DE3332979A1

DE3332979A1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung eines spektrums zufaelliger vibrationen

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Publication number: DE3332979A1
Application number: DE19833332979
Authority: DE
Inventors: Jan Semenovi&ccaron; Kazan Ureckij
Original assignee: KZ AVIATSION INST TUPOLEVA
Current assignee: KZ AVIATSION INST TUPOLEVA
Priority date: 1983-08-22
Filing date: 1983-09-13
Publication date: 1985-04-04
Also published as: US4513622A; DE3332979C2

Description

«. 5 —

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Festigkeitsprüfung von Erzeugnissen und betrifft insbesondere Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen und kann am wirksamsten bei der Laborprüfung von komplizierten Erzeugnissen mit begrenzten Abmessungen und von nichtstarrer Konstruktion, die auf beweglichen Objekten aufgestellt und während des Betriebes zufälligen Vibrationen ausgesetzt werden, zum Beispiel in der Flugzeug- und Raketentechnik, sowie im Maschinen- und Automobilbau usw., benutzt werden.

Es ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen bekannt (SU-PS 862018), das darin besteht, daß man mit Hilfe von Schmalbandfiltern aufeinanderfolgend eine Vibration des Erzeugnisses mittels nichtkorrelierter zufälliger Schmalbandsignale in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches erzeugt. Die Frequenzbänder teilt man in zwei Gruppen derart ein, daß in jeder Gruppe die zufälligen Schmalbandsignale sich nicht überdecken. Den Frequenzbändern einer Gruppe weist man geradzahlige Nummern, den Frequenzbändern der anderen Gruppe ungeradzahlige Nummern zu. Dann gibt man ein Spektrum zufälliger Vibrationen für ein konkretes Prüflingserzeugnis in Form von spektralen Dichten der Vibrationsbeschleunigungen in den erwähnten Frequenzbändern vor. Nun bildet man ein System "Vibrator-Erzeugnis", indem man das zu prüfende Erzeugnis auf dem Vibratortisch befestigt. Zuerst gibt man auf das erwähnte System zufällige Signale der ersten Gruppe und

regelt das Niveau dieser Signale entsprechend den vorgegebenen spektralen Dichten der Vibrationsbeschleunigung, dann errechnet man die Korrektionskoeffizienten C entsprechend dem Ausdruck:

•a/?

Hierin bedeuten:
α die vorgegebene spektrale Dichte der

f YI

Vibrationsbeschleunigung in dem η-ten Frequenzband der ersten Gruppe;

ft, Cgj) die Amplitudenfrequenzkennlinie des n-ten Schmalbandfilters in dem η-ten Frequenzband;

) die Amplitudenfrequenzkennlinie des Systems "Vibrator-Erzeugnis" bei der mittleren Frequenz des η-ten Frequenzbandes; 20

J^ p^ den vorgegebenen Frequenzbereich.

Dann korrigiert man die Pegel der zufälligen Signale, indem man deren eingeregelte Werte mit den errechneten Werten von C multipliziert. Die korrigierten zufälligen Signale speichert man in einem Speicher. Nun führt man die angegebenen Operationen mit 'len zufälligen Signalen der zweiten Gruppe von Frequenzbändern aus, li«st.aus dem Speicher die zufälligen Signale sämtlicher Bänder des vorgegebenen Frequenzbereiches aus und gibt diese auf das System "Vibrator-Srzeugnis".

Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens (s. denselben Urheberschein), die einen Rauschgenerator zur Erzeugung eines weißen Rau-

schens enthält, dessen Ausgang mit dem Eingang eines umstimmbaren Schmalbandfilters verbunden ist, welches aus dem Signal des Rauschgenerators hintereinander zufällige Schmalbandsignale erzeugt, die auf eine Pegelregelungseinheit, deren Eingang mit dem Ausgang eines umstimmbaren Schmalbandfilters in Verbindung steht, gegeben werden. Der Ausgang der Regelungseinheit ist über den ersten Kontakt eines Umschalters an den Eingang des Vibrators und gleichzeitig an den Eingang des Speichers gelegt. Der Ausgang des Speichers ist über den zweiten Kontakt des Umschalters an den Eingang des Vibrators gelegt. Die eingeregelten zufälligen Signale, und zwar zuerst der ersten und dann der zweiten Gruppe, werden in den Speicher eingespeichert. Sodann werden die Signale sämtlicher Bänder des vorgegebenen Frequenzbereiches ausgelesen und mit Hilfe des Umschalters auf den Vibrationsprüfstand gegeben.

