JP2017044673A - Vibration measurement device - Google Patents

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勇樹 見村
永田 寿一
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寿一 永田
平野 俊夫
Toshio Hirano
俊夫 平野
平井 匡平
Tadahira Hirai
匡平 平井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration measurement device that realizes experiment mode analysis in which the effect of a natural vibration mode present in a region other than a measurement frequency region is taken into account when measuring the vibration of a structure.SOLUTION: A vibration measurement device comprises: a fast Fourier transformation unit for calculating the transfer function of a measurement object in a prescribed frequency band on the basis of an exciting force signal indicating an exciting force and an acceleration signal indicating the acceleration of the measurement object at a measurement point that is generated by the exciting force; a low order mode arithmetic unit for calculating a mode parameter of the measurement object on the basis of the transfer function; a high order mode vector estimation unit for estimating a natural vibration mode vector that corresponds to a natural frequency in a region other than the frequency band on the basis of the mode parameter; and an optimization arithmetic unit for performing arithmetic for minimizing, in the frequency band, a difference between a first high order mode acceleration response calculated on the basis of the natural vibration mode vector and a second high order mode acceleration response obtained by multiplying the acceleration response of the measurement object and the estimated natural vibration mode vector in the region other than the frequency band.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は構造物の振動測定装置に関するものである。   The present invention relates to a vibration measuring apparatus for a structure.

構造物の固有振動特性を実験的に把握しておくことは、回転機械など加振力が作用する機械において、共振や強制振動などの不適合要因を抽出し、機器の低振動化、低騒音化を図る上で重要である。固有振動測定において実験モード解析は、固有振動特性を周波数領域に加えて振動の形態(モード)を一体で評価できる非常に有効な実験解析手法として普及している。   Experimentally grasping the natural vibration characteristics of a structure is to extract non-conformity factors such as resonance and forced vibration in machines where excitation force is applied, such as rotating machines, and reduce the vibration and noise of the equipment. It is important to plan. In the natural vibration measurement, the experimental mode analysis is widely used as a very effective experimental analysis method capable of integrally evaluating the vibration mode (mode) by adding the natural vibration characteristics to the frequency domain.

実験モード解析は、基本的にFFTアナライザによる周波数領域伝達関数に基づいて評価している。したがって、評価できる固有振動モードの周波数範囲に制約が存在する。例えば、アナライザの測定限界周波数(最高周波数)により、測定周波数範囲の上限が設定されるから、FFTアナライザを用いて振動測定を行う場合には、最高周波数および周波数分解能を指定する必要がある。すなわち、必要な分解能を保持し、かつ注目される周波数に適切な余裕を持たせた測定条件で測定を実施しなくてはならない。   The experimental mode analysis is basically evaluated based on the frequency domain transfer function by the FFT analyzer. Therefore, there are restrictions on the frequency range of the natural vibration mode that can be evaluated. For example, since the upper limit of the measurement frequency range is set by the measurement limit frequency (maximum frequency) of the analyzer, when performing vibration measurement using the FFT analyzer, it is necessary to specify the maximum frequency and the frequency resolution. In other words, the measurement must be performed under measurement conditions that maintain the necessary resolution and have an appropriate margin for the frequency of interest.

しかし、構造物の固有振動数は一般的に多数(原理的には無限個)存在しているから、測定に際して設定した測定周波数範囲よりも周波数が高い高周波領域にも固有振動数が複数個存在することになる。したがって、FFTアナライザで測定された振動データには、最高周波数より高い固有振動数の応答成分も含まれている。   However, since there are generally many natural frequencies (infinite in principle), there are multiple natural frequencies even in the high frequency range where the frequency is higher than the measurement frequency range set for measurement. Will do. Therefore, the vibration data measured by the FFT analyzer includes a response component having a natural frequency higher than the maximum frequency.

