbereichsdarstellung und Unterdrückung unerwünschter Signalkomponenten zu erhöhen. The invention is based on the problem of the accuracy in determining the natural frequencies in particular through sharper separation of the poles in the complex frequency range display and suppression to increase unwanted signal components.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß ein Differentiator zum Differenzieren der Frequenzbereichsdarstellung des Antwortsignal des Prüflings mit dem Ausgang des Umsetzers verbunden ist und daß ein Spitzen (Extremstellen) eines differenzierten Signals in einer komplexen Ebene bestimmender Detektor mit einem Ausgang des Differentiators gekoppelt ist. Durch Differenzieren des Antwortsignals des Prüflings in de- komplexen Frequenzbereichsdarstellung werden die zur Bestimmung der Eigenfrequenzen herangezogenen Signalspitzen stärker aufgelöst und verschärft und die zwischen den Signalspitzen befindlichen Signalausläufer, welche die Lage der Signalspitzen und damit das Meßergebnis beeinflussen, stärker unterdrückt.Based on an arrangement of the type mentioned at the beginning, the invention proposes to solve this The task is that a differentiator for differentiating the frequency domain representation of the response signal of the test object is connected to the output of the converter and that a peaks (extreme points) of a differentiated signal in a complex plane determining detector with an output of the Differentiator is coupled. By differentiating the response signal of the test object in a complex frequency domain representation the signal peaks used to determine the natural frequencies are resolved and sharpened to a greater extent and those between the Signal peaks located signal tail, which the position of the signal peaks and thus the measurement result affect, more suppressed.

Eine alternative Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß eine Multiplizierschaltung mit einem Eingang an die das Antwortsignal h(t) abtastende Einrichtung und mit einem anderen Eingang an einen eine vorgegebene Gewichtsfunktion x(t) erzeugenden Funktionsgenerator zur Bildung eines Produktsignals aus dem Antwortsignal h(t) und der Gewichtsfunktion x(t) angeschaltet ist, daß der Multiplizierschaltung der Umsetzer nachgeschaltet ist, der das von der Multipli- F (j According to the invention, an alternative solution is that a multiplier circuit with one input to the device sampling the response signal h (t) and another input to a function generator generating a predetermined weighting function x (t) for forming a product signal from the response signal h (t) and the weighting function x (t) is switched on, so that the multiplier circuit is followed by the converter which receives the output from the multipli- F (j

zierschaltung gelieferte Produktsignal in eine Frequenzbereichsdarstellung umsetzt, und daß ein die Spitzen (Extremstellen) des Ausgangssignals des Umsetzers in einer komplexen Ebene bestimmender Detektor mit dem Umsetzer verbunden ist. Die Multiplikation im Zeitbereich entspricht einer Differentiation bzw. FaI-tung im Frequenzbereich, so daß auch diese alternative Anordnung zu der gleichen vorteilhaften Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Eigenfrequenzen führt.The product signal supplied by the decorative circuit is displayed in a frequency range converts, and that the peaks (extreme points) of the output signal of the converter in a complex plane determining detector is connected to the converter. The multiplication in the The time domain corresponds to a differentiation or folding in the frequency domain, so that this is also an alternative Arrangement for the same advantageous increase in the accuracy in determining the natural frequencies leads.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtIn the following, the invention will be described with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the drawing explained in more detail. It shows

F i g. 1 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wechselwirkung der Pole in der s-Ebene, wobei die Schwierigkeiten bei der Lokalisierung der Resonanzfrequenzen aus einer Frequenzbereichsdarstellung des Antwortsignals des Prüflings längs der j(ü))-Achse verdeutlicht werden sollen;F i g. 1 is a graphic representation to illustrate the interaction of the poles in the s-plane, where the difficulties in localizing the resonance frequencies from a frequency domain representation the response signal of the device under test should be made clear along the j (ü)) axis;

F i g. 2 ein allgemeines Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Anordnung zur Bestimmung der Eigenfrequenzen eines Prüflings;F i g. 2 shows a general block diagram of a first embodiment of the arrangement for determining the Natural frequencies of a test object;

Fig.3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Anordnung zur Bestimmung der Eigenfrequenzen eines Prüflings;3 shows a block diagram of a second embodiment the arrangement for determining the natural frequencies of a test object;

F i g. 4a ein Schaubild einer Funktion, welche die Fouriertransformation "w: .·· Antwortsignals eines Prüflings auf eine Erregung darstellt;F i g. 4a is a graph of a function which represents the Fourier transform "w:. ·· Response signal of a device under test to an excitation; FIG.

Fig.4b die Funktion der Fig.4a nach dem Verschärfen oder Differenzieren undFig.4b shows the function of Fig.4a after Tighten or differentiate and

Fig.4c die Funktion der Fig.4a nach der zweiten Differentation.Fig.4c shows the function of Fig.4a after the second Differentiation.

Im folgenden wird auf die Bestimmung der Pole in der s-Ebene Bezug genommen. Das »s« bezeichnet das gewöhnlich verwendete Symbol des Exponenten in der Laplacetransformation:In the following, reference is made to the determination of the poles in the s-plane. The »s« denotes the symbol commonly used for the exponent in the Laplace transformation:

COCO

F iß) = J /We""dt F iß) = J / We "" dt

wobei s gleich σ + ja ist Die Lage eines Poles bezieht sich auf die spezielle Resonanzfrequenz (f) oder die Winkelfrequenz ω = 2;r/und σ, die Dämpfungsrate, bei der die Spitze oder der Pol auftritt, und das Residuum bezieht sich auf die Größe \K\ des Pols, welche die Anfangsgröße oder Verstärkung der Resonanz bezeichnet, und den Phasenwinkel < K, der die Anfangsphase der diesem Pol zugeordneten Impulsantwort bezeichnet Obwohl sich die folgende Erläuterung speziell auf die Bestimmung der Pole in der s-Ebene bezieht ist dem Fachmann ohne weiteres klar, daß die in diesem Zusammenhang getroffenen Maßnahmen auch zur Bestimmung der Nullstellen in gleicher Weise verwendet werden können. In erster Linie richtet sich die nachfolgende Beschreibung auf die Bestimmung der positiven Frequenzen oder positiven ω'ε statt auf dL negativen Frequenzen, da die negativen Frequenzen zugeordneten Pole die komplexkonjugierlen Werte der Pole in der oberen Hälfte (positive Frequenz) der s-Ebene sind. Es ist klar, daß σ wie im Falle eines instabilen Zustands positiv oder wie im Falle eines gedämpften Zustandes negativ sein kann. Irn folgenden Teil der Beschreibung wird auch auf die nachfolgend definierte Fouriertransformation Bezug genommen:where s is σ + ja The position of a pole relates to the special resonance frequency (f) or the angular frequency ω = 2; r / and σ, the damping rate at which the tip or pole occurs, and the residual relates to the size \ K \ of the pole, which denotes the initial size or gain of the resonance, and the phase angle < K, which denotes the initial phase of the impulse response associated with this pole. Although the following explanation relates specifically to the determination of the poles in the s-plane It is readily apparent to the person skilled in the art that the measures taken in this connection can also be used in the same way to determine the zero positions. The following description is primarily aimed at determining the positive frequencies or positive ω'ε instead of dL negative frequencies, since the poles associated with negative frequencies are the complex-conjugate values of the poles in the upper half (positive frequency) of the s-plane. It is clear that σ can be positive as in the case of an unstable state or negative as in the case of a damped state. In the following part of the description, reference is also made to the Fourier transform defined below:

OD
= J
OD
= J

f(t)e~"dtf (t) e ~ "dt

Um das Problem besser verständlich zu machen, wird im folgenden zunächst auf F i g. 4a Bezug genommen. Diese stellt die Fouriertransformation des Antwortsignals eines Prüflings auf die Erregung dar. Die Abszisse 13 stellt die ju>-Achse und die Ordinate 14 die Amplitude der Fourierkoeffizienten dar. Wie im folgenden noch genauer erklärt wird, sind die Amplituden wegen des beschränkten dynamischen Bereichs der Anzeigemedien vor der Anzeige (durch eine logarithmische Funktion) maßstäblich geändert. Auf den ersten Blick erscheint in Fig.4a die Frequenz, bei der die Spitzen, z. B. die Spitze 15, auftreten, direkt von der Abszisse 13 ablesbar. Dies ist jedoch generell nicht der Fall, da die Wechselwirkung der in Fig. 4a dargestellten Spitzen über deren Ausläufer zu einer Verschiebung der Spitze 15 führt, wodurch die tatsächliche yaj-Lage des der Spitze 15 zugeordneten Pols von dem Wert ju> auf der Abszisse 13 unterhalb der Spitze (Extremstelle) abweicht.In order to make the problem easier to understand, the following first refers to FIG. 4a is referred to. This represents the Fourier transformation of the response signal of a test object to the excitation. The abscissa 13 represents the ju> axis and the ordinate 14 the amplitude of the Fourier coefficients. As will be explained in more detail below, the amplitudes are due to the limited dynamic range of the display media changed to scale before display (by a logarithmic function). At first glance, the frequency at which the peaks, e.g. B. the tip 15, can be read directly from the abscissa 13. However, this is generally not the case, since the interaction of the peaks shown 4a via the offshoots leads in Fig. To a displacement of the tip 15, whereby the actual yaj-position of the tip 15 of the associated pole from the value ju> on the abscissa 13 deviates below the tip (extreme point).