Das bekannte Verfahren und die bekannte Einrichtung gestatten es^ vorgegebene spektrale Dichten der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches unter Berücksichtigung der Amplitudenfrequenzkennlinie des Systems "Vibrator-Erzeugnis", aber nur in einem Punkt des Erzeugnisses und nicht in allen Kontrollpunkten,, die durch eigene Werte der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches gekennzeichnet sind, bei Benutzung eines einzigen Vibrators zu erzeugen.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen (s. das Buch "Apparatur zur Reproduzierung und Registrierung zufälliger Signale und Schläge", J.V. Weselow, W.W. Suraarokow, W.F. TscherepoWj, Leningrad, Verlag des Leningrader Hauses

für wissenschaftlich-technische Propaganda, 1979, S. 15-18), welches darin besteht, daß man an dem zu prüfenden Erzeugnis Kontrollpunkte, die durch eigene Werte der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches gekennzeichnet sind, wählt. Das zu prüfende Erzeugnis unterwirft man der Einwirkung von Vibrationen im vorgegebenen Frequenzbereich unter Zuhilfenahme eines Mehrkanalformers zufälliger Signale, wobei jeder Kanal desselben ein zufälliges Schmalbandsignal mit geregeltem Ausgangspegel erzeugt. In den Kontrollpunkten mißt man die spektrale Dichte der Vibrationsbeschleunigung in den erwähnten Bändern, dann errechnet man die mittleren Werte der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung für sämtliche Kontrollpunkte getrennt in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbandes, vergleicht die erhaltenen mittleren Werte mit den für das konkrete Erzeugnis vorgegebenen Werten der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung und korrigiert anhand der Verstimmungssignale die Pegel der zufälligen Schmalbandsignale in jedem Kanal des Mehrkanalformers, an dessen Ausgang das Spektrum des zufälligen Signals, das der Summe der zufälligen Schmalbandsignale gleich ist, das Spektrum der zufälligen Vibrationen des zu prüfenden Erzeugnisses kennzeichnet.

Dieses Verfahren wird mit Hilfe einer Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen (a.a.O.) durchgeführt, die einen Mehrkanalformer enthält, der mehrere Kanäle hat, von welchen jeder eine Reihenschaltung eines Rauschgenerators, eines Bandfilters und eines regelbaren Verstärkers umfaßt, wobei die Ausgänge sämtlicher regelbaren Verstärker mit den Eingängen eines Summierers, der auch zum Mehrkanalformer gehört, verbunden sind. Der Ausgang des Summierers ist mit einem

_ 9 —

an den Eingang eines Vibrators mit dem auf diesem angeordneten zu prüfenden Erzeugnis angeschlossenen Leistungsverstärker verbunden. Die Einrichtung enthält auch Vibrationsgeber, die Wandler mechanischer Schwingungen in ein elektrisches Signal darstellen und in den Kontrollpunkten des zu prüfenden Erzeugnisses befestigt sind. Die Ausgänge der Vibrationsgeber sind über eine Schalteinheit mit dem Eingang eines Mehrkanal-Zufallssignalspektrumsanalysators verbunden, wobei jeder Kanal desselben dem gleichnamigen Kanal des Mehrkanalformers entspricht, und ein Bandfilter, einen Zufallssignalpegelmesser und eine Vergleichseinheit enthält. Die Ausgänge des Analysators sind an die Steuereingänge der regelbaren Verstärker der gleichnamigen Kanäle des Mehrkanalformers angeschlossen.

Die breitbandigen Zufallssignale von den Ausgängen der Rauschgeneratoren, die einen gleichmäßigen Pegel der spektralen Dichte im vorgegebenen Frequenzbereich haben, gelangen an die Schmalbandfilter, die aus dem Spektrum des breitbandigen Zufallssignals nur diejenigen Spektralkomponenten ausfiltern, die auf den Durchlaßbereich derselben^ der durch die Sollparameter des zu erzeugenden Spektrums bestimmt wird, fallen. Die Signale von den Ausgängen der Schmalbandfilter werden in den regelbaren Verstärkern verstärkt und summiert. Das Ausgangssignal des Mehrkanalformers gelangt über den Leistungsverstärker an den Vibratoreingang. Die Zufallssignale, die die Vibration der Kontrollpunkte des zu prüfenden Erzeugnisses kennzeichnen, werden abwechselnd mittels der Schalteinheit auf die Eingänge der Bandfilter des Spektrumanalysators gegeben. Die Signale vom Ausgang des Zufallssignalpegelmessers jedes Analysatorkanals, die das Niveau der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung kennzeichnen, werden über die gewählten