実験モード解析では、FFTアナライザの測定周波数範囲に存在する固有振動数に対応するモード・パラメータを算出する。モード・パラメータが得られれば、対象構造物の振動応答をモード応答の重ね合わせにより求めて対象構造物の振動特性を評価することができる。一方、再解析された構造物の振動応答は測定周波数範囲の固有振動数に対応するモード・パラメータから構成されており、測定周波数範囲外の固有振動数のモード応答は考慮されていない。このため、測定周波数範囲の上限あるは下限においては、実測の振動応答と再解析による振動応答の間に数値の乖離が生じてしまう。そこで、実験モード解析では測定範囲外のモード応答の影響を上限では剰余剛性、下限では剰余質量を用いて補正することが一般に行われている。   In the experimental mode analysis, a mode parameter corresponding to the natural frequency existing in the measurement frequency range of the FFT analyzer is calculated. If the mode parameter is obtained, the vibration characteristics of the target structure can be evaluated by obtaining the vibration response of the target structure by superimposing the mode responses. On the other hand, the vibration response of the reanalyzed structure is composed of mode parameters corresponding to the natural frequency in the measurement frequency range, and the mode response of the natural frequency outside the measurement frequency range is not considered. For this reason, at the upper limit or the lower limit of the measurement frequency range, a numerical difference occurs between the actually measured vibration response and the vibration response by reanalysis. Therefore, in the experimental mode analysis, the influence of the mode response outside the measurement range is generally corrected using the residual stiffness at the upper limit and the residual mass at the lower limit.

FFTアナライザは、通常0Hzから測定することができるので、測定周波数範囲の下限が問題になることは稀である。一方上限については、測定範囲に影響を与える高周波固有振動数は、本来複数存在することが一般的であるにもかかわらず、剰余剛性は定数に過ぎない。実測値と再解析値との間の誤差をある程度縮小することはできるものの、完全に補正することは困難である。特に、測定周波数上限に近接して複数個の高周波固有振動数が存在する場合には誤差が拡大してしまう。   Since the FFT analyzer can usually measure from 0 Hz, the lower limit of the measurement frequency range is rarely a problem. On the other hand, with respect to the upper limit, the residual rigidity is only a constant although a plurality of high-frequency natural frequencies that affect the measurement range are generally inherent. Although the error between the actually measured value and the reanalyzed value can be reduced to some extent, it is difficult to completely correct the error. In particular, when there are a plurality of high-frequency natural frequencies close to the upper limit of the measurement frequency, the error increases.

特開平7−167736号公報JP-A-7-167736

このように、従来の振動測定装置では、測定周波数の領域外に存在する固有振動モードの影響を加味した実験モード解析を行うことが困難であるという問題がある。実施形態は、かかる課題を解決するためになされたもので、構造物の振動測定において、測定周波数領域外、とりわけ高周波領域に存在する固有振動モードの影響を考慮した実験モード解析を実現する振動測定装置を提供することを目的とする。   As described above, the conventional vibration measuring apparatus has a problem that it is difficult to perform an experimental mode analysis in consideration of the influence of the natural vibration mode existing outside the measurement frequency region. The embodiment has been made to solve such a problem, and in vibration measurement of a structure, vibration measurement that realizes experimental mode analysis in consideration of the influence of natural vibration modes existing outside the measurement frequency region, particularly in the high frequency region. An object is to provide an apparatus.

実施形態の振動測定装置は、測定対象物の加振点への加振力を示す加振力信号および前記加振力により生じた前記測定対象物の測定点での加速度を示す加速度信号に基づいて、所定の周波数帯域における前記測定対象物の伝達関数を算出する高速フーリエ変換部と、前記伝達関数に基づいて、前記周波数帯域における前記測定対象物のモード・パラメータを算出する低次モード演算部と、前記周波数帯域における前記モード・パラメータに基づいて、前記周波数帯域外の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルを推定する高次モードベクトル推定部と、前記固有振動モードベクトルに基づいて前記周波数帯域外における前記測定対象物のモード・パラメータを算出し、該算出したモード・パラメータを用いて表した第1の高次モード加速度応答、および、前記測定対象物の伝達関数における加速度応答と前記高次モードベクトル推定部が推定した前記周波数帯域外の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルとを乗算して得た第2の高次モード加速度応答の差を、前記周波数帯域において最小とする演算を行う最適化演算部とを具備する。   The vibration measuring apparatus according to the embodiment is based on an excitation force signal indicating an excitation force to the excitation point of the measurement object and an acceleration signal indicating an acceleration at the measurement point of the measurement object generated by the excitation force. A fast Fourier transform unit that calculates a transfer function of the measurement object in a predetermined frequency band, and a low-order mode calculation unit that calculates a mode parameter of the measurement object in the frequency band based on the transfer function A higher-order mode vector estimation unit that estimates a natural vibration mode vector corresponding to a natural frequency outside the frequency band based on the mode parameter in the frequency band, and the frequency based on the natural vibration mode vector. A mode parameter of the measurement object outside the band is calculated, and a first higher-order mode addition expressed using the calculated mode parameter is performed. Second response obtained by multiplying the acceleration response in the transfer function of the measurement object and the natural vibration mode vector corresponding to the natural frequency outside the frequency band estimated by the higher-order mode vector estimation unit. And an optimization calculation unit that performs a calculation for minimizing the difference in higher-order mode acceleration response in the frequency band.

