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Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch
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zufällige und harmonische Schwingungen Die Erfindung bezieht sich
auf Einrichtungen zur Prüfung von Erzeugnissen auf mechanische Einwirkungen und
betrifft insbesondere Einrichtungen für Schwingungsprüfungen, nämlich zur Prüfung
von Erzeugnissen durch harmonische und zufällige Schwingungen Die Anordnung kann
bei der Prüfung von Erzeugnissen durch Einwirkung zufälliger Schwingungen mit einem
vorgegebenen Spektrum angewendet werden, wobei die Einwirkung durch harmonische
Schwingungen mit einem sehr niedrigen Pegel zur Steuerung der Parameter der zufälligen
Schwingungen ausgenutzt wird.
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Es ist eine Anordnung (s. das Buch von AoA. Kuznetsov, Schwingungsprüfungen
für Bauelemente und Einrichtungen der Automatik", Moskau Verlag "Energia", 1976,
S. 107) zur Prüfung von Erzeugnissen durch breitbandige zufällige Schwingungen bekannt,
die durch Abtasten eines schmalbandigen Zufallsignals in einem vorgegebenen Frequenzbereich
durchgeführt wird, wobei eine Möglichkeit vorgesehen ist, die Erzeugnisse durch
Einwirkung eines ebenfalls im vorgegebenen Frequenzbereich abtastenden harmonischen
Signals zu prüfen. Die Einrichtung besteht aus einem Reihenkreis von einem Weißgeräuschgenerator,
einem Schmalbandfilter, einem Gegentaktmodulator, an dessen anderen Eingang ein
Quarzgenerator angeschlossen ist, einem regelbaren Verstärker, an dessen anderen
Eingang eine Reihenschaltung aus einem Verstärker und einem Detektor für eine automatische
Regelung gekoppelt ist, einer Nischstufe, an deren an-
deren Eingang
ein Generator für einen stufenlosen Bereich angeschlossen ist, und einem an den
Eingang eines Schwingungserzeugers und an den Eingang eines Voltmeters angeschlossenen
Ausgangsverstärker.
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Das Schmalbandfilter kann in einen Generatorbetrieb zur Erzeugung
eines harmonischen Signals zwecks Prüfung von Erzeugnissen auf harmonische Schwingungen
überführt werden.
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Von Nachteil ist bei dieser Anordnung die Unmöglich keit, zum einen
breitbandige zufällige Schwingungen gleichzeitig im gesamten vorgegebenen Frequenzbereich
zu erzeugen, zum anderen Prüfungen auf gemischte harmonische und zufällige Schwingungen
durchzuführen Es ist auch eine Anordnung (s. den Katalog der Firma "Brüel &
Kyaer9, Dänemark) zur Prüfung von Erzeugnissen auf gemischte harmonische und zufällige
Schwingungen bekannt, das einen Nehrkanalformer für ein Zufallsignal, dessen jeder
Kanal einen Reihenkreis von einem Rauschgenerator, einem Sandfilter und einem regelbaren
Verstärker in sich einschließt, wobei der Ausgang jedes Kanals an einen der Eingänge
eines Summators angeschlossen ist, einen an den Mehrkanalformer für ein zufälliges
Signal über einen Reihenkreis von einem zweiten Summator und einem Leistungsverstärker
angeechalteten eigentlichen Schwingungserzeuger mit einem Schwingungsgeber zur Umwandlung
von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Signal enthält. Der Ausgang des
Schwingungsgebers ist Uber einen Anpassungsverstärker an den Eingang eines umstellbaren
Filters mit zwei Ausgängen geführt, deren einer - Sperre ausgang - über einen mehrkanaligen
Spektralanalysator für ein Zufallsigaal an den regelbaren Verstärker jedes Kanals
des Iehrkanalformers und deren anderer
an den Steuereingang eines
Generators für ein harmonisches Signal angeschlossen ist bei dem die Neuabstimmfrequenz
für eine Harmonische der Neuabstimmfrequenz des genannten umstellbaren Filters entspricht,
wobei der Ausgang dieses Generators an den Eingang des zweiten Summators gelegt
ist.