In F i g. 1 ist die Verschiebung der Spitzenpunkte (Extremstellen) längs der ju>-Achse 10 infolge Wechselwirkung der Pole grafisch dargestellt. Die Pole 16 und 17 sind innerhalb des Koordinatensystems dargestellt, das die jiu-Achse 10, die σ-Achse 11 und die K-Achse 12 umfaßt. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, daß beide Pole 16 und 17 eine Lage haben, welche den negativen Werten von σ entspricht. Der Pol 16 scheint auf der ycu-Achse bei ωο' zu liegen. Der Einfluß des als gestrichelter Bereich 18 gezeigten Ausläufers des Pols 17 bewirkt eine Lageveränderung des Pols 16 längs der ./ω-Achse in der durch den Pfeil 19 dargestellten Richtung. In ähnlicher Weise ruft der Ausläufer des PolsIn Fig. 1 the shift of the tip points (extreme points) along the ju> axis 10 as a result of the interaction of the poles is shown graphically. The poles 16 and 17 are shown within the coordinate system which includes the jiu axis 10, the σ axis 11 and the K axis 12. For explanatory purposes it is assumed that both poles 16 and 17 have a position which corresponds to the negative values of σ. The pole 16 seems to be on the ycu axis at ωο '. The influence of the extension of the pole 17, shown as a dashed area 18, causes a change in the position of the pole 16 along the ./ω axis in the direction shown by the arrow 19. Similarly, the tail of the pole calls

16 eine Verschiebung der Lage des Pols 17 längs der ./ω-Achse in Richtung des Pfeils 20 hervor. Aufgrund dieser Wechselwirkung über die Ausläufer (18) benachbarter Extremstellen führt die Untersuchung der Fourier-transformation einer Zeitbereichsfunktion nur zu einer ungenauen Feststellung der Lage der Pole längs der yco-Achse. Mit der Anordnung wird die Fouriertransformation durch Differentation »verschärft«, wobei die Ausläufer der Extremstellen weitgehend unterdrückt, die Wechselwirkung zwischen den Polen minimalisiert und eine genaue Bestimmung der Resonanzfrequenzen ermöglicht wird. In F i g. 4b ist die erste Ableitung des in Fig.4a dargestellten Signalverlaufs gezeigt, und es ist zu sehen, daß die Spitzen bzw. Extremstellen wesentlich steilere Ausläufer haben, wodurch ein Teil der Wechselwirkung zwischen den Polen eliminiert wird. In F i g. 4c ist die zweite Ableitung des in Fig.4a dargestellten Signalverlaufs gezeigt. In dieser Fig. sind die Flanken und Pole beträchtlich steiler als diejenigen in Fig.4b, wodurch die Wechselwirkung zwischen den Polen über deren Ausläufer weitgehend beseitigt und eine genauere Bestimmung der Frequenz der Pole ermöglicht wird.16 shows a shift in the position of the pole 17 along the ./ω axis in the direction of the arrow 20. Because of This interaction via the foothills (18) of neighboring extreme points leads to the investigation of the Fourier transformation of a time domain function only for an imprecise determination of the position of the poles lengthways the yco axis. With the arrangement, the Fourier transform "exacerbated" by differentiation, with the foothills of the extreme points largely suppressed, the interaction between the poles minimized and a precise determination of the resonance frequencies is made possible. In Fig. 4b is the first derivative of the signal curve shown in FIG. 4a shown, and it can be seen that the peaks or extreme points have much steeper tails, thereby eliminating some of the interaction between the poles. In Fig. 4c is the second derivative of the signal curve shown in Figure 4a. In of this figure, the flanks and poles are considerably steeper than those in figure 4b, which makes the interaction between the poles over their foothills largely eliminated and a more precise determination the frequency of the poles is made possible.

Zur Erleichterung des Verständnisses der beschriebenen Anordnung werden im folgenden zunächst diejenigen systematischen Grundlagen angegeben, von denen die Erfindung ausgeht. Bekanntlich ist der Betrag eines Pols an irgendeinem Punkte in der s-Ebene gleich dem Maximalbetrag des Residuums | K | eines Pols, dividiert durch den Abstand von dem Pol. Daher ergibt sich der Betrag der Fouriertransformation eines Pols, der bei σο + jcüo auftritt, aus dem folgenden Gleichungssystem:To facilitate understanding of the described arrangement, those systematic principles on which the invention is based are first given below. As is known, the magnitude of a pole at any point in the s-plane is equal to the maximum magnitude of the residual | K | of a pole divided by the distance from the pole. Therefore, the amount of the Fourier transform of a pole that occurs at σο + jcüo results from the following system of equations:

Formulierung kann die /-te Ableitung wie folgt geschrieben werden:Formulation, the / -th derivative can be written as follows:

/'J/ 'J

wobei μ\ wieder einen Korrekturfaktor darstellt.where μ \ again represents a correction factor.

Wie zuvor erwähnt und in den Fig.4b und 4c dargestellt, verringert der Verschärfungsvorgang bei der Differentation der Frequenzbereichsdarstellung die Wechselwirkung zwischen den Polen. Für die erste Ableitung fällt die scheinbare Lage des Pols längs der yiu-Achse im wesentlichen mit der tatsächlichen Pollage längs dieser Achse zusammen. Daher nähert sich der Ausdruck (ω — ωο) null, da die Frequenz, bei der der Ausdruck berechnet wird, die ωο entsprechende Frequenz ist. Unter Vernachlässigung des Ausdrucks (ω —ωο) (bei ω = ωο) in den Gleichungen (2) und (3) ergeben sich die folgenden beiden Gleichungen:As previously mentioned and shown in FIGS. 4b and 4c, the sharpening process decreases at the differentiation of the frequency domain representation, the interaction between the poles. For the first Derivative, the apparent position of the pole along the yiu axis essentially coincides with the actual pole position together along this axis. Hence, the expression (ω - ωο) approaches zero because the frequency at which the Expression is calculated, the ωο corresponding frequency is. Neglecting the expression (ω —ωο) (with ω = ωο) in equations (2) and (3) the following two equations result:

I /r(,„0)| =I / r ( , " 0 ) | =

in ähnlicher Weise können Ausdrücke für alle Pole geschrieben werden.similarly, expressions can be written for all poles.

Wenn der Wert der ersten Ableitung Η'(ωα) durch Η"(ωα), die zweite Ableitung, wie folgt geteilt wird:If the value of the first derivative Η '(ω α ) is divided by Η "(ωα), the second derivative is divided as follows:

IHIH

IKn IK n

I/o·2 + {o,- r~„0-)2 I / o · 2 + {o, - r ~ " 0 -) 2

a) 35 so kann die σο Lage des Pols bestimmt werden. a ) 35 so the σο position of the pole can be determined.

Das Verhältnis der dritten Potenz der erstenThe ratio of the cube of the first

Ableitung und der zweiten Potenz der zweitenDerivative and the second power of the second

j,) Ableitung führt zur folgenden Gleichung:j,) derivative leads to the following equation:

wobei Oo gleich der Pollage längs der σ-Achse und ωο die Winkelfrequenz ist, bei der der Ausdruck bestimmt wird. Ein ähnlicher Ausdruck läßt sich für jeden Pol angeben, der entlang der jcü-Achse auftritt Die erste Ableitung der Gleichung (1 a) kann geschrieben werden alswhere Oo equals the pole position along the σ-axis and ωο the Is the angular frequency at which the expression is determined. A similar expression can be given for each pole, which occurs along the jcü axis The first derivative the equation (1 a) can be written as

4040

-JK0 -JK 0

la +j (f-.-r.-o)]2 la + j (f -.- r.-o)] 2

dann ist:then:

r-i ι - -υ t ri ι - -υ t

(J0 + (f. — (J 0 + (f. -

(2 a)(2 a)

(2b)(2 B)

(,„-,„o)2]3'2 (, "-," o) 2 ] 3 ' 2

P)-P) -

45 so 45 so

wobei μ.ι einen Korrekturfaktor darstellt, der dann erforderlich sein kann, wenn Η{ω) keine kontinuierliche Funktion ist, sondern eine endliche Zahl von Proben darstellt. Für den theoretischen Fall, bei dem Η{ω) eine kontinuierliche Funktion ist, würde μι gleich 1 seilt Aus der zweiten Ableitung der Gleichung (la) kann in ähnlicher Weisewhere μ.ι represents a correction factor that may be necessary if Η {ω) is not a continuous function, but represents a finite number of samples. For the theoretical case in which Η {ω) is a continuous function, μι would be equal to 1 ropes. The second derivative of equation (la) can be used in a similar way

6060

gewonnen werden, wobei μι wiederum ein Korrekturfaktor darstellt, der erforderlich werden kann, wenn Η(ω) keine kontinuierliche Funktion ist In allgemeiner IH" ( can be obtained, where μι in turn represents a correction factor that may be necessary if Η (ω) is not a continuous function In general IH "(

/4/ 4

Aus dieser Gleichung kann die Größe bzw. der Wert des Pols und aus diesem Grunde die Größe bzw. der Wert aller Pole entlang deryia-Achse bestimmt werden.From this equation, the size or the value of the pole and for this reason the size or the Value of all poles along the yia axis can be determined.