第1実施形態の振動測定装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the vibration measuring device of 1st Embodiment. 第1実施形態の振動測定装置の測定対象である構造物の構成を示す概略図であるIt is the schematic which shows the structure of the structure which is a measuring object of the vibration measuring device of 1st Embodiment. 第1実施形態の振動測定装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the vibration measuring apparatus of 1st Embodiment. 実測された図2の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of FIG. 2 measured. 実測された図2の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of FIG. 2 measured. 第1実施形態の振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required by the vibration measuring apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態の振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required by the vibration measuring apparatus of 1st Embodiment. 従来技術による振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required with the vibration measuring apparatus by a prior art. 従来技術による振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required with the vibration measuring apparatus by a prior art. 従来技術による振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required with the vibration measuring apparatus by a prior art. 従来技術による振動測定装置により求められた図2に示す構造物の系の自己伝達関数(アクセレランス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (acceleration) of the system of the structure shown in FIG. 2 calculated | required with the vibration measuring apparatus by a prior art. 第4実施形態の振動測定装置におけるモード・パラメータ推定方法を説明する自己伝達関数(コンプライアンス)を示す周波数応答関数図である。It is a frequency response function figure which shows the self-transfer function (compliance) explaining the mode parameter estimation method in the vibration measuring device of 4th Embodiment.

(測定原理)
測定対象の構造物Oの運動方程式は、数式1により表すことができる。

Figure 2017044673
ここで、[M]、[C]、[K]は、それぞれ質量行列、減衰行列、剛性行列であり、{x}は変位ベクトル、{f}は外力ベクトルである。行列の大きさ(自由度)は、測定点数(応答数)Nに等しい。質量行列、減衰行列および剛性行列を、総称して特性行列と呼ぶ。 (Measurement principle)
The equation of motion of the structure O to be measured can be expressed by Equation 1.
Figure 2017044673
Here, [M], [C], and [K] are a mass matrix, an attenuation matrix, and a stiffness matrix, respectively, {x} is a displacement vector, and {f} is an external force vector. The size (degree of freedom) of the matrix is equal to the number of measurement points (number of responses) No. The mass matrix, the attenuation matrix, and the stiffness matrix are collectively referred to as a characteristic matrix.

数式1に対応して、固有振動モードベクトル{φ};r=1,2,…,Nは、数式2の固有値問題を解くことで得ることができ、N行N列の大きさを持つ数式3に示す行列[Φ]を求める。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
ここで、Nは入力数であり、解析では採用モード数、実験では測定モード数に相当する。 Corresponding to Equation 1, the natural vibration mode vector {φ r }; r = 1, 2,..., N i can be obtained by solving the eigenvalue problem of Equation 2, and the size of N o rows and N i columns. A matrix [Φ] shown in Formula 3 is obtained.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Here, Ni is the number of inputs, which corresponds to the number of adopted modes in the analysis and the number of measurement modes in the experiment.