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Diese Anordnung gestattet es 9 die Erzeugnisse zugleich auf harmonische
und zufällige Schwingungen zu prüfen0 Beim automatischen Überstreichen des vorgegebenen
Frequenzbereiches durch ein harmonisches Signal wird aber das umstellbare Filter
synchron umgestellt, dessen Sperrausgang mit dem Eingang des Spektralanalysators
für ein Zufallsignal verbunden ist, weshalb der mehrkanalige Spektralanalysator
für ein Zufallsignal im n-ten Kanal keine wahre Dispersion Dn eines durch den Mehrkanalformer
für ein Zuf allsignal im n-ten Kanal geformten Zufallsignalss sondern eine wegen
einer erforderlichen Sperrung des harmonischen Signals um einen Wert von Dn Frerringerte
Dispersion mißt der einen Fehler bei der Erzeugung eines Spektrums zufälliger Schwingungen
:im n-ten Band des vorgegebenen Frequenzbarldes verursacht. Hierbei wird dieser
Erzeugungsfehler erhöhte Schwingbetriebe veranlassen.
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Ein anderer Nachteil der Anordnung ist ein großer Meßfehler und folglich
auch ein Einstellfehler für den Pegel des harmonischen Signals wegen Überdeckung
des Spektrums des Zufallsignals durch das Spektrum des harmonischen Signals, insbesondere
bei Kommensurabilität und bei der Überschreitung des Pegels des harmonischen Signals
durch den Pegel des Zufallsignals.
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Außerdem wird der Pegel des Zufallsignals in den Eanälen des Nehrkanalformers
für ein Zufallsignal nach
den Meßergebnissen Sur die Spektraldichte
des Zufallsignals gesteuerte was einen statischen Analysenfehler ergibt.
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Hierin steht T für eine durch die Parameter des Spektralanalysators
für ein Zufallsignal definierte Analysenzeit, # f für ein zu analysierendes Frequenzband.
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Eine Verringerung von # erfordert eine Vergrößerung der Analysenzeit,
was eine größere Einstellungszeit für den Nehrkanalformer für ein Zufall signal
notwendig machte Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Prufu.ng
von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen zu schaffen, die es
gestattet, den Dynamikbereich der erzeugten Schwingungen wesentlich zu erweitern,
die Genauigkeit und die Einstellgeschwindigkeit für ein vorgegebenes Spektrum zufälliger
Schwingungen zu erhöhen Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anordnung zur
Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen9 die einen
Mehrkanalformer für ein Zufallsignal, dessen jeder durch eine eigene Ampli tudenfrequenzkennlinie
gekennzeichneter Kanal einen Generator für weißes Rauschen, ein Bandfilter und einen
regelbaren Verstärker umfaßt, wobei der Ausgang jedes Kanals an einen der Eingänge
eines ersten Summators angeschlossen ist, einen an den Mehrkanalformer für ein Zufallsignal
über einen Reihenkreis aus einem
zweiten Summator und einem Leistungsverstärker
angeschlossenen eigentlichen Schwingungserzeuger mit einem Schwingungsgeber zur
Umndlung von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Signal enthält9 während
der Ausgang des Schwingungsgebers über einen Anpassungsverstärker an den Eingang
eines ersten umstellbaren Filters angeschlossen ist, der zwei Ausgänge aufweist,
deren einer - Sperrausgang -über einen Spektralanalysator für ein Signal an den
regelbaren Verstärker jedes Kanals des Mehrkanalformers für ein Zulallsignal und
deren anderer an einen Generator für ein harmonisches Signal gelegt ist9 bei dem
die Neuabstimmfrequenz für eine Harmonische der Umstellfrequenz des genannten umstellbaren
Filters entsprichtS wobei der Ausgang dieses Generators an den anderen Eingang des
zweiten Summators angeschlossen ist9 gemäß der Erfindung mit einem mit dem ersten
umstellbaren Filter synchron umstellbaren und zwischen dem ersten und dem zweiten
Summator liegenden Sperrfilter und mit einem zweiten mit dem ersten umstellbaren
Filter synchron umstelLbaren5 eine der Amplitudenfrequenzkennlinie des Sperrfilters
reziproke Amplitudenfrequenzkennlinie aufweisenden und zwischen dem Anpassungsverstärker
und-dem ersten umstellbaren Filter liegenden Filter versehen ist9 was eine Überdeckung
der Spektren des harmonischen und des Zufallsignals beseitigt.