In den Gleichungen (7) und (8) wurden die Verhältnisse der ersten und zweiten Ableitungen verwendet, obwohl beliebige andere zwei Ableitungen zur Berechnung von | Ko | und σο, so z. B. die ersten und dritten Ableitungen verwendet werden könnten. Im Ausführungsbeispiel werden zwei aufeinanderfolgende Ableitungen, z. B. die erste und die zweite Ableitung benutzt, da die Verwendung von aufeinanderfolgenden Ableitungen die Berechnung erleichtert Andere aufeinanderfolgende Ableitungen, z. B. die dritten und vierten Ableitungen oder die vierten und fünften Ableitungen könnten in derselben Weise verwendet werden.In equations (7) and (8), the ratios of the first and second derivatives were used, although any other two derivatives were used to calculate | Ko | and σο, so z. B. the first and third derivatives could be used. In the exemplary embodiment, two successive derivatives, e.g. The first and second derivatives are used as the use of consecutive derivatives makes the calculation easier. Other consecutive derivatives, e.g. B. the third and fourth derivatives or the fourth and fifth derivatives could be used in the same way.

Zur Berechnung bleibt jetzt noch der Rest des Residuums, das ist der dem Betrag zugeordnete Phasenwinkel.The remainder of the residual remains for the calculation, this is the one assigned to the amount Phase angle.

Ähnlich der zuvor in Verbindung mit den Gleichungen (la) bis (2b) erörterten Analyse kann die folgende Gleichung geschrieben werden:Similar to the analysis previously discussed in connection with equations (la) through (2b), the following Equation can be written:

65 wobei Äo gleich dem dem Pol bei ω0 und σ0 65 where Äo is equal to that of the pole at ω 0 and σ 0

zugeordneten Phasenwinkel ist und wobei /Η'(ω) der Phasenwinkel der differenzierten Fouriertransformation bei dem betrachteten ω ist. Die Phase der zweiten Ableitung kann in ähnlicher Weise geschrieben werden:associated phase angle and where / Η '(ω) is the phase angle of the differentiated Fourier transform at the observed ω. The phase of the second derivative can be written in a similar way:

\h" (ω) = JK0 -π + 2arctan (
\ °o
\ h "(ω) = JK 0 -π + 2arctane (
\ ° o

(10)(10)

und die /-te Ableitung kann wie folgt geschrieben werden:and the / -th derivative can be written as follows:

'(„ή = j K0 - I ~ + / arctan Λ-—°Λ (11) 1 2 \ σ0 j '("Ή = j K 0 - I ~ + / arctan Λ-— ° Λ (11) 1 2 \ σ 0 j

Aus den Gleichungen (9) und (10} ergibt sich:Equations (9) and (10} result in:

K0 = 2 K 0 = 2

(12)(12)

Die arctan-Ausdrücke der Gleichungen (9) und (10) entfallen, so daß diese Ausdrücke zur Bestimmung des Phasenwinkels nicht berechnet zu werden brauchen. In ähnlicher Weise können alle Phasenwinkel berechnet werden. Bei der zuvor beschriebenen Berechnung wurden wiederum die ersten und zweiten Ableitungen der Frequenzbereichsdarstellung verwendet, und wie im Falle der Berechnung von K und σ können beliebige andere zwei aufeinanderfolgende Ableitungen, so z. B. die vierte und fünfte Ableitung, verwendet werden.
• Aus der vorhergehenden theoretischen Analyse geht hervor, daß die Lage des Pols in Richtung der yiu- und σ-Achsen zusätzlich zum Residuum (\K \ und /K) des Pols bestimmt werden kann.
The arctan expressions in equations (9) and (10) are omitted, so that these expressions do not need to be calculated to determine the phase angle. All phase angles can be calculated in a similar way. In the calculation described above, the first and second derivatives of the frequency domain representation were again used, and as in the case of the calculation of K and σ, any other two consecutive derivatives can be used, e.g. B. the fourth and fifth derivatives can be used.
• The previous theoretical analysis shows that the position of the pole in the direction of the yiu and σ axes can be determined in addition to the residual (\ K \ and / K) of the pole.

In F i g. 2 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild der Anordnung dargestellt. Die Impuls- oder Obergangsantwort des Prüflings wird von einem Impulsfühler 22 abgetastet und einem Zek-ZFrequenzbereichsumsetzer 23 zugeführt. Der Impulszähler 22 kann in bekannter Weise ausgebildet sein, z. B. als elektromechanische oder optische Einrichtung. Der Zeit-ZFrequenzbereichsumsetzer kann beliebige bekannte Mittel zum Umsetzen einer Zeitbereichsdarstellung in eine Frequenzbereichsdarstellung aufweisen. Ein Rechengerät zur Durchführung dieser Funktion und zum Umsetzen der Zeitbereichsinformation in Fourierkoeffizienten ist in der US-PS 36 38 004 beschrieben. Die Frequenzbereichsdarstellungen am Ausgang des Umsetzers 23 werden einem Differentiator 24 zugeführt, wo die Eingangsinformation in der in den Fig.4b und 4c erkennbaren Weise »verschärft« wird. Zahlreiche bekannte Schaltungen stehen zur Durchführung der Differenzierfunktion sowohl in analoger als auch in digitaler Form zur Verfugung. Die Ergebnisse jeder Differentiation werden über eine Leitung 26 zu einer Speichereinrichtung 25 übertragen. Die Speichereinrichtung 25 kann ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, z. B. ein Magnetkernspeicher oder ein Halbleiterspeicher sein. Zur Übertragung der im Speicher 25 gespeicherten Daten zum Differentiator 24 ist eine Leitung 27 vorgesehen.In Fig. 2 is a generalized block diagram of FIG Arrangement shown. The impulse or transition response of the test object is measured by an impulse sensor 22 scanned and fed to a Zek-Z frequency range converter 23. The pulse counter 22 can be known in a Be designed such. B. as an electromechanical or optical device. The time-to-frequency converter can be any known means for converting a time domain representation to a frequency domain representation exhibit. A computing device to perform this function and to implement the Time domain information in Fourier coefficients is described in US Pat. No. 3,638,004. The frequency domain representations at the output of the converter 23 are fed to a differentiator 24, where the input information is in the form shown in FIGS. 4b and 4c is "tightened" in a recognizable manner. Numerous known circuits are available for performing the Differentiation function available in both analog and digital form. The results everyone Differentiations are transmitted to a storage device 25 via a line 26. The storage device 25 may be a random access memory, e.g. B. a magnetic core memory or a semiconductor memory be. To transfer the data stored in the memory 25 to the differentiator 24 is a Line 27 is provided.

Die Speichereinrichtung 25 ist außerdem mit einer arithmetischen Einrichtung 28 derart verbunden, daß Information von der Speichereinrichtung über eine Leitung 29 zur arithmetischen Einrichtung 28 und von letzterer über eine Leitung 30 zur Speichereinrichtung 25 fließen kann. Die arithmetische Einrichtung 28 kann als Vielzweckdigitalrechner ausgeführt sein, der auf die erforderlichen Rechnungen programmiert ist, oder sie kann durch einen geeigneten festverdrahteten Rechner gebildet werden.The memory device 25 is also connected to an arithmetic device 28 such that Information from the memory device via a line 29 to the arithmetic device 28 and from the latter can flow via a line 30 to the storage device 25. The arithmetic device 28 can be designed as a multipurpose digital computer that is programmed to the required calculations, or they can be formed by a suitable hardwired computer.