固有振動モードベクトル{φ}は正規直交基底をなすので、減衰行列が比例減衰行列である場合、数式4が成り立つ。

Figure 2017044673
ここで、記号“「」”は対角行列を意味し、「m」、「c」および「k」の対角成分はそれぞれモード質量、モード減衰、モード剛性と呼ばれ、数式5が成り立つ。
Figure 2017044673
数式5では、m=1となるように固有振動モードベクトル{φ}を正規化している。この場合、モード剛性kは固有値ω と一致する。角固有振動数ωは固有値の平方根であり、固有振動数は数式6により求めることができる。
Figure 2017044673
また、減衰率ζは数式7により求めることができる。
Figure 2017044673
固有振動モードベクトル、モード質量、モード減衰、モード剛性およびこれらより誘導される定数を総称してモード・パラメータと呼ぶ。 Since the natural vibration mode vector {φ r } forms an orthonormal basis, Equation 4 is established when the attenuation matrix is a proportional attenuation matrix.
Figure 2017044673
Here, the symbol ““ ”means a diagonal matrix, and the diagonal components of“ m ”,“ c ”, and“ k ”are called mode mass, mode damping, and mode stiffness, respectively, and Equation 5 is established.
Figure 2017044673
In Equation 5, the natural vibration mode vector {φ r } is normalized so that m r = 1. In this case, mode stiffness k r is consistent with the eigenvalues ω r 2. The angular natural frequency ω r is the square root of the natural value, and the natural frequency can be obtained from Equation 6.
Figure 2017044673
Further, the attenuation rate ζ r can be obtained by Expression 7.
Figure 2017044673
The natural vibration mode vector, mode mass, mode damping, mode stiffness and constants derived therefrom are collectively referred to as mode parameters.

実験モード解析では、数式1の運動方程式をFFTアナライザの測定結果に合わせて周波数応答関数の形式で取り扱う。すなわち、1点加振の周波数応答関数{H}は、加振力{f}の加振点成分をf=est(s=jω)、他の成分をゼロとして求めた応答{x}のラプラス変換である。この場合、多点加振の周波数応答関数は、応答数・入力数(N×N)の行列となり、数式1は数式8と表せる。

Figure 2017044673
ここで、行列[Id]の各列{Id}は、加振点が1、その他は0のベクトルである。実験モード解析は、数式8に基づいて周波数応答関数{H}にカーブ・フィッティングという技法を用いてモード・パラメータを算出する解析手法であり、原理上は入力数N対までのモード・パラメータを特定することが可能である。 In the experimental mode analysis, the equation of motion of Equation 1 is handled in the form of a frequency response function according to the measurement result of the FFT analyzer. That is, 1 point excitation frequency response function {H} is the excitation point component of the excitation force {f} f = e st ( s = jω), the response {x} to obtain the other components as zero Laplace transform. In this case, the frequency response function of multi-point excitation is a matrix of the number of responses and the number of inputs (N o × N i ), and Equation 1 can be expressed as Equation 8.
Figure 2017044673
Here, each column {Id} of the matrix [Id] is a vector whose excitation point is 1 and the others are 0. The experimental mode analysis is an analysis method for calculating a mode parameter using a technique called curve fitting to the frequency response function {H} based on Equation 8, and in principle, mode parameters up to N i pairs of inputs are calculated. It is possible to specify.

いま、実験モード解析によってN対のモード・パラメータが求められているとする。このとき、固有振動モードベクトル{φ};r=1,2,…,Nは正規直交基底をなすから、これら既知の固有振動モードベクトルに直交化式を適用することによって、測定周波数領域より高い周波数領域にある未知なる固有振動モードベクトル{φ};r=(N+1),(N+2),…,Nを予測することができる。すなわち、直交化式として代表的なグラム・シュミットの手法を用いると、任意の初期ベクトル{y}に対して数式9の演算を繰り返す。

Figure 2017044673
数式9によって得られる予測固有振動モードベクトル{φ};r=(N+1),(N+2),…,Nを含めて固有振動モードベクトル{φ};r=1,2,…,Nは正規直交基底をなす。 Now, it is assumed that Ni pairs of mode parameters are obtained by experimental mode analysis. At this time, since the natural vibration mode vector {φ r }; r = 1, 2,..., N i forms an orthonormal basis, by applying an orthogonalization formula to these known natural vibration mode vectors, An unknown natural vibration mode vector {φ r }; r = (N i +1), (N i +2),..., N o in a higher frequency region can be predicted. That is, when a typical Gram-Schmidt technique is used as an orthogonalization expression, the calculation of Expression 9 is repeated for an arbitrary initial vector {y r }.
Figure 2017044673
Prediction obtained by Equation 9 natural mode vector {φ r}; r = ( N i +1), (N i +2), ..., including N o natural mode vector {φ r}; r = 1,2 ,..., N o form an orthonormal basis.