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Es ist zweckmäßgS den Spektralanalysator für ein Signal in Form eines
Analysators für ein harmonisches Signal mit einem Steuerkreis für ein harmonisches
Signal auszuführen, der einen Reihenkreis aus einem AmplitudendetektorS einer Vergleichseinheit,
an deren anderen Eingang ein Pegeleinsteller für harmonische
SChWingUngen
geführt ist9 und einen steuerbaren Teiler in sich einschließt, der über einen Summensignal-Ausgang
und über einen an den zweiten Summator angeschalteten Ausgang für eine Wechselkomponente
des Ausgangssignals verfügt, wobei der Eingang des Amplitudendetektors an den Ausgang
des ersten umstellbaren Filters angeschlossen ist, während der andere Eingang des
steuerbaren Teilers über einen dritten Summator, an dessen anderen Eingang eine
Bezugssignalquelle angeschlossen ist, mit dem Ausgang des Generators für ein harmonisches
Signal varialber Frequenz verbunden ist, und einen Steuerkreis für ein Zufallsignal
enthält, der einen Reihenkreis aus einer zweiten Vergleichseinheit, deren einer
Eingang an den Summensignal-Ausgang des steuerbaren Teilers und deren anderer Eingang
an den Ausgang für eine Wechselkomponente des Ausgangssignals des steuerbaren Teilers
angeschlossen ist, einem steuerbaren Verstärker, einem Quadrator und einer Recheneinheit
in sich einschließt, an deren anderen Eingang ein Einstellen fiar ein Spektrum zufälliger
Schwingungen angeschlossen ist, während der Ausgang der Recheneinheit an den regelbaren
Verstärker jedes Kanals des Mehrkanalformers für ein Zufallsignal gekoppelt ist,
wobei die genannte Bezugssignalquelle auch an den zweiten Eingang des steuerbaren
Verstarkers angeschlossen 1StD wädrend an den Ausgang des Quadrators auch ein Anzeiger
zur ein Spektrum zufälliger Schwingungen gelegt ist Eine derartige AusSuhrung der
Anordnung gestattet es erfindungsgemäß, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit
der Erzeugung zufälliger Schwingungen durch Steuerung des regelbaren Verstärkers
jedes Kanals des MehrkanalSormers für die Zufallsignale nach den Ergebnissen der
Verarbeitung des harmonischen Signals
zu erhöhens Damit entfällt
die Notwendigkeit einer hohen StabilltäiD der Identität und der Rechteckigkeit der
Amplitudenfrequenzkennlinien der gleichnamigen Kanäle des Mehrkanalformers und analysators
für ein Zufallsignal.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher erläutert. Die Zeichnung zeigt
eine Blockschaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen
durch zufällige und harmonische Schwingungen.
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen
durch zufällige und harmonische Schwingungen enthält einen Mbhrkanalformer 1 für
ein Zufallsignalg dessen jeder Kanal ein schmalbandiges Zufallsignal erzeugt und
aus einem Reihenkreis aus einem Generator 2 fur weißes Rauschen, einem Bandfilter
3 und einem regelbaren Verstärker 4 besteht.