Kontrollpunkte gemittelt. Somit kennzeichnet der Signalpegel am Ausgang jedes Analysatorkanals das mittlere Niveau der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung mehrerer Kontrollpunkte im Frequenzband des betreffenden Kanals. Das Signal vom Ausgang des Zufallssignalpegelmessers jedes Analysatorkanals, das den mittleren Wert der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung im Frequenzband des betreffenden Kanals kennzeichnet, gelangt dann an den ersten Eingang der Vergleichseinheit, deren Eingang man eine Gleichspannung zuführt, deren Niveau das vorgegebene Niveau der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in dem angegebenen Frequenzband bestimmt. Das Verstimmungssignal vom Ausgang der Vergleichseinheit steuert den Verstärkungsfaktor des regelbaren Verstärkers des gleichnamigen Kanals des Mehrkanalforners. Die Messung der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in den Kontrollpunkten erfolgt bei Erzeugung einer Vibration des Erzeugnisses mittels eines Zufallssignals, was die Kompliziertheit der Analyse, besonders bei einem weiten vorgegebenen Frequenzbereich, bedingt. Die Analyse des Zufallssignals wird durch Fehler

r ^z _ 2.5Γ Δ Wi

(230**5%

G (ω)

gekennzeichnet (s. das Buch I.S. Bendat, A.G. Pursol "Measurement and analysis of random data.", John ¥eley and Sons Inc. New York-London-Sidney).

Die Bestimmung der Zufallssignalpegel in den Kanälen des Mehrkanalformers nach den Werten der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in den Kontrollpunkten des zu prüfenden Erzeugnisses, die man durch Mittelung der

Werte der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in den Kontrollpunkten des zu prüfenden Erzeugnisses erhält,, gestattet es nicht, zufällige Vibrationen für das zu prüfende Erzeugnis mit bestimmten Werten der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Kontrollpunkt des zu prüfenden Erzeugnisses zu erzeugen,? d.h. gestattet es nicht, das Erzeugnis auf Einwirkung von zufälligen Vibrationen, die den realen Vibrationen, welchen das Erzeugnis während des Betriebes ausgesetzt wird, zu prüfen.

Die Nachteile der bekannten Einrichtung bestehen in folgendem«, Erstens ist ein Mehrkanalanalysator für die Zufallssignale erforderlich, was den Aufbau der Einrichtung kompliziert macht und einen wesentlichen Fehleranteil in der Einrichtung infolge des zufälligen Charakters des von ihr zu messenden Signals ergibt. Zweitens werden für den normalen Betrieb der Einrichtung harte Forderungen an Rechteckigkeit, Stabilität und Identität der Amplitudenfrequenzkennlinien der gleichnamigen Kanäle des Mehrkanalformers und des Mehrkanal-Zufallssignalanalysators gestellt, da anderenfalls ein Regelungsfehler entsteht«, besonders im Falle einer Komensurabilität der Abstimmfrequenz des Filters mit seinem Durchlaßbereich ₀ der dadurch charakterisiert wird, daß der n-te Kanal des Analysators in diesem Falle den Zufallssignalpegel des (n-l)-ten oder des(n+l)~ten Frequenzbandes messen und das Signal des η-ten Frequenzbandes steuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen zu schaffen, die es gestatten, Vibrationen mit vorgegebenen eigenen Werten der spektralen Dichte der Schwingungsbeschleunigung in jedem Kontroll-

punkt des zu prüfenden Erzeugnisses in jedem Band des vorgegebenen Frequenzspektrums bei Benutzung eines einzigen Mehrkanalformers und eines einzigen Vibrators zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren bzw. die im Patentanspruch 2 angegebene Einrichtung gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen gestatten es, ein vorgegebenes Spektrum zufälliger Vibrationen in mehreren Kontrollpunkten des zu prüfenden Erzeugnisses unter Benutzung eines einzigen Vibrators zu gewinnen.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnung zeigt:

das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen.