一方、モード質量m、モード減衰c、モード剛性kについては、r=(N+1),(N+2),…,Nについて数式10に示す加振力{f}に対するモード応答に対して、数式11に示すモード質量m、モード減衰c、モード剛性kによるモード座標系の1自由度運動方程式と、数式12に示すその応答を考えることになる。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
すなわち、数式10と数式12の差が最小となるようにモード質量m、モード減衰c、モード剛性kを決定する。 On the other hand, modal mass m r, mode damping c r, for mode stiffness k r, r = (N i +1), (N i +2), ..., N o mode for excitation force {f} given by Equation 10 for With respect to the response, the one-degree-of-freedom motion equation of the mode coordinate system based on the mode mass m r , the mode damping c r , and the mode stiffness k r shown in Equation 11 and the response shown in Equation 12 will be considered.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
That is, the mode mass m r , the mode damping c r , and the mode stiffness k r are determined so that the difference between Formula 10 and Formula 12 is minimized.

さらに、入力数が応答数に等しい場合、すなわち、N=Nのとき、モード行列[Φ]はN行N列の正方行列をなすから、数式4より各特性行列は数式13により求めることができる。

Figure 2017044673
Further, when the number of inputs is equal to the number of responses, that is, when N i = N o , the mode matrix [Φ] forms a square matrix with N o rows and N o columns. Can be sought.
Figure 2017044673

以上の手順によって、モード質量m、モード減衰c、モード剛性k、固有振動モードベクトル{φ};r=(N+1),(N+2),…,Nが決定され、測定周波数領域より高い周波数領域にある固有振動モードの影響を考慮することが可能となる。数式8の表記に従えば、{x}は周波数応答関数{H}に、加振力{f}は{Id}にそれぞれ相当する。 By the above procedure, modal mass m r, mode damping c r, mode stiffness k r, the natural oscillation mode vector {φ r}; r = ( N i +1), (N i +2), ..., N o is determined It is possible to consider the influence of the natural vibration mode in the frequency range higher than the measurement frequency range. According to the notation of Expression 8, {x} corresponds to the frequency response function {H}, and the excitation force {f} corresponds to {Id}.

(第1実施形態)
以下、図1を参照して、第1の実施形態に係る振動測定装置1の構成を説明する。図1に示すように、実施形態の振動測定装置は、インパルスハンマー10、インパルスハンマー10に内蔵されたロードセル15、加速度ピックアップ21…24、信号ケーブル30、FFTアナライザ40、および演算部50を備えている。
(First embodiment)
Hereinafter, the configuration of the vibration measuring apparatus 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the vibration measuring apparatus of the embodiment includes an impulse hammer 10, a load cell 15 built in the impulse hammer 10, acceleration pickups 21... 24, a signal cable 30, an FFT analyzer 40, and a calculation unit 50. Yes.

インパルスハンマー10は、振動測定装置1が測定する振動を発生させるハンマーである。インパルスハンマー10は、自身の加振力を測定するロードセル15を備えており、ハンマーにより加えた振動を測定することができる。   The impulse hammer 10 is a hammer that generates a vibration measured by the vibration measuring apparatus 1. The impulse hammer 10 includes a load cell 15 that measures its own excitation force, and can measure vibration applied by the hammer.

加速度ピックアップ21…24は、測定対象たる構造物Oに配設される振動センサであり、構造物Oにおける所定の位置における振動応答を測定する。信号ケーブル30は、ロードセル15や加速度ピックアップ21…24からの測定信号を振動測定装置1へ導くケーブルである。   The acceleration pickups 21... 24 are vibration sensors arranged in the structure O to be measured, and measure vibration responses at predetermined positions in the structure O. The signal cable 30 is a cable that guides measurement signals from the load cell 15 and the acceleration pickups 21 to 24 to the vibration measuring apparatus 1.