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Der Ausgang jedes regelbaren Verstärkers 4 ist an einen entsprechenden
Eingang eines ersten S1lmmators 5 angeschlossen0 Um die Beschreibung der Anordnung
zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen verständlicher
zu machen, ist in dem Blockschaltbild ein Nehrkanalformer 1 wiedergegeben, der nur
zwei Kanäle I und II aufweist. Der Ausgang des Summators 5 ist über einen Reihenkreis
aus einem Sperrfilter 6, einem zweiten Summator 7 und einem Leistungsverstärker
8 an einen Schwingungserzeuger 9 mit einem Schwingungsgeber 10 angekoppelt.
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Die Anordnung enthält einen in Form eines Analysators für ein harmonisches
Signal ausgeführten Spektralanalysator für ein Signal, der sich aus einem Steuerkreis
für
ein harmonisches Signal und einem Steuerkreis für ein Zufallsignal zusammensetzt.
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Der Ausgang des Schwingungsgebers 10 ist über einen Reihenkreis aus
einem Anpassungsverstärker 11, einem zweiten umstellbaren Filter 12 mit einer der
Amplitudenfrequenzkennlinie des Sperrfilters 6 reziproken Amplitudenfrequenzkennlinie,
einem ersten umstellbaren Filter 13, einem Amplitudendetektor 14 und einer ersten
Vergleichseinheit 15 an den Steuerein gang eines steuerbaren Teilers 16 geführt,
an dessen anderen Eingang über einen dritten Summator 17 ein Generator 18 für ein
harmonisches Signal variabler Frequenz angeschlossen ist9 die mit der Abstimmfrequenz
des umstellbaren Filters 13 synchron umgestellt wird.
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An den anderen Eingang der ersten Vergleichseinheit 15 ist ein Pegeleinsteller
19 für harmonische Schwingungen geschaltet Der Steuerkreis für ein harmonisches
Signal enthält einen Amplitudendetektor 14, eine erste Vergleichseinheit 15, einen
Pegeleinsteller 19 für harmonische Schwingungen und den steuerbaren Teiler 16. Der
Ausgang für eine Wechselkomponente des Ausgangssignals des steuerbaren Teilers 16
ist an den zweiten Eingang des zweiten Summators 7 und an den ersten Eingang einer
zweiten Vergleichseinheit 20 angeschlossen, an deren anderen Eingang der Ausgang
für ein Summensignal des steuerbaren Teilers 16 geschaltet isto Der Ausgang der
zweiten Vergleichseinheit 20 ist über einen Reihenkreis aus einem ste-lerbaren Verstärker
21 einem Quadrator 22 und einer Recheneinheit 23 an den regelbaren Verstärker 4
jedes Kanals des Mehrkanalformers 1 angeschlossen. Hierbei ist an den zweiten Eingang
der Recheneinheit 23 ein Einsteller 24 für ein Spektrum zufälliger Schwingungen
angeschlossen.
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Die Bezugssignalquelle 25 ist an den zweiten Eingang des dritten Summators
17 und an den zweiten Eingang des steuerbaren Verstärkers 21 geschaltet. An den
Ausgang des Quadrators 22 ist ein Anzeiger 26 für ein Spektrum zufälliger Schwingungen
angeschlossen0 Der Steuerkreis für ein Zufallsignal umfaßt die zweite Vergleichseinheit
209 den steuerbaren Verstärker 21, den Quadrator 22, die Recheneinheit 23, den Einstellen
24 für ein Spektrum zufälliger Schwingungen und den Anzeiger 26.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch
zufällige und harmonische Schwingungen arbeitet wie folgt: Ein breitbandiges Zufallsignal
mit einem in einem vorgegebenen Frequenzbereich gleichmäßigen Spektrum gelangt vom
Ausgang jedes Rauschgenerators 2 auf den Eingang des Bandfilters 3, von dessen Ausgang
ein schmalbandiges Zufallsignal über den regelbaren Verstarker 4 auf den Eingang
des ersten Summators 5 geliefert wird. Vom Ausgang des Suinmators 5, d.h. vom Ausgang
des Nehrkanalformers für ein ZufallsignalS trifft ein breitbandiges Zufallsignal,
das ein Spektrum zufälliger Schwingungen bestimmt, denen ein Prüfling (in Fig. 1
nicht gezeigt) ausgesetzt wirdn am Eingang des umstellbaren Sperrfilters 6 ein.