Das Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen besteht in folgendem:
An dem zu prüfenden Erzeugnis 1 (Fig. 1) wählt man Kontrollpunkte, zum Beispiel zwei Punkte a, b , die man durch Analyse der Vibration des Erzeugnisses 1 während des Betriebes bestimmt und die unterschiedliche Werte

λ». der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung im Frequenzbereich haben, den man ebenfalls durch Analyse während des Betriebes bestimmt. Sollte jedoch ein neu entwickeltes Erzeugnis geprüft werden, so können die

Kontrollpunkte a₉ b ausgehend von den konkreten Bedingungen, die von den Entwicklern vorgegeben sind, gewählt werden» So können z.B. als Kontrollpunkte a und "b die Befestigungspunkte und vibrationsempfindlichsten Stellen des Erzeugnisses 1 gewählt werden.

Die Yorgabe in jedem Kontrollpunkt a, b eines eigenen Wertes O, ^ der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Fr equenzbereiches gestattet esj, die Prüfungen der Erzeugnisse unter Laborbedingungen genauer an die realen Betriebsbedingungen anzunähern.

Das zu prüfende Erzeugnis 1 befestigt man auf einem, ZoB. elektrodynamischen oder elektrohydraulischen, Vibrator 2. In den Kontrollpunkten a und b des zu prüfenden Erzeugnisses 1 befestigt man Vibrationsgeber 3 (¥andler mechanischer Schwingungen in elektrische Signale). Die Zahl der Vibrationsgeber 3 entspricht der Zahl der Kontrollpunkte. Die Vibration des Erzeugnisses 1 erzeugt man mit Hilfe eines Mehrkanalformers 4 =. Jeder Kanal des Mehrkanalformers 4 hat eine eigene Amplitudenfrequenzkennlinie φ»% (&} und einen regelbaren Pegel K_n des zufälligen Ausgangssignals, wobei η die Nummer des Kanals ist. Die Schmalbandzufallssignale sämtlicher Kanäle bilden ein Signal, mit dessen Hilfe man eine Vibration des Erzeugnisses 1 mit dem erforderlichen Spektrum erzeugt.

Um den erforderlichen Pegel K des zufälligen Ausgangssignals in jedem Kanal des Mehrkanalformers 4 zu bestimmen_s erzeugt man vorerst eine Vibration des Erzeugnisses 1 mittels harmonischer Schwingungen mit stufenlos veränderlicher Frequenz im vorgegebenen Frequenzbereich» Dann mißt man abwechselnd in jedem Kontroll-

punkt die Amplitudenfrequenzkennlinie ιγ£ (**>) des Systems "Vibrator-Erzeugnis". Die ¥ahl der Amplitudenfrequenzkennlinie als Meßparamter der Vibration gestattet es, die harmonische Analyse zu benutzen, die einfacher und genauer als die Analyse des Zufallssignals durchgeführt wird.
Dann löst man ein lineares System von Gleichungen:

q ^ y- ο κ^α (D

worin Qg. der vorgegebene Wert der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung des 1-ten Kontrollpunktes in dem i~ten Band des vorgegebenen Frequenzbereiches ist und die Koeffizienten des linearen Gleichungssystems Ο-πλ _# nach der Formel

h ^L _l

errechnet werden.

Die Errechnung des Pegels K_n des zufälligen Ausgangssignals in jedem Kanal des Mehrkanalformers 4 gestattet es, eigene Werte Q^ der spektralen Dichte der Vibra tionsbeschleunigung jedes Kontrollpunktes des zu prüfen den Erzeugnisses in allen Bändern des vorgegebenen Frequenzbereiches zu erzeugen.

Die erwähnten Gleichungen resultieren aus den bekannten Beziehungen (s. die angegebene Literatursteile von Bendat et al.)

v\ A CO* ' ^L Δ W₁.

Hierin bedeuten?

Spektrum des Signals am Eingang des Systems "Vibrator-Erzeugnis", das von dem Mehrkanalformer erzeugt wird;

G (Oj) &^as Spektrum am Ausgang des Systems "Vibrator-Erzeugnis", z.B. in dem

1-ten Kontrollpunkt;

den Wert der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung, z.B. in dem 1-ten Kontrollpunkt und in dem i-ten Frequenzband.