FFTアナライザ40は、信号ケーブル30から受けた測定信号に基づき高速フーリエ変換(FFT)を行って伝達関数を算出する。演算部50は、FFTアナライザ40が算出した伝達関数に基づき、モード・パラメータや質量行列、剛性行列、減衰行列などを演算するコンピュータである。   The FFT analyzer 40 performs a fast Fourier transform (FFT) based on the measurement signal received from the signal cable 30 to calculate a transfer function. The calculation unit 50 is a computer that calculates a mode parameter, a mass matrix, a stiffness matrix, an attenuation matrix, and the like based on the transfer function calculated by the FFT analyzer 40.

図1に示すように、演算部50は、低次モード演算部51、高次ベクトル演算部52、最適化演算部53および行列演算部54を備えている。低次モード演算部51は、FFTアナライザ40の測定周波数範囲内におけるモード・パラメータを演算するプロセッサである。高次ベクトル演算部52は、測定周波数範囲外における高次固有振動モードベクトルを演算するプロセッサである。最適化演算部53は、全モードのパラメータを演算するプロセッサである。行列演算部54は、質量行列、剛性行列および減衰行列を演算するプロセッサである。   As shown in FIG. 1, the calculation unit 50 includes a low-order mode calculation unit 51, a high-order vector calculation unit 52, an optimization calculation unit 53, and a matrix calculation unit 54. The low-order mode calculation unit 51 is a processor that calculates mode parameters within the measurement frequency range of the FFT analyzer 40. The high-order vector calculation unit 52 is a processor that calculates a high-order natural vibration mode vector outside the measurement frequency range. The optimization calculation unit 53 is a processor that calculates parameters of all modes. The matrix calculator 54 is a processor that calculates a mass matrix, a stiffness matrix, and an attenuation matrix.

続いて、図1ないし3を参照して、実施形態の振動測定装置の動作を説明する。まず、測定対象たる構造物Oについて、測定点および加振点を設定する(ステップ100。以下「S100」のように称する)。以下の説明において、構造物Oは図2に示すようにX軸方向に運動する4つの自由度x1、x2、x3、x4からなる4自由度系と仮定する。構造物Oは、固定端60に自由度x1の質量61を剛性62と減衰63を介して接続し、質量61に対して自由度x2の質量64と自由度x3の質量67を剛性65、減衰66および剛性68、減衰69を介して直列に接続するものとする。また、自由度x4の質量70を質量61に対して剛性71、減衰72を介して自由度x2と並列に接続するものとする。各自由度の質量をm、m、m、m、剛性をk、k、k、k、減衰をc、c、c、cとおく。 Subsequently, the operation of the vibration measuring apparatus according to the embodiment will be described with reference to FIGS. First, a measurement point and an excitation point are set for the structure O to be measured (step 100; hereinafter referred to as “S100”). In the following description, it is assumed that the structure O is a four-degree-of-freedom system including four degrees of freedom x1, x2, x3, and x4 moving in the X-axis direction as shown in FIG. In the structure O, a mass 61 having a degree of freedom x1 is connected to the fixed end 60 via a stiffness 62 and a damping 63, and a mass 64 having a degree of freedom x2 and a mass 67 having a degree of freedom x3 are stiffened by a stiffness 65 with respect to the mass 61. 66, rigidity 68, and attenuation 69 are connected in series. Further, it is assumed that the mass 70 having the degree of freedom x4 is connected to the mass 61 in parallel with the degree of freedom x2 via the stiffness 71 and the damping 72. It is assumed that the mass of each degree of freedom is m 1 , m 2 , m 3 , m 4 , the stiffness is k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , and the attenuation is c 1 , c 2 , c 3 , c 4 .

自由度x1すなわち質量61に対してインパルスハンマー10により打撃加振する。打撃加振に応じて自由度x1〜x4に発生する加速度を加速度ピックアップ21…24で計測する。ロードセル15が検出した加振力信号および加速度ピックアップ21…24が検出した各自由度の加速度信号は、信号ケーブル30を介してFFTアナライザ40に送られる。FFTアナライザ40は、受け取った加振力信号および加速度信号を用いて伝達関数を算出する(S110)。算出された伝達関数は、演算部50に送られる。   The impulse hammer 10 strikes and vibrates the degree of freedom x1, that is, the mass 61. Accelerations occurring at the degrees of freedom x1 to x4 according to the impact excitation are measured by the acceleration pickups 21. The excitation force signal detected by the load cell 15 and the acceleration signal of each degree of freedom detected by the acceleration pickups 21... 24 are sent to the FFT analyzer 40 via the signal cable 30. The FFT analyzer 40 calculates a transfer function using the received excitation force signal and acceleration signal (S110). The calculated transfer function is sent to the calculation unit 50.