Ein Spitzendetektor 33 ist mit der Speichereinrichtung 25 derart verbunden, daß ein Informationsfluß von der Speichereinrichtung über die Leitung 35 zum Spitzendetektor und in ähnlicher Weise vom Spitzendetektor 33 über eine Leitung 34 zurück zum Speicher erfolgen kann. Der Spitzendetektor 33 dient zur Bestimmung deryiu-Lage der Pole, wie sie beispielsweise in F i g. 4c dargestellt sind. Daher wird eine Ableitung, z. B. die zweite, dritte oder vierte Ableitung der Frequenzbereichsdarstellung des vom Fühler 22 abgetasteten Signals von der Speichereinrichtung 25 zum Spitzendetektor 33 übertragen. Der Spitzendetektor bestimmt die /.o-I.age jeder der Spitzen und is1 ausgangsseitig über die Leitung 34 mit dem Speicher 25 verbunden. Es sind verschiedene Schaltungen bekannt die entsprechend der Funktion des Spitzendetektors die Spitzenamplituden bestimmen und die benötigte Information verschaffen. Wegen der sich aus der Differentation ergebenden Verschärfung ist es nicht schwierig, die einzelnen Spitzen bzw. Maxima'stellen voneinander zu unterscheiden und deren Frequenz genau zu lokalisieren. A peak detector 33 is connected to the memory device 25 so that an information flow from the memory device via line 35 to the peak detector and similarly from the peak detector 33 can be done via a line 34 back to the memory. The peak detector 33 is used for Determination of the deryiu position of the poles, for example in Fig. 4c are shown. Hence, a derivative, e.g. B. the second, third or fourth derivative of the Frequency domain representation of the signal sampled by the sensor 22 from the storage device 25 to the Peak detector 33 transmitted. The peak detector determines the /.o-I.age of each of the peaks and is1 on the output side connected to the memory 25 via the line 34. Various circuits are known which determine the peak amplitudes according to the function of the peak detector and the required information procure. Because of the tightening resulting from the differentiation, it is not difficult to find the individual peaks or maxima'stellen from each other distinguish and precisely localize their frequency.

Die Funktionsweise der in F i g. 2 dargestellten Anordnung läßt sich am besten in Verbindung mit den zuvor genannten Gleichungen verstehen. Der Impulsfühler 22 tastet zunächst die Impulsantwort des Systems ab und überträgt diese Antwort zum Umsetzer 23. Der Umsetzer 23 führt eine Fouriertransformation oder eine andere Transformation an den Daten durch und bilde! die Größe Η(ω). Diese Information wird zum Differentiator 24 übertragen, in welchem sie differenziert wird und die Ergebnisse der Differentiation werden dann im Speicher 25 abgespeichert. Die Ergebnisse der erster Differentiation werden zum Differentiator 24 über die Leitung 27 zurückgeführt, und der Differentiator 24 führt eine zweite Differentation aus, deren Ergebnisse über die Leitung 26 zum Speicher 25 gegeben und don abgespeichert werden. Wie zuvor erläutert wurde, kann dieser Differentationsvorgang fortgesetzt werden, bis beliebige zwei aufeinanderfolgende Differentiationen z. B. die vierte oder fünfte ausgeführt sind. Sobald die Ergebnisse der Differentiationen, ζ. Β. Η'(ω) und Η"(ω, im Speicher 25 eingespeichert sind, kann die Berechnung der I K | Werte, σ Werte und der Phasenwinkel beginnen.The functioning of the in F i g. 2 is best understood in conjunction with the aforementioned equations. The impulse sensor 22 first scans the impulse response of the system and transmits this response to the converter 23. The converter 23 carries out a Fourier transformation or another transformation on the data and forms! the quantity Η (ω). This information is transmitted to the differentiator 24, in which it is differentiated, and the results of the differentiation are then stored in the memory 25. The results of the first differentiation are fed back to the differentiator 24 via the line 27, and the differentiator 24 carries out a second differentiation, the results of which are sent to the memory 25 via the line 26 and are then stored. As previously explained, this differentiation process can be continued until any two successive differentiations e.g. B. the fourth or fifth are executed. As soon as the results of the differentiations, ζ. Β. Η '(ω) and Η "(ω, are stored in the memory 25, the calculation of the I K | values, σ values and the phase angle can begin.

Mit den Ergebnissen der im Speicher 25 abgespeicherten Differentiationen können die σ-Werte und [ K With the results of the differentiations stored in the memory 25, the σ values and [ K

so Werte gemäß Gleichung (7) bzw. (8) mit Hilfe der arithmetischen Einrichtung 28 geeignet bestimm! werden. Zu diesen Berechnungen bedarf es nur relativ einfacher mathematischer Operationen. Wie im einzelnen in Verbindung mit der F i g. 3 erläutert wird, werder die σ-Werte und #-Werte berechnet und in dei Speichereinrichtung 25 gespeichert. Die Korrekturfaktoren {μ.\ und μ.2) können gegebenenfalls in gleichei Weise in der Speichereinrichtung 25 gespeichert unc zur Korrektur der 0- und Ti-Werte verwendet werden Danach können die jedem der K-Werte zugeordneten Phasenwinkel in der arithmetischen Einrichtung 28 durch Lösung der Gleichung (12) berechnet werden auch dies ist ein relativ einfacher Rechenvorgang, und der Phasenwinkel wird für jeden Wert von /Cbestimmt Nach der Berechnung aller Werte von a, K und des Phasenwinkels wird eine Ableitung von Η{ω) über die Leitung 35 dem Spitzendetektor 33 zugeführt Die Ableitung höchster Ordnung, z.B. die in Fig.4(c]then suitably determine values according to equation (7) or (8) with the aid of the arithmetic device 28! will. These calculations only require relatively simple mathematical operations. As in detail in connection with FIG. 3 it will be explained how the σ-values and # -values are calculated and stored in the memory device 25. The correction factors {μ. \ And μ.2) can optionally be stored in the same way in the memory device 25 and used to correct the 0 and Ti values. Thereafter, the phase angles assigned to each of the K values can be solved in the arithmetic device 28 the equation (12) are calculated again this is a relatively simple calculation process, and the phase angle for each value of / Cbestimmt After the calculation of all values of a, K and the phase angle is a derivative of Η {ω) on the line 35 to the Peak detector 33 supplied The highest order derivative, e.g. that in Fig. 4 (c)

1010

= F {t2 = F {t 2

dargestellte zweite Ableitung, wird zum Spitzendetektor 33 übertragen. Im Spitzendetektor 33 können die Frequenzen, bei denen die Spitzen bzw. Extremstellen auftreten, in der zuvor erläuterten Weise bestimmt werden. Das Χω), das diesen Frequenzen entspricht, wird über die Leitung 34 zur Speichereinrichtung 25 zurückgeführt. Das σ, [ K | und der Phasenwinkel, die den von dem Detektor 33 bestimmten Werten entsprechen, stellen die Lage der Pole und die Residuen für das vom Fühler 22 abgetastete Signal dar und werden zur Ausgangsleitung 37 übertragen.The second derivative shown is transmitted to the peak detector 33. In the peak detector 33, the frequencies at which the peaks or extreme points occur can be determined in the manner explained above. The Χω), which corresponds to these frequencies, is fed back to the storage device 25 via the line 34. The σ, [ K | and the phase angle corresponding to the values determined by the detector 33 represent the position of the poles and the residuals for the signal sensed by the sensor 22 and are transmitted to the output line 37.

Wie oben erwähnt, werden die Werte für | K |, σ und den Phasenwinkel für jedes ω bestimmt, und danach werden die Werte für σ, ω und den Phasenwinkel für jeden Pol aus der Speichereinrichtung 25 abgerufen. Die Rechen vorgänge können dadurch abgekürzt werden, daß gegebenenfalls nur diejenigen Werte von | K |, σ und den Phasenwinkel für die Werte von yco berechnet werden, bei denen Spitzen auftreten. Dies würde die Bestimmung der Spitzen mit Hilfe des Spitzendetektors 33 vor der Berechnung von σ, \ K\ und den Phasenwinkel in der arithmetischen Einrichtung 28 erforderlich machen. In den Fällen, bei denen alle Werte von K, 0 und der Phasenwinkel berechnet werden, kann dieser Rechenvorgang in der arithmetischen Einrichtung 28 gleichzeitig mit der Bestimmung der Spitzen im Spitzendetektor 33 erfolgen.As mentioned above, the values for | K |, σ and the phase angle are determined for each ω, and then the values for σ, ω and the phase angle for each pole are retrieved from the storage device 25. The arithmetic operations can be shortened in that, if necessary, only those values of | K |, σ and the phase angle are calculated for the values of yco at which peaks occur. This would make it necessary to determine the peaks with the aid of the peak detector 33 before calculating σ, \ K \ and the phase angle in the arithmetic device 28. In those cases in which all values of K, 0 and the phase angle are calculated, this calculation process in the arithmetic device 28 can take place simultaneously with the determination of the peaks in the peak detector 33.