Für den Mehrkanalformer 4 hat das Spektrum des zufälligen Ausgangssignals, das als Eingangssignal für das System Vibrator-Erzeugnis dient, die Form:

Go C")= Wo

Hierin bedeuten?

N den Zixfallssignalpegel der Geräuschquelle 5>

der im vorgegebenen Frequenzbereich konstant ist und dessen Wert man gleich Eins annehmen kann?

den Verstärkungsfaktor des η-ten Kanals des Formers 4, der bei N₀= 1 und γ_η (p)) den Pegel seines zufälligen Ausgangssignals bestimmt»

Dann ist

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen erhöht die Prüfgenauigkeit von Erzeugnissen auf Einwirkung zufälliger Vibrationen bedeutend, indem es die Prüfbedingungen an die Betriebsbedingungen annähert.

Nachstehend wird das Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen durch ein Berechnungsbeispiel der Werte des Ausgangssignalpegels in jedem Kanal des Mehrkanalformers 4 eines Zufallssignals veranschaulicht.

Es sei die Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen zur Prüfung einer Schaufel für einen Gasturbinenmotor erforderlich. In zwei Kontrollpunkten a und b der zu prüfenden Schaufel sind relative "Werte der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in einem Bereich von relativen Frequenzen von z.B. 0,2 bis 2 vorgegeben, welcher in drei Bänder: 0,2-0,8; 0,8-1,4; 1,4-2 aufgeteilt ist, wobei q_n =0,18; q-, =0,41; q- =0,53;

1 2 3

P-O q₉ =0,46; q₉ =0,5; q? =0,34 ist.
Z₁ ^₂ ^₃

In dem vorgegebenen Bereich d.er relativen Frequenzen erzeugt man eine zufällige Vibration der Schaufel mit Hilfe dec Mehrkanalformers 4, der beispielsweise 6 Kanäle hat.

Jeder Kanal hat eine eigene Amplitudenfrequenzkennlinie

ω v^ 0,3; 0,ς_; o,9> //2. /,*; 1,2 \d, und einen regelbaren Ausgangssignalpegel

Es sollen nun die \Ierte IC errechnet v;erden, die die Einhaltung der vorgegebenen Parameter des zu erzeugenden Vibrationsspektrums gewährleisten.

Dazu erzeugt man zuerst eine Vibration des Erzeugnisses 1 mittels eines harmonischen Signals mit stufenlos veränderlicher Frequenz im Bereich relativer Frequenzen von O₉2 bis 2 und mißt die Amplitudenfrequenzkennlinien

Y^ £Cü) in beiden Kontrollpunkten a und b der

Schaufel.

Nehmen wir an, daß die Messung folgende ¥erte ergeben

Nun errechnen wir die Koeffizienten

°>^zoz

0.

Auf ähnliche Art^: errechnen wir nach'der Formel (2) die übrigen Koeffizienten Λ«, _Λ

Dann lösen wir das Gleichungssystem:

0,145K^+0,202k|+0,O96Kj+O,03k|+0,014κ|+0,008Kg= 0,18

0,034K^+0, 09k| +0,277κ|-ί-0,354K²+0,162κ|+0,05Kg= 0,41 ^ || ²||= 0,53

0,484ICf₊0,526κ|+0,225K|l· 0,073κ|₊ο,035κ2 +0,02Iig = 0,46 0,046ICf₊0,126κ|+0,385κ|₊0,413κ|₊0 ₆ 17βκ|+0,05Kg= 0,5 0,012^+0,01^1+0,034^+0,094^ + 0,286^+0,3^*0,34

Die Lösung dieses Gleichungssystems ergibt folgende Werte des Ausgangssignalpegels in jedem Kanal des Mehrkanalformers 4:

^ = 0,005;

k| = 0,65;

K^ = O, 21;

k| = 0,6;

κ| = 0,33;

K§ " 0,57.

Am Ausgang des Hehrkanalformers 4 hat das Zufallssignal ein Spektrum Gr₀COi)*¹ ^KJ-^(Co) , welches die Einhaltung der vorgegebenen Werte ^g* der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Kontrollpunkt a, b in jedem der drei Bänder des vorgegebenen Frequenzbereiches gewährleistet.