ここで、構造物Oの諸元を表1に示す値とする。

Figure 2017044673
ただし、減衰行列[C]については、比例減衰を数式14に示すものとして、α=5.0、β=5.0×10−5とする。
Figure 2017044673
このとき、数式1の運動方程式は、数式15にて表される。
Figure 2017044673
Here, the specifications of the structure O are values shown in Table 1.
Figure 2017044673
However, with respect to the attenuation matrix [C], the proportional attenuation is expressed by Equation 14, and α = 5.0 and β = 5.0 × 10 −5 .
Figure 2017044673
At this time, the equation of motion of Formula 1 is expressed by Formula 15.
Figure 2017044673

数式15に対応する数式2の固有値問題は、数式16に示す通りとなる。

Figure 2017044673
低次モード演算部51は、数式16を演算して固有値、固有振動モードベクトルなどモード・パラメータを算出する。算出結果例を表2に示す。
Figure 2017044673
The eigenvalue problem of Equation 2 corresponding to Equation 15 is as shown in Equation 16.
Figure 2017044673
The low-order mode calculation unit 51 calculates Equation 16 to calculate mode parameters such as eigenvalues and natural vibration mode vectors. An example of the calculation result is shown in Table 2.
Figure 2017044673

低次モード演算部51による解析では、表2に示すようにすべてのモードのモード・パラメータが求められる。しかし実際の測定では、FFTアナライザ40の測定周波数領域の制約が存在する。そこで、FFTアナライザ40の測定周波数範囲を0〜50Hzとすると、低次モード演算部51は、表2に示す50Hz以下の2つの固有振動数について、計測された伝達関数に基づいてモード・パラメータを決定する。   In the analysis by the low-order mode calculation unit 51, the mode parameters of all modes are obtained as shown in Table 2. However, in actual measurement, there are limitations on the measurement frequency region of the FFT analyzer 40. Therefore, when the measurement frequency range of the FFT analyzer 40 is set to 0 to 50 Hz, the low-order mode calculation unit 51 sets the mode parameter based on the measured transfer function for two natural frequencies of 50 Hz or less shown in Table 2. decide.

実測される伝達関数の一例として、図4Aおよび図4Bに自己アクセレランス(加振点における応答を加速度で評価した伝達関数、すなわち自由度x1における伝達関数を加速度表記したもの)を示す。図4Aおよび図4Bは実測されたものであるから、測定周波数範囲外にある固有振動モードの応答も含まれている。   As an example of the actually measured transfer function, FIG. 4A and FIG. 4B show self-acceleration (transfer function in which the response at the excitation point is evaluated by acceleration, that is, the transfer function at the degree of freedom x1 expressed as acceleration). Since FIG. 4A and FIG. 4B are actually measured, the response of the natural vibration mode outside the measurement frequency range is also included.

アクセレランスは動数領域において各自由度の応答加速度を加振力で除したものであるから、数式15において数式17に示す単位調波加振力Fを入力した場合の応答加速度に等しい。

Figure 2017044673
Since the acceleration is obtained by dividing the response acceleration of each degree of freedom by the excitation force in the dynamic range, it is equal to the response acceleration when the unit harmonic excitation force F shown in Expression 17 is input in Expression 15.
Figure 2017044673

図5Aおよび図5Bに示すように、1次および2次固有振動数でアクセレランス線図はピーク値を示す。測定周波数範囲が0〜50Hzの伝達関数を用いて実験モード解析を実施すれば、測定周波数範囲に固有振動数が存在する1次、2次モードについてモード・パラメータが数式18、数式19のように求められる。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the acceleration diagram shows the peak value at the primary and secondary natural frequencies. If the experimental mode analysis is performed using a transfer function with a measurement frequency range of 0 to 50 Hz, the mode parameters for the primary and secondary modes in which the natural frequency exists in the measurement frequency range are as in Equations 18 and 19. Desired.
Figure 2017044673
Figure 2017044673