Ein Signal vom Ausgang des umstellbaren Sperrfilters 6, dessen Spektrum in Fig.
3b dargestellt ist, gelangt auf den Eingang des zweiten Summators 7, an dessen anderem
Eingang ein Signal vom Ausgang des Generators 18 für ein harmonisches Signal über
den dritten Summator 17 und den regelbaren Teiler 16 ankon7mto Vom Ausgang des zweiten
Sl z ators 7 gelangt ein Summensignal aus dem breitbandigen Zufallsignal und dem
harmonischen Signal über den Leistungsverstärker 8
auf den Eingang
des Schwingungsgebers 10. Das Signal kommt vom Schwingungserzeuger 10 über den Anpassungsverstärker
11 am Eingang des zweiten umstellbaren Schmalbandfilters 12 mit einer der Amplitudenfrequenzkennlinie
des umstellbaren Sperrfilters 6 inversen Amplitudenfrequenzkennlinie an. Vom Ausgang
des zweiten umstellbaren Filters 12 trifft ein Signal, dessen Spektrum ein breitbandiges
Zufallsignal und eine um ein Vielfaches verstärkte Harmonische darstellt, am Eingang
des ersten umstellbaren Filters 13 ein, das vom Eingangssignal eine harmonische
Komponente abtrennt, die dann dem Eingang des Amplitudendetektors 14 zugeführt wird.
Hierbei werden das Sperrfilter 6, die umstellbaren Filter 12 und 13 synchron zum
Generator 18 für ein harmonisches Signal variabler Frequenz umgestellt. Das demodulierte
Signal gelangt auf den ersten Eingang der ersten Vergleichseinheit 15, an deren
zweiten Eingang eine Spannung vom Ausgang des Pegeleinstellers 19 für harmonische
Schwingungen eingespeist wird. Vom Ausgang der ersten Vergleichseinheit 15 trifft
ein Abweichungssignal am Steuereingang des steuerbaren Teilers 16 ein, an dessen
Haupteingang (Signaleingang) ein Summensignal vom Ausgang des dritten Summators
17 ankommt auf dessen ersten Eingang ein harmonisches Signal vom Ausgang des Generators
18 für ein harmonisches Signal auftriSSt9 während dessen zweitem Eingang eine Eich-Gleichspannung
U0 vom Ausgang der Bezugs signalquelle 25 zugeführt wird0 Vom ersten Ausgang des
steuerbaren Tellers 16 gelangt ein Summensignal aus der harmonischen und der Gleichspannung,
deren Amplituden durch das TeilerverhEltnis des steuerbaren Teilers 16 in Abahängigkeit
vom Abweichungssignal am Ausgang der ersten Vergleichseinheit 15 bestimmt werden,
auf den ersten Eingang der zweiten Vergleichseinheit 20. Vom zweiten
Ausgang
des steuerbaren Teilers 16 gelangt ein eine harmonische Komponente des Ausgangssignals
darstellendes Signal an die zweiten Eingänge des zweiten Summators 7 und der zweiten
Vergleichseinheit 20, wobei der steuerbare Teiler 16 derart geregelt wirdp daß der
Pegel der harmonischen Schwingungen des Schwingungserzeugers 9 dem Sollpegel gleich
istO Das eine Gleichkomponente des Summensignals am ersten Ausgang des steuerbaren
Teilers 16 darstellende Signal vom Ausgang der zweiten Vergleichseinheit 20 ändert
sich ebenso wie die Wechselkomponente am zweiten Ausgang des steuerbaren Teilers
16. Der Wert dieses Signals ändert sich nach dem Gesetz das durch den Ausdruck gegeben
ist:
Hierin sind a (49) - eine Amplitudenfrequenzkennlinie des Schwingungserzeugers (9)
ß - ein vom Unterdruckungsverhältnis für ein Zufallsignal am Ausgang des ehrkanalformers
bei Vorhandensein des umstellbaren Sperrfilters 6 abhängiger konstanter Koeffizient.