Um die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der Anordnung noch besser zu erläutern, soll zunächst noch eine ergänzende mathematische Erläuterung vorausge- 30 schickt werden. Bei der beschriebenen Anordnung erfolgt eine Probenabtastung des Eingangssignals, z. B. der Impulsantwort, so daß eine kontinuierliche Funktion nicht verwendet wird. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, daß das Eingangssignal /V-mal abgetastet 35 wird, und das abgetastete Signal wird in digitale Form umgesetzt, wobei die Rechenoperationen in der Anordnung in digitaler Form vorgenommen werden. ψ (1) = sinIn order to explain the mode of operation of the exemplary embodiment of the arrangement even better, a supplementary mathematical explanation should first be sent in advance. In the arrangement described, the input signal is sampled, e.g. B. the impulse response, so that a continuous function is not used. For purposes of explanation it is assumed that the input signal is sampled / V times and the sampled signal is converted into digital form, the arithmetic operations in the arrangement being carried out in digital form. ψ (1) = sin

Wenn eine endliche Anzahl von Abtastungen bzw. Proben des abgetasteten Signals verwendet wird, ist die beschriebene Differentiation im Frequenzbereich tatsächlich eine Faltung im Frequenzbereich oder eine Multiplikation im Zeitbereich. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Zeitbereichs- Eingangsfunktion, z. B. die Impulsantwort oder die Einschwingantwort eine endliche Anzahl von Abtastungen N und durch h(t) n = \n If a finite number of samples of the sampled signal is used, the described differentiation in the frequency domain is actually a convolution in the frequency domain or a multiplication in the time domain. For example, assume that the time domain input function, e.g. B. the impulse response or the transient response a finite number of samples N and by h (t) n = \ n

' dargestellt ist und daß die Fouriertransformation dieses Signals durch Η{ω) dargestellt ist. Es ist zu sehen, daß die erste Ableitung von Η(ω) wie folgt geschrieben werden kann: ' and that the Fourier transform of this signal is represented by Η {ω) . It can be seen that the first derivative of Η (ω) can be written as follows:

Daher ist die Fouriertransformation von th(t) gleich der ersten Ableitung im Frequenzbereich von Η(ω). In ähnlicher Weise ist die zweite Ableitung wie folgt zu schreiben:Therefore the Fourier transform of th (t) is equal to the first derivative in the frequency domain of Η (ω). Similarly, the second derivative is to be written as follows:

(14)(14)

oder die /-t Ableitung kann in der folgenden Form geschrieben werden:or the / -t derivative can be written in the following form:

H' (ω) = F{-j't'-h(c)\ H ' (ω) = F {-j't'-h (c) \

(15)(15)

Aus den obigen Gleichungen geht hervor, daß durch Multiplikation von h(t)mit t oder einer Rampenfunktion die Differentiationsoperation überflüssig wird und daß die oben beschriebene Verschärfung der Pole auch durch Multiplikation im Zeitbereich erfolgen kann. Es können viele verschiedene bekannte Funktionen als Gewichtsfunktion anstelle von t zur Erzielung der Faltung in dem Frequenzbereich verwendet werden; im Ausführungsbeispiel wird hierzu eine trigonometrische Funktion (Sinusfunktion) benutzt. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung einer Sinusfunktion der Korrekturfaktor nahe bei 1 liegt und gegebenenfalls geeignet berechnet werden kann. Dies liegt daran, daß eine endliche Differenzbildung bei der Berechnung der Werte von σ, K und des Phasenwinkels verwendet wird.The above equations show that the differentiation operation becomes superfluous by multiplying h (t) by t or a ramp function and that the poles can also be sharpened as described above by multiplication in the time domain. Many different known functions can be used as the weight function in place of t to achieve the convolution in the frequency domain; In the exemplary embodiment, a trigonometric function (sine function) is used for this purpose. It has been found that when a sine function is used, the correction factor is close to 1 and, if necessary, can be suitably calculated. This is because a finite subtraction is used in calculating the values of σ, K and the phase angle.

Wenn die trigonometrische oder Gewichtsfunktion durch x(t) dargestellt wird, kann die folgende Gleichung geschrieben werden:When the trigonometric or weight function is represented by x (t) , the following equation can be written:

wobei Δ"{...) die /-te »Differentiation« oder Faltung und Δ den bekannten Operator darstellt. r(t) wird dargestellt durchwhere Δ "{... ) represents the / th" differentiation "or convolution and Δ the known operator. r (t) is represented by

π η τπ η τ

(Π)(Π)

wobei η gleich 0, 1, 2, 3.../V-I, Γ die Periode des Eingangssignals und τ dps Abtastintervall ist. Aus den obengenannten Gleichungen kann gezeigt werden, daß bei Verwendung der ersten und zweiten Faltungen die folgende Gleichung giltwhere η is 0, 1, 2, 3 ... / VI, Γ is the period of the input signal and τ is dps sampling interval. From the above equations it can be shown that using the first and second convolutions, the following equation holds

I2 iff Μι + Γ Iff Mi sin π/2 I2 {ff Ml - I' iff M) sin π/2 I 2 iff Μι + Γ Iff Mi sin π / 2 I 2 {ff Ml - I 'iff M) sin π / 2

(18)(18)

TT' ι \ Cf : * . /„ ι *\\ TT 'ι \ Cf: *. / " Ι * \\

11 \··ΐ) — ι , — j ι it \r;i 11 \ ·· ΐ) - ι , - j ι it \ r; i

wobei Fdie Fouriertransformation darstellt wobei Z ein Korrekturfaktor und In den natürlichen Logarithmus darstellt. In ähnlicher Weise kann eine Gleichung für K in komplexer Form, d. h. die Größe und der den Polen zugeordnete Phasenwinkel, geschrieben werden.where F is the Fourier transform where Z is a correction factor and In is the natural logarithm. Similarly, an equation for K can be written in complex form, ie the magnitude and phase angle associated with the poles.

κ = \k\Ik_ = κ = \ k \ Ik_ =

+ 2e" cos j- + e+ 2e "cos j- + e

Sini Sin i

Γ \H(<„)} (19)Γ \ H (<")} (19)

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der beschriebenen Anordnung gezeigt, bei dem ein Impulsfühler 40 ähnlich dem Impulsfühler 22 der F i g. 2 zur Abtastung der Impulsantwort der Probe zur Übertragung der Signalantwort zur Abtast- und Halteeinnichtung 41 verwendet wird. In einigen Fällen ist die Impuls- oder Obergangsantwort voraufgezeichnet und wird direkt an die Abtast- und Halteeinrichtung angelegt, wenn sie in analoger Form vorliegt. Im Falle eines in digitaler Form voraufgezeichneten Antwortsignals kann dieses an die Leitung 46 angelegt werden. Die Abtast- und Halteeinrichtung 41 tastet die Impulsantwort mit einer endlichen Anzahl (N) von Abtastungen ab und überträgt jede der Abtastungen zu einem Analog/Digital-Umsetzer 42. ImIn Fig. 3 shows an exemplary embodiment of the arrangement described, in which a pulse sensor 40 similar to the pulse sensor 22 of FIG. 2 is used to sample the impulse response of the sample to transmit the signal response to the sample and hold device 41. In some cases the impulse or transition response is pre-recorded and applied directly to the sample and hold device when in analog form. In the case of a response signal prerecorded in digital form, this can be applied to line 46. The sample and hold device 41 samples the impulse response with a finite number (N) of samples and transmits each of the samples to an analog / digital converter 42. Im

Umsetzer 42 wird jede der Abtastungen in digitale Form umgesetzt und auf die Leitung 46 gegeben. Das Ausgangssignal des Umsetzers 42 entspricht h(t) in den obigen Gleichungen.Converter 42 converts each of the samples into digital form and puts them on line 46. The output of converter 42 corresponds to h (t) in the above equations.

Eine zusätzliche Eingangsleitung 54 ist in F i g. 3 mit einem Datenkonditionierer 53 verbunden. Der Datenkonditionierer 53 findet in den Fällen Verwendung, bei denen das Eingangssignal der Anordnung in einer anderen Form als einer Impulsantwort oder einer anderen Übergangsantwort bzw. Einschwingantwort vorliegt, und dient zum Konditionieren der Daten und zu deren Umsetzung in eine Zeitbereichsfunktion. Das Ausgangssignal des Konditionierers 53 wird anstelle der Daten vom Umsetzer 42 über die Leitung 54 einer Multiplizierschaltung 45 zugeführt. Beispiele für die Art der dem Konditionierer 54 zugeführten Daten sind solche, welche für die Autokorrelationsfunktion, die Autospektralfunktion, das Kreuz-Leistungsspektrum oder eine Übertragungsfunktion repräsentativ sind. In Situationen, in denen die Übertragungsfunktion oder das Kreuz-Spektrum verwendet werden, können diese Daten in eine Impulsantwort umgesetzt werden. In den Fällen, in denen das Autospektrum oder die Autokorrelationsfunktion zugeführt werden, können diese Funktionen in ähnlicher Weise in eine geeignete Zeitbereichsfunktion umgesetzt werden, indem eine physikalisch geeignete Phasenfunktion der Quadratwurzel des Autospektrums oder der Quadratwurzel der Fouriertransformation der Autokorrelationsfunktion zugeordnet wird. Ein Kriterium zum Zuordnen einer solchen Phasenfunktion ist von H. Bode in Network Analysis and Feedback Amplifier Design, Van Nostrand Co.. Inc., New York, 1945 angegeben.An additional input line 54 is shown in FIG. 3 is connected to a data conditioner 53. The data conditioner 53 is used in cases where the input signal of the arrangement is in a other form than an impulse response or another transition response or transient response exists, and is used to condition the data and convert it into a time domain function. That The output signal of the conditioner 53 is instead of the data from the converter 42 via the line 54 a Multiplier circuit 45 supplied. Examples of the type of data supplied to the conditioner 54 are those for the autocorrelation function, the autospectral function, the cross-power spectrum or a transfer function are representative. In situations where the transfer function or If the cross spectrum is used, this data can be converted into an impulse response. In the These functions can be used in cases where the auto spectrum or the auto correlation function are supplied can be implemented in a similar manner in a suitable time domain function by a physically appropriate phase function of the square root of the auto spectrum or the square root of the Fourier transform is assigned to the autocorrelation function. A criterion for assigning such a Phase function is by H. Bode in Network Analysis and Feedback Amplifier Design, Van Nostrand Co .. Inc., New York, 1945 stated.