Die Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen genäß Fig. 1 enthält in jedem Kanal des Mehrkanalformers 4 eine Reihenschaltung aus einem Rausch-

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generator zur Erzeugung eines weißen Rauschens, einen Bandfilter 6 und einen Verstärker 7. Zum einfacheren Verständnis der Beschreibung der Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen ist in dem Blockschaltbild der Fig. 1 ein Mehrkanalformer 4 gezeigt, der nur zwei Kanäle I und II hat. Die Ausgänge sämtlicher regelbarer Verstärker 7 sind an die Eingänge eines Summierers 8 gelegt, dessen Ausgang an einen der Eingänge eines Schalters 9 angeschlossen ist, dessen anderer Eingang mit einem Generator 10 zur Erzeugung harmonischer Schwingungen von veränderlicher Frequenz in Verbindung

steht«, Der Ausgang des Schalters 9 ist an einen Leistungsverstärker 11 angeschlossen, der mit dem Eingang des Vibrators 2 mit einem auf diesem befestigten zu prüfenden Erzeugnis 1 in Verbindung steht_s in dessen Kontrollpunkten a, b Vibrationsgeber 3 befestigt sind. Die Ausgänge sämtlicher Vibrationsgeber 3 sind über eine Schalteinheit an einen Amplitudendemodulator 13 gelegt, dessen Ausgang an einen der Eingänge eines Speichers 14 angeschlossen ist. An den gleichen Eingang ist der Ausgang des Schwingungsgenerators 10 angeschlossen. Der Ausgang des Speichers 14 ist an einen der Eingänge einer Recheneinheit 15 gelegt, an deren anderen Eingang eine Einheit 16 zur Vorgabe der Parameter des zu erzeugenden Spektrums zufälliger Vibrationen angeschlossen ist. An den dritten Steuereingang der Recheneinheit 15 ist der erste Ausgang einer Steuereinheit angeschlossen, der gleiche Ausgang der Steuereinheit ist mit den Steuereingängen des Schwingungsgenerators 10, des Speichers 14 und der Schalteinheit 12 verbunden. Der zweite Ausgang der Steuereinheit 17 ist mit dem Steuereingang des Schalters 9 verbunden. Einer der Ausgänge der Recheneinheit 15 ist an die Eingänge der regelbaren Verstärker 7 sämtlicher Kanäle und der andere Ausgang derselben an den dritten Eingang des Speichers 14 gelegt.

Die Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen funktioniert wie folgt:

Ein Steuersignal von der Steuereinheit 17 bringt die Einrichtung in den Betriebszustand ^!lEinstellung", wozu über den Schalter 9 an den Eingang des Leistungsverstärkers 11 der Ausgang des Schwingungsgenerators gelegt wird. Gleichzeitig löst ein Steuersignal vom

Ausgang der Steuereinheit den Schwingungsgenerator 10 aus, dessen Ausgangssignal über den Leistungsverstärker 11 an den Eingang des Vibrators 2 gelangt und das zu prüfende Erzeugnis 1 in harmonische Vibration versetzt, sowie an den Steuereingang der Schalteinheit 12, die den Vibrationsgeber 3 abwechselnd an den Eingang des Amplitudendemodulators 13 legt. Die Ausgangssignale des Amplitudendemodulators 13 sind die gemessenen Werte der Amplitudenfrequenzkennlinien ψ^ 6^>) des Systems "Vibrator-Erzeugnis" in den Kontrollpunkten a, b des Erzeugnisses 1 und werden zusammen mit den Vierten der jeweiligen oder laufenden Frequenz des Schwingungsgenerators 10 in den Speicher 14 eingebracht. In dem Speicher sind auch die Amplitudenf requenzkennlinien ψ* fa) der Bandfilter 6 des Mehrkanalformers 4 gespeichert.

Vor Beginn der Messungen im Einstellbetrieb wird ein Signal von dein ersten Ausgang der Steuereinheit 17 auf die Steuereingänge des Speichers 14 und der Recheneinheit 15 gegeben, um diese in den Ausgangszustand zu bringen. Nach Beendigung der Messung der Amplitudenfrequenzkennlinien ψζ.^") in jedem Kontrollpunkt a,b wird ein Signal vom Ausgang des Speichers 14 auf den Eingang der Recheneinheit 15 gegeben. In der Recheneinheit 15 werden abwechselnd die Koeffizienten Qqgr nach der Formel (2) errechnet, die in den Speicher 14 eingebracht werden. Nach Beendigung der Errechnung der Koeffizienten ^h-* gelangen alle Werte ^h** an den Eingang der Recheneinheit 15. Gleichzeitig gelangt an den anderen Eingang der Recheneinheit 15 ein Signal vom Ausgang der Einheit 16 zur Vorgabe der Parameter des zu erzeugenden Spektrums zufälliger Vibrationen in Form von α -Werten.