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Vom Ausgang der zweiten Vergleichseinheit 20 gelangt das Signal auf
den ersten Eingang des steuerbaren Verstärkers 21, an dessen zweitem Eingang ein
Signal vom Ausgang der Bezugssignalquelle 25 eingespeist wird.
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Der Verstärkungsfaktor des steuerbaren Verstärkers 21 ändert sich
umgekehrt proportional zum Teilerverhältnis des steuerbaren Teilers 16. Am Ausgang
des steuerbaren Verstärkers 21 ändert sich das Signal nach dem Gesetz
Das Signal am Ausgang des steuerbaren Verstärkers 21 definiert
also eindeutig die Amplitudenfrequenzkennlinie des Schwingungserzeugers 9 beim Abtasten
eines harmonischen Signals am Ausgang des Generators 18.
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Das Signal vom Ausgang des steuerbaren Verstärkers 21 gelangt über
den Quadrator 22 auf den Eingang der Recheneinheit 23, an deren anderem Eingang
vom Einsteller 24 für ein Spektrum zufälliger Schwingungen Vorgabewerte qi der Spektraldichte
von teschleunigungen zufälliger Schwingungen auf den Sollfrequenzen des vorgegebenen
Frequenzbereiches zugefuhrt werden. In die Recheneinheit 23 wird vorher eine Information
über die Amplitudenfrequenzkennlinie
jedes Kanals des ehrkanalformers 1 für ein Zufallsignal in Form von Werten der Amplitudenfrequenzkennlinie
bei den genannten Frequenzen eingetragen. Dann löst die Recheneinheit 23 ein Gleichungssystem
der Art
auf.
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Hierin sind kn - der Verstärkungsfaktor eines regelbaren Verstärkers
4 eines n-ten Kanals des Nehrkanalformers 1, N0 - die Spektraldichte eines Zufallsignals
am Ausgang jedes genannten Weißgeräuschgenerators.
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Die Signale vom Ausgang der RecheneSnheit 23 legen die Verstärkungsfaktoren
der regelbaren Verstärker 4 gemäß den Rechenwerten kn fest, die die Pegel der schmalbandigen
Zufallsignale in den Kanälen des Nehrkanalformers 1 bestimmen deren Summe ein breitbandiges
Zufallsignal bildet mit dessen Hilfe zufällige Schwingungen mit den
Vorgabewerten
9i der Spektraldichte der Beschleunigungen der zufälligen Schwingungen auf den Sollfrequenzen
Si des vorgegebenen Frequenzbereiches erzeugt werden.
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Die Bestimmung der Verstärkungsfaktoren kn der regelbaren Verstärker
4 der Kanäle des Mehrkanalformers 1 für ein Zufallsignal durch Verarbeitung eines
harmonischen Signals, das zugleich zur Prüfung eines Erzeugnisses durch harmonische
Schwingungen ausgenutzt wird, gestattet es, die Genauigkeit und die Leistungsfähigkeit
der durchgeführten Prüfungen zu erhöhen.
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Die Bestimmung der Verstärkungsfaktoren der regelbaren Verstärker
4 jedes Kanals des Nehrkanalformers 1 für ein Zufallsignal, die ein Spektrum von
auf einen Prüfling einwirkenden zufälligen Schwingungen festlegen, gestattet es,
durch Auflösung des Gleichungssystems der Art (1) unter Berücksichtigung der gegenseitigen
Beeinflussung der Bandfilter 3 der genannten Kanäle Sandfilter niedrigerer Ordnung,
d.h. mit einem geringen Rechteckigkeitsfaktor ihrer Amplitudenfrequenz kennlinien
einzusetzen.