Die Multiplizierschahung 45, die als gewöhnliche digitale Multiplizierschahung ausgebildet sein kann, multipliziert zwei digitale Signale und entwickelt auf der Leitung 49 ein das Produkt darstellendes Digitalsignal. Die Multiplizierschahung 45 dient zur Multiplikation von zwei Digitalsignalen, die über die Leitungen 46 und 47 oder 47 und 48 zugeführt werden. Eine Speichereinrichtung 52, die an den Ausgang der Multiplizierschaltung 45 angeschaltet ist, liefert gespeicherte Signale über die Leitung 48 zurück zur Multiplizierschaltung 45 und über die Leitung 55 zu einem Fouriertransformationsumsetzer 58. Die Speichereinrichtung ist beispielsweise als Halbleiter- oder Magnetkernspeicher so ausgebildet, daß in ihr digitale Information speicherbar ist.The multiplier 45, which is called ordinary digital multiplier can be formed, multiplies two digital signals and developed on the Line 49 is a digital signal representing the product. The multiplier 45 is used for multiplication of two digital signals which are supplied via lines 46 and 47 or 47 and 48. A storage device 52, which is connected to the output of the multiplier circuit 45, supplies stored signals via line 48 back to the multiplier circuit 45 and via line 55 to a Fourier transform converter 58. The memory device is, for example, a semiconductor or magnetic core memory designed that digital information can be stored in it.

Ein Funktionsgenerator 43 dient zur Erzeugung der Gewichtsfunktion, die, wie oben erläutert wurde, im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Sinusfunktion ist. Der Funktionsgenerator 43 erzeugt diese Information in digitaler Form, und sein Ausgang ist mit der Multiplizierschaitung 45 über die Leitung 47 verbunden.A function generator 43 is used to generate the weight function, which, as explained above, in described embodiment is a sine function. The function generator 43 generates this information in digital form, and its output is connected to the multiplier 45 via line 47.

Der Fouriertransformationsumsetzer 58 ist eine digitale Schaltung zur Umsetzung eines Zeitbereichssignals in ein Frequenzbereichssignal und weist im Ausführungsbeispiel einen festverdrahteten Rechner gemäß US-PS 36 38 004 auf. In Fig.6 dieser Patentschrift und in der zugehörigen Beschreibung sind eine Abtast- und Halteeinrichtung sowie ein Analog/Digital-Umsetzer angegeben, welche für die Blöcke 41 und 42 gemäß F i g. 3 verwendet werden können.The Fourier transform converter 58 is a digital circuit for converting a time domain signal in a frequency domain signal and, in the exemplary embodiment, has a hardwired computer according to US-PS 36 38 004. In Fig.6 of this patent and in the associated description are a sample and hold device and an analog / digital converter indicated which for blocks 41 and 42 according to FIG. 3 can be used.

Es können aber auch verschiedene andere bekannte Schaltungen als Abtast- und Halteeinrichtung 41 und ^s Umsetzer 42 benutzt werden. In der vorgenannten US-PS 36 38 004 ist ferner in Fig.7 ein trigonometrischer Funktionsgenerator angegeben, der in dieser Ausführung den Funktionsgenerator 43 bilden kann. Aber auch andere bekannte Schaltungen sind zur Erzeugung der Sinusfunktionen in digitaler Form für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet.However, various other known circuits as a sample and hold device 41 and ^ s converters are used 42nd In the aforementioned US-PS 36 38 004, a trigonometric function generator is also indicated in FIG. 7, which can form the function generator 43 in this embodiment. However, other known circuits are also suitable for generating the sine functions in digital form for the purposes of the present invention.

Als Speichereinrichtung 60 kann eine von zahlreichen im Handel erhältlichen Speichereinrichtungen, z. B. ein Halbleiter- oder Magnetkernspeicher verwendet werden. Obwohl im Blockschaltbild gemäß Fig.3 die Speichereinrichtung 60 als separater Speicher dargestellt ist, kann sie mit der Speichereinrichtung 52 zusammengefaßt werden. Die Speichereinrichtung 60 nimmt die Ergebnisse der durch den Umsetzer 58 durchgeführten Fouriertransformation über die Leitung 59 auf und speichert die komplexen Fourierkoeffizienten. Die Speichereinrichtung 60 steht außerdem über Leitungen 68 und 69 mit einer arithmetischen Einrichtung 71 in Verbindung und ist so ausgebildet, daß sie gespeicherte Signale über eine Leitung 6fi zu einem Digital/Log-Analog-Umsetzer 62 übertragen kann. Informationen, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenzen umfaßt, kann über eine Leitung 67 in den Speicher eingelesen werden. Die Leitung 67 ist mit einer Anzeige 63 verbunden. Die Ausgangsinformation wird vom Speicher 60 über eine Ausgangsleitung 72 abgegeben.The storage device 60 may be any of various commercially available storage devices, e.g. B. a Semiconductor or magnetic core memory can be used. Although in the block diagram according to FIG Storage device 60 is shown as a separate memory, it can be combined with storage device 52 be summarized. The storage device 60 receives the results of the converter 58 performed Fourier transformation on line 59 and stores the complex Fourier coefficients. The memory device 60 is also available via lines 68 and 69 with an arithmetic Device 71 in connection and is designed so that they stored signals via a line 6fi to a Digital / log-to-analog converter 62 can transmit. Information that includes the resonance frequencies in the described embodiment can be via a Line 67 are read into the memory. The line 67 is connected to a display 63. the Output information is output from memory 60 via an output line 72.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Lage der Pole längs deryiw-Achse aus einer Anzeigeeinrichtung von der »Ableitung« oder Faltung höchster Ordnung des Eingangssignals ausgewählt In der Regel haben die für die Berechnungen benutzten digitalen Daten einen wesentlichen größeren dynamischen Bereich als eine Anzeigeeinrichtung, wie z. B. eine Kathodenstrahlröhre. Der Digital/Log-Analog-Umsetzer 62 setzt die an der Anzeigeeinrichtung 63 zur Anzeige zu bringende Digitalinformation in ein Analogsignal um. dessen Wert eine logarithmische Funktion des Digitalsignals ist Eine Schaltung zur Durchführung der Digital/Log-Analog-Umsetzung, die insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit einer Anzeigeeinrichtung geeignet ist ist in der US-PS 36 70 326 angegeben. Die übe*· die Leitung 66 mit dem Umsetzer 62 verbundene Anzeigeeinrichtung 63 kann als gewöhnliche Kathodenstrahlanzeigeeinrichtung oder in anderer Weise ausgebildet sein. Sobald die Anzeige, z. B. das Schaubild gemäß F i g. 4(c) vorliegt, können die Frequenzen, bei denen die Pole auftreten, über die Leitung 67 zur Speichereinrichtung 60 übertragen werden. Zur Bestimmung der Frequenzen der Pole können an der Anzeigeeinrichtung übliche Maßstabseinrichtungen vorgesehen sein.In the embodiment described, the position of the poles along the yiw axis is obtained from a display device selected by the "derivative" or highest order convolution of the input signal Usually the digital data used for the calculations have a significantly greater dynamic Area as a display device, e.g. B. a cathode ray tube. The digital / log-to-analog converter 62 inserts the digital information to be displayed on the display device 63 in Analog signal around. whose value is a logarithmic function of the digital signal A circuit for Implementation of the digital / log-to-analog conversion, especially for use in connection with a Display device is suitable is given in US Pat. No. 3,670,326. The practice * · the line 66 with the Display device 63 connected to converter 62 may be an ordinary cathode ray display device or be designed in some other way. As soon as the ad, e.g. B. the diagram according to FIG. 4 (c) is present, The frequencies at which the poles occur can be transmitted via line 67 to storage device 60 be transmitted. To determine the frequencies of the poles, usual Scale devices may be provided.