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Dann löst die Recheneinheit 15 das lineare Gleichungssystem der Formel (1) und liefert die Werte der Verstärkungsfaktoren KL der regelbaren Verstärker 7· Nach Beendigung der Rechnungen schaltet die Steuereinheit 17 den Schwingungsgenerator 10 von dem Eingang des Leistungsverstärkers 11 ab und legt an diesen den Ausgang des Mehrkanalformers 4, wodurch die Einrichtung in den Betriebszustand "Prüfung" gebracht wird.

Im Prüfzustand gelangen die breitbandigen Zufallssignale mit einer in dem vorgegebenen Frequenzbereich gleichmäßigen ■spektralen Leistungsdichte von den Ausgängen des Rauschgenerators 5 an die Eingänge der Bandfilter 6, die zu ihrem Ausgang nur diejenige Spektralkomponenten des zufälligen Breitbandsignals durchlassen, die in deren Durchlaßbereich fallen. Von den Ausgängen der Bandfilter 6 gelangen die Signale an die Eingänge der regelbaren Verstärker 7> deren Verstärkungsfaktoren nach den errechneten und festgehaltenen Werten K eingestellt sindο Die zufälligen Ausgangssignale der Kanäle I und II des Mehrkanalformers 4 gelangen an die Eingänge des Summierers 8_S dessen Ausgangssignal über den Schalter 9 und den Leistungsverstärker 11 an den Eingang des Vibrators 2 gelangt^ welcher eine Vibration des Erzeugnisses 1 mit vorbestimmten Parametern des Vibrationsspektrums erzeugt.

Die Verwendung des Schwingungsgenerators 10 gestattet es, in den Kontrollpunlcten die Amplitudenfrequenzkennlinien des Systems "Vibrator-Erzeugnis" ψ^ί*^) mit Hilfe eines gewöhnlichen Amplitudendemodulators 13 mit kleiner Integrierkonstante zu messen, wodurch eine solch komplizierte Einheit wie der Mehrkanal-Zufallssignalanalysator entfällt. Dadurch braucht man keine harten Forderungen an Rechteckigkeit und Identität der Amplitudenfrequenz-

kennlinien φ^ C^) der Bandfilter der Forfflerkanäle und der Bandfilter der gleichnamigen Analysatorkanäle zu stellen, was Regelungsfehler ausschließt. Somit gestattet es die erfindungsgemäße Einrichtung, nicht nur die Aufgabe der Erzeugung von eigenen Werten γ£^ der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Kontrollpunkt des zu prüfenden Erzeugnisses mit Hilfe eines einzigen Vibrators zu lösen, sondern auch die eindimensionale Aufgabe der Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen in einem einzigen Kontrollpunkt in den Bändern des vorgegebenen Frequenzbereiches genauer zu lösen.

Claims

FDNER EB BINGHAUS" FINCK

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INSTITUT IMENI 13. September 1983

A.N. TUPOLEVA

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung; eines Spektrums- zufälliger Vibrationen

PATENTANSPRÜCHE

1 ο Verfahren zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen^ bei dem an dem zu prüfenden Erzeugnis (1) Kontrollpunkte (a,, b) gewählt werden, die durch bestimmte Werte {qp» ) der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches gekennzeichnet sind, bei dein das Erzeugnis (1) im vorgegebenen Frequenzbereich mit Hilfe eines Mehrkanal-Zufallssignalformers (4) in Vibration versetzt wird,, wobei jeder Kanal eine eigene Amplitudenfrequenzkennlinie ( ψ^ 4fa) ) und einen regelbaren Zufallssignalpegel (K ) am Ausgang hat, bei dem in den Kontrollpunkten (a,, b) die Parameter der Vibration in jedem der erwähnten Frequenzbänder gemessen v/ird, und bei dem dann anhand der gemessenen Vibrationsparameter und der einmahnten Werte (q,f .) der spektralen Dichte

tu ι

der Vibrationsbeschleunigung Zufallssignalpegel in jedem Kanal des Hehrkanalformers (4), deren Gesamtheit das zu erzeugende Spektrum zufälliger Vibrationen