Die arithmetische Einrichtung 71 kann entweder als festverdrahteter Digitalrechner oder als Vielzweck-Digitalrechner mit einem zur Lösung der Gleichungen (18) und (19) geeigneten Programm ausgebildet sein. Diese Gleichungen sind für den Digitalrechner relativ leicht zu lösen, so daß die arithmetische Einrichtung 71 unter Verwendung bekannter Technologien ohne weiteres herstellbar istThe arithmetic device 71 can be either a hard-wired digital computer or a general-purpose digital computer with one to solve the equations (18) and (19) appropriate program. These equations are relatively easy to use for the digital computer solve so that the arithmetic means 71 easily using known technologies can be produced

Die Funktionsweise der in Fig.3 schematisch dargestellten Anordnung ist wie folgt Nach der Bestimmung vom h(t) wird die Größe h(t) mit der vom Generator 73 erzeugten Sinusfunktion im Multiplizierer 45 multipliziert Das sich ergebende Produkt wird zur Speichereinrichtung 52 geleitet und dort gespeichert. Die Ergebnisse dieser ersten Multiplikation werden zum Fouriertransformationsumsetzer 58 übertragen, wo die Fouriertransformation durchgeführt wird Die Ergebnisse dieser Rechnung, d. h. die komplexen Fourierkoef-The mode of operation of the arrangement shown schematically in FIG. 3 is as follows. After determining h (t) , the variable h (t) is multiplied by the sine function generated by generator 73 in multiplier 45 saved. The results of this first multiplication are transmitted to the Fourier transform converter 58, where the Fourier transform is carried out.

Fizienten, werden sodann in der Speichereinrichtung 60 gespeichert Die Ergebnisse der ersten Multiplikation x(t) ■ h(t) werden sodann über die Leitung 48 an die Multiplizierschaltung 45 rückgekoppelt und mit der vom Generator 43 erzeugten trigonometrischen Funktion erneut multipliziert, wobei die Größe x2(t)h(t) gebildet wird. Die Ergebnisse dieser Multiplikation werden zur Speichereinrichtung 52 übertragen und dort gespeichert Die Ergebnisse dieser zweiten Multiplikation werden, ähnlich der ersten, zum Fouriertransforma- u> tionsumsetzer 58 übertragen, die Fourierkoeffizienten erneut berechnet und in der Speichereinrichtung 60 gespeichert Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das in den obigen Gleichungen definierte / gleich der gewünschten Zahl ist Für das Ausführungsbeispiel werden nur zwei derartige Multiplikationen durchgeführt, und zu Erläuterungszwecken sei angenommen, daß die Frequenzbereichsdarstellung der ersten beiden Multiplikationen in der Speichereinrichtung 60 gespeichert wird.The results of the first multiplication x (t) · h (t) are then fed back via the line 48 to the multiplier circuit 45 and multiplied again by the trigonometric function generated by the generator 43, the quantity x 2 (t) h (t) is formed. The results of this multiplication are transferred to the memory device 52 and stored there. The results of this second multiplication are transferred, similar to the first, to the Fourier transform converter 58, the Fourier coefficients are recalculated and stored in the memory device 60. This process is repeated until the in defined by the above equations / equal to the desired number. For the exemplary embodiment, only two such multiplications are carried out, and for purposes of explanation it is assumed that the frequency domain representation of the first two multiplications is stored in the memory device 60.

Sobald die komplexen Fourierkoeffizienten, die sich aus den beiden Multiplikationsvorgängen ergeben, in der Speichereinrichtung 60 gespeichert sind, werden die σ-Werte durch Lösung der Gleichung (18) in der arithmetischen Einrichtung 71 für jeden diskreten Wert von ω bestimmt Danach wird die Größe bzw. der Betrag und der Phasenwinkel für jeden diskreten Wert von ω durch Lösung der Gleichung (19) in der arithmetischen Einrichtung 7t bestimmt. Alle Werte von σ und K, einschließlich der Phasenwinkel-Information, werden sodann in der Speichereinrichtung 60 gespeichert. Wie zuvor erwähnt, werden alle möglichen Werte dieser Größen wegen des geringen Rechenaufwandes bei der Berechnung der Werte von σ und /(T berechnet.As soon as the complex Fourier coefficients resulting from the two multiplication processes are stored in the memory device 60, the σ values are determined by solving equation (18) in the arithmetic device 71 for each discrete value of ω. the magnitude and the phase angle for each discrete value of ω are determined by solving equation (19) in the arithmetic device 7t. All values of σ and K, including the phase angle information, are then stored in memory device 60. As mentioned before, all possible values of these quantities are calculated when calculating the values of σ and / (T) because of the low computational effort.

Als nächstes werden die Fourierkoeffizienten, die sich aus der zweiten Multiplikation ergeben, zum Digital/ Log-Ana5og-Konverter 62 übertragen und nach einer geeigneten Maßstabsumformung und Umsetzung in analoge Form werden sie auf der Anzeigeeinrichtung 63 zur Anzeige gebracht Von der Anzeige können die Resonanzfrequenzen oder die Werte für π oder ω, bei denen die Pole auftreten, in geeigneter Weise bestimmt werden. Diese Werte werden sodann zum Speicher 60 übertragen, und zur Auswahl der σ-Werte und der komplexen K-Werte, die den Resonanzfrequenzen entsprechen, verwendet Diese Information kann sodann auf der Aufgangsleitung 72 gewonnen werden.Next, the Fourier coefficients resulting from the second multiplication are transferred to the digital / log-analog converter 62 and, after a suitable scale conversion and conversion into analog form, they are displayed on the display device 63. The display can show the resonance frequencies or the values for π or ω at which the poles appear can be determined appropriately. These values are then transmitted to the memory 60 and used to select the σ values and the complex K values which correspond to the resonance frequencies. This information can then be obtained on the output line 72.

In der Gleichung (18) war der Korrekturfaktor Zzum Zwecke der obigen Berechnungen mit eins angenommen worden. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung einer trigonometrischen Funktion als Gewichtsfunktion und bei einer relativ großen Anzahl N der Abtastungen der Korrekturfaktor in unmittelbarer Nähe von eins liegt Der Korrekturfaktor Z läßt sich wie folgt ausdrücken:In equation (18), the correction factor Z was assumed to be one for the purposes of the above calculations. It has been shown that when a trigonometric function is used as a weight function and with a relatively large number N of samples, the correction factor is in the immediate vicinity of one.The correction factor Z can be expressed as follows:

Z =Z =

1 - e-itf-i1 - e-itf-i

(20)(20)

Sofern der Korrekturfaktor Z von Bedeutung ist, kann er daduuh bestimmt werden, daß zunächst ein Korrekturfaktor von 1 angenommen und unter Verwendung der Gleichung (18) σ berechnet wird. Sodann kann der Wert des Korrekturfaktors Z unter Verwendung der Gleichung (20) berechnet werden. Unter Verwendung dieses berechneten Wertes werden die Werte für σ neu bestimmt, wiederum unter Verwendung der Gleichung (18). Dieser Vorgang kann entsprechend der für den Korrekturfaktor benötigten Genauigkeit wiederholt werden. Es ist zu beachten, daß andere Korrekturfaktoren als derjenige gemäß Gleichung (20) verwendet werden können.If the correction factor Z is important, it can be determined by first assuming a correction factor of 1 and calculating σ using equation (18). Then, the value of the correction factor Z can be calculated using equation (20). Using this calculated value, the values for σ are re-determined, again using equation (18). This process can be repeated according to the accuracy required for the correction factor. It should be noted that correction factors other than that according to equation (20) can be used.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Anordnung zum Bestimmen der Eigenfrequenzen eines Prüflings aus einem Antwortsignal des Prüflings auf eine Erregung, mit einer das Antwortsignal abtastenden Einrichtung und einem dieser Einrichtung nachgeordneten Umsetzer zur Gewinnung einer Frequenzbereichsdarstellung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentiator (24) zum Differenzieren der Frequenzbereichsdarstellung des Antwortsignals des Prüflings mit dem Ausgang des Umsetzers (23) verbunden ist und daß ein Spitzen (Extremstellen 15) eines differenzierten Signals in einer komplexen Ebene bestimmender Detektor (33) mit einem Ausgang des Differentiators (24) gekoppelt ist1. Arrangement for determining the natural frequencies of a test object from a response signal of the Test specimen to an excitation, with a device that scans the response signal and one of these Device downstream converter for obtaining a frequency range representation, thereby characterized in that a differentiator (24) for differentiating the frequency domain representation the response signal of the device under test is connected to the output of the converter (23) and that a peaks (extreme points 15) of a differentiated signal in a complex plane is more decisive Detector (33) is coupled to an output of the differentiator (24) 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentiator (24) mit einem Speicher (25) verbunden und eine Rückführung (27) vom Speicher zum Differentiator (24) zur Durchführung von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Differentiationen vorgesehen ist und daß eine die Lage der Pole und deren Residuen in der komplexen Ebene aus den beiden aufeinanderfolgenden Ableitungen bestimmende arithmetische Einrichtung (28) mit dem Differentiator (24) gekoppelt ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the differentiator (24) with a Memory (25) connected and a return (27) from the memory to the differentiator (24) for implementation of at least two successive differentiations is provided and that one is the Position of the poles and their residuals in the complex plane from the two consecutive derivatives determining arithmetic means (28) is coupled to the differentiator (24). 3. Anordnung zum Bestimmen der Eigenfrequenzen eines Prüflings aus einem Antwortsignal des Prüflings auf eine Erregung, mit einer das Antwortsignal abtastenden Einrichtung und einem dieser Einrichtung nachgeordneten Umsetzer zur Gewinnung einer Frequenzbereichsdarstellung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multiplizierschaltung (45) mit einem Eingang (46) ün die das Antwortsignal h(t) abtastende Einrichtung (40,41,42,53) und mit einem anderen Eingang (47) an einen eine vorgegebene Gewichtsfunktion x(t) erzeugenden Funktionsgenerator (43) zur Bildung eines Produktsignals aus dem Antwortsignal h(t) und der Gewichtsfunktion x(t) angeschaltet ist, daß der Multipluierschaltung (45) der Umsetzer (58) nachgeschaltet ist, der das von der Multiplizierschaltung gelieferte Produktsignal in eine Frequenzbereichsdarstellung umsetzt, und daß ein die Spitzen (Extremstellen 15) des Ausgangssignals des Umsetzers in einer komplexen Ebene bestimmender Detektor mit dem Umsetzer (58) verbunden ist.3. Arrangement for determining the natural frequencies of a test object from a response signal of the test object to an excitation, with a device that scans the response signal and a converter downstream of this device for obtaining a frequency range representation, characterized in that a multiplier circuit (45) with an input (46) ün to the device (40, 41, 42, 53 ) scanning the response signal h (t) and with another input (47) to a function generator (43) generating a predetermined weight function x (t ) for forming a product signal from the response signal h ( t) and the weight function x (t) is switched on, that the multiplier circuit (45) is followed by the converter (58) which converts the product signal supplied by the multiplier circuit into a frequency domain representation, and that the peaks (extreme points 15) of the output signal of the Converter in a complex plane determining detector is connected to the converter (58). 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer als Fouriertransformationsumsetzer (58) mit diesem zugeordneter, die Lage der Pole (16, 17) des Antwortsignals h(t) des. Prüflings und deren Residuen in der komplexen Ebene bestimmenden arithmetischen Einrichtung (71) ausgebildet ist.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the converter as a Fourier transform converter (58) associated with this, the position of the poles (16, 17) of the response signal h (t) of the. DUT and their residues in the complex plane determining arithmetic device (71) is formed. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung (60) zwischen der arithmetischen Einrichtung (71), dem Umsetzer (58) und dem Spitzendetektor (62,63) angeordnet ist.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that a storage device (60) between the arithmetic device (71), the converter (58) and the peak detector (62,63) is arranged. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierschaltung (45) eine Speichereinheit (52) nachgeschaltet ist, von der eine Verbindung (48) zur Multiplizierschaltung rückgeführt ist.6. Arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the multiplier circuit (45) a memory unit (52) is connected downstream from which a connection (48) to the multiplier circuit is returned. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (43) als Sinusgenerator ausgebildet ist, der eine Sinusfunktion als Gewichtsfunktion xfζ) erzeugt.7. Arrangement according to one of claims 3 to 6, characterized in that the function generator (43) is designed as a sine generator that generates a sine function as a weight function xfζ). Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen der Eigenfrequenzen eines Prüflings aus einem Antwortsignal des Prüflings auf eine Erregung, mit einer das Antwortsignal abtastenden Einrichtung und einem dieser Einrichtung nachgeordneten Umsetzer zur Gewinnung einer Frequenzbereichsdarstellung.The invention relates to an arrangement for determining the natural frequencies of a test object a response signal of the device under test to an excitation, with a device that scans the response signal and a converter downstream of this device for obtaining a frequency range display. Auf vielen Gebieten der Technik ist es erwünscht, eine Modellanalyse eines Prüflings durchzuführen, wobei die Eigenfrequenzen des Prüflings und deren Dämpfung, die durch die Lage der Pole in der komplexen s-Ebene gegeben ist, und der Zustand des Systems, der durch die diesen Frequenzen zugeordneten komplexen Residuen gegeben ist, von besonderer Bedeutung sind.In many areas of technology it is desirable to carry out a model analysis of a test object, where the natural frequencies of the test object and their attenuation, which are determined by the position of the poles in the complex s-plane is given, and the state of the system determined by the frequencies assigned to these complex residuals are of particular importance. Die Gewinnung einer theoretischen Übertragungsfunktion und insbesondere der theoretischen Lage der Pole und deren Residuen ist generell nur für die einfachsten Strukturen und Systeme praktikabel. Im Idealfall sollten die Pole und ihre Residuen aus empirisch abgeleiteten Funktionen oder Größen bestimmt werden, welche in geeigneter Form meßbar oder von dem Prüfling ableitbar sind. So sollten beispielsweide d?e Lage der Pole in der s-Ebene und ihre Residuen im Idealfall aus irgendeiner Zeitbereichsfunktion, z. B. der Impuls- oder Übergangsfunktion des Prüflings bestimmbar sein.Obtaining a theoretical transfer function and in particular the theoretical position of the Poles and their residuals is generally only practicable for the simplest structures and systems. in the Ideally, the poles and their residuals should be determined from empirically derived functions or quantities which can be measured in a suitable form or derived from the test object. So should, for example, willow the position of the poles in the s-plane and their residuals ideally from some time domain function, e.g. B. the impulse or transition function of the test object can be determined. Bekannt sind einige Methoden zur Gewinnung der Lage der Pole in der s-Ebene und deren Residuen aus empirischer Information, z. B. der Impulsantwort oder aus einer Frequenzbereichsdarstellung der Impulsantwort, z. B. der Fouriertransformation der Antwort. Die meisten dieser Methoden oder Systeme — wenn auch nicht alle — erfordern eine besondere Beurteilung oder Auswertung und stellen keine Gesamtanordnung zur Bestimmung der erforderlichen s-Ebenen-Information zur Verfügung. Bekannt sind die folgenden einschlägigen Methoden und Techniken:Some methods are known for obtaining the position of the poles in the s-plane and their residuals empirical information, e.g. B. the impulse response or from a frequency domain representation of the impulse response, z. B. the Fourier transform of the answer. Most of these methods or systems - albeit not all - require a special assessment or evaluation and do not provide an overall arrangement Determination of the required s-level information is available. The following are known to be relevant Methods and Techniques: (1) Kennedy-Pancu-Methode, bei der Kurven-Approximationstechniken verwendet werden, Journal of Aeronautical Science, Band 14,603—625 (1947).(1) Kennedy-Pancu method, using curve approximation techniques Journal of Aeronautical Science, Vol. 14, 603-625 (1947). (2) Methode nach James C. Davis, publiziert in einem Artikel mit dem Titel Modal Modeling Techniques for Vehicle Shake Analysis, Automotive Engineering Congress, Detroit, Michigan, 10—14, Januar 1972, Nr. 720 045.(2) James C. Davis method, published in an article entitled Modal Modeling Techniques for Vehicle Shake Analysis, Automotive Engineering Congress, Detroit, Michigan, January 10-14 1972, No. 720 045. (3) Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Polstellen einer Struktur durch Vielfacherregung eines Rüttlersystems von R. Lewis und D. Wrisley in einem Artikel mit der Bezeichnung A System For The Excitation of Pure Natural Modes of Complex Structure, Journal of Aeronautical Sciences, Band 17, Nr. 11, November 1950, Seiten 705-723.(3) Method for the experimental determination of the poles of a structure by multiple excitation of a shaker system by R. Lewis and D. Wrisley in an article entitled A System For The Excitation of Pure Natural Modes of Complex Structure, Journal of Aeronautical Sciences, Volume 17, No. 11, November 1950, pages 705-723. (4) Ein allgemeiner Diskussionsbeitrag ist in einem Artikel von Bishop und Gladwell mit der Bezeichnung An Investigation into the Theory of Resonance Testing veröffentlicht, der in Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Band 255, Januar 1963, Seiten 241 -280 veröffentlicht ist.(4) A general contribution to the discussion is in an article by Bishop and Gladwell entitled An Investigation into the Theory of Resonance Testing, published in Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Volume 255, January 1963, pages 241-280. Aus »Freiberger Forschunghefte«, C 130, Akademie-Verlag-Berlin, 1962. Seiten 14-19 und 91—93 ist es bekannt, die Bewegungscharakteristiken eines Seismometers und eines mit diesem gekoppelten Galvanometers mit Hilfe von Differentialgleichungssystemen zu bestimmen. Dabei sind auch die Eigenfrequenzen der beiden gekoppelten Schwingungssysteme von Bedeutung. Bei der vorliegenden Erfindung geht es jedoch nicht um die Gewinnung der Lage der Pole in der komplexen s-Ebene zur Bestimmung der Eigenfrequen-From "Freiberg Research Books", C 130, Akademie-Verlag-Berlin, 1962. Pages 14-19 and 91-93 it is known the motion characteristics of a seismometer and one with this coupled galvanometer with the help of differential equation systems determine. The natural frequencies of the two coupled vibration systems are also important. In the present invention, however, it is not about obtaining the position of the poles in the complex s-plane to determine the natural frequency
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