kennzeichnet, errechnet werden, dadurch g e kennzeichnet, daß zuvor eine Vibration des Erzeugnisses (1) im vorgegebenen Frequenzbereich mittels harmonischer Schwingungen von veränderlicher Frequenz erzeugt wird, in jedem Kontrollpunkt (a, b) des zu prüfenden Erzeugnisses (1) eigene ¥erte (

der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung in jedem Band des vorgegebenen Frequenzbereiches vorgegeben und als zu messenden Parameter der Vibration die Amplitudenfrequenzkennlinien ( \i>g £c*>) ) des Systems "Vibrator-Erzeugnis" in den Kontrollpunkten gewählt werden, und daß dann die Pegel^K ) des Ausgangszufallssignals in jedem Kanal des Mehrkanalformers (4) errechnet werden, wozu das lineare Gleichungssystem

gelöst wird, worin (q,£>) der vorgegebene Wert der spektralen Dichte der Vibrationsbeschleunigung des 1-ten Punktes im i-ten Frequenzband des vorgegebenen Frequenzbereiches ist und der Koeffizient [CL_n^ J in dem 1-ten Kontrollpunkt in dem i-ten Frequenzband für den η-ten Kanal des Mehrkanalformers (4) nach der Formel

£, A Uj

errechnet.wird, worin <p* (<~*) die Amplitudenfrequenzkennlinie des η-ten Kanals des Mehrkanalformers, ⁰Wg (c*j) die Amplitudenfrequenzkennlinie des Systems "Vibrator-Erzeugnis" im 1-ten Kontrollpunkt des zu prüfenden Erzeugnisses, Δω. das i-te Band des vorgegebenen Frequenzbereiches sind, wobei die Summe der Ausgangszufalls signale mit den Pegeln K das Zufallssignal bestimmt, mittels dessen das Zufallsvibrationsspektrum erzeugt wird.

Zo Einrichtung zur Erzeugung eines Spektrums zufälliger Vibrationen ₉ mit einem Mehrkanalformer (4) mit mehreren Kanälen _s die je eine Reihenschaltung aus einem Rauschgenerator (5) zur Erzeugung eines weißen Rauschens ₉ einen Bandfilter (6) und einen regelbaren Verstärker (7) umfassen, wobei die Ausgänge sämtlicher regelbarer Verstärker (7) mit den Eingängen eines Summierers (8) verbunden sind, dessen Ausgang an den Eingang eines Leistungsverstärkers (11) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Vibrators (2) mit dem auf diesem angeordneten zu prüfenden Erzeugnis (1) verbunden ist, in dessen Kontrollpunkten (a, b) Vibrationsgeber (3) befestigt sind, die Wandler mechanischer Schwingungen in elektrische Signale darstellen, deren Ausgänge mit den Eingängen einer an einen Analysator (13) angeschlossenen Schalteinheit (12) in Verbindung stehen, mit einer Einheit (16) zur Vorgabe der Parameter des zu erzeugenden Spektrums und mit einer Steuereinheit (17)» deren erster Ausgang an den Steuereingang der Schalteinheit (12) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen Generator (10) zur Erzeugung harmonischer Schwingungen veränderlicher Frequenz«, dessen Ausgang mit einem zwischen den Ausgang des Summierers (8) und den Eingang des Leistungsverstärkers (11) geschalteten und an den zweiten Ausgang der Steuereinheit (17) angeschlossenen Schalter (9) in Verbindung steht, und durch einen Speicher (14), der ausgangsseitig an eine Recheneinheit (15) angeschlossen ist_s an deren zweiten Eingang die Einheit (16) zur Vorgäbe der Parameter des zu erzeugenden Spektrums angeschlossen und deren dritter Steuereingang mit dem ersten Ausgang der Steuereinheit (17) verbunden ist, die an die Steuereingänge des Schwingungsgenerators (10) und des

Speichers (14) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang an den Ausgang des Schwingungsgenerators (10) und den Ausgang des als Amplitudendemodulator ausgeführten Analysators (13) angeschlossen ist, wobei ein Ausgang der Recheneinheit (15) an den Eingang des regelbaren Verstärkers (7) jedes Kanals des Mehrkanalformers (4) angeschlossen ist und ein zweiter Ausgang der Recheneinheit mit dem dritten Eingang des Speichers (14) in Verbindung steht.