表2に示すように、測定周波数範囲の上限である50Hz以上には3次、4次の2つの固有振動数が存在する。しかし、測定周波数範囲外であるため測定周波数範囲を0〜50Hzとして測定された伝達関数の測定結果から3次、4次の固有振動数については求めることはできない。すなわち、3次、4次固有振動数に対応するモード・パラメータは未知数である。   As shown in Table 2, there are two third and fourth natural frequencies above 50 Hz, which is the upper limit of the measurement frequency range. However, since it is outside the measurement frequency range, the third and fourth natural frequencies cannot be obtained from the measurement result of the transfer function measured with the measurement frequency range of 0 to 50 Hz. That is, the mode parameter corresponding to the third-order and fourth-order natural frequencies is unknown.

数式18、数式19で得られたモード・パラメータを用いて自己アクセレランスを再解析すると、図6Aおよび図6Bに示すようになる。図6Aおよび図6Bにおいて破線で示す実測値と実線で示す演算結果とを比較すると、1次および2次固有振動数におけるピーク近傍で両者はよく一致しているが、それ以外の帯域では振幅に大きなずれが見られる。位相についても1次と2次固有振動数の中間で差が生じている。この相違は、測定振動数範囲以上にある3次および4次固有振動数に対応するモード応答が考慮されていないことによるものである。測定周波数範囲より高い固有振動数の影響を考慮して精度向上を図るため、一般に剰余剛性が用いられる。剰余剛性は数式20にて求めることができる。

Figure 2017044673
When the self-acceleration is reanalyzed using the mode parameters obtained by Equations 18 and 19, the results are as shown in FIGS. 6A and 6B. 6A and 6B, when the actual measurement value indicated by the broken line is compared with the calculation result indicated by the solid line, the two values are close to each other in the vicinity of the peak at the primary and secondary natural frequencies, but the amplitude is increased in other bands. A big gap is seen. There is also a difference in phase between the primary and secondary natural frequencies. This difference is due to the fact that the mode response corresponding to the third and fourth natural frequencies above the measured frequency range is not considered. In order to improve the accuracy in consideration of the influence of the natural frequency higher than the measurement frequency range, the residual rigidity is generally used. The residual rigidity can be obtained by Equation 20.
Figure 2017044673

剰余剛性を考慮した自己アクセレランスは図7Aおよび図7Bに示すようになる。剰余剛性によって1次および2次固有振動数の中間部における相違は小さくなるものの、2次固有振動数を越えた周波数帯域では大きな差が残ることがわかる。これは、剰余剛性が数式20に示すように3次および4次固有振動数に対応するモード剛性の逆数を総和して算出したものであり、各固有振動数を個々に評価した算出したものではないからである。   The self-acceleration taking account of the residual rigidity is as shown in FIGS. 7A and 7B. Although the difference in the intermediate portion between the primary and secondary natural frequencies is reduced by the residual rigidity, it can be seen that a large difference remains in the frequency band exceeding the secondary natural frequency. This is calculated by summing up the reciprocal of the mode rigidity corresponding to the third and fourth order natural frequencies as shown in Equation 20, in which the individual frequencies are evaluated individually. Because there is no.

そこで、実施形態の振動測定装置は、3次および4次固有振動数に対応する固有振動モードベクトルを推定する高次ベクトル演算部52を備えて、それぞれのモード・パラメータを算出する(S130)。高次ベクトル演算部52は、3次および4次固有振動数に対応する固有振動モードベクトルを推定するに当たり、低次モード演算部51が算出した1次および2次固有振動数の固有振動モードベクトルとの直交化式を利用する。ここでは直交化式として代表的なグラム・シュミットの式を用いる。   Therefore, the vibration measuring apparatus according to the embodiment includes a high-order vector calculation unit 52 that estimates natural vibration mode vectors corresponding to the third-order and fourth-order natural frequencies, and calculates respective mode parameters (S130). The high-order vector calculation unit 52 estimates the natural vibration mode vectors corresponding to the third and fourth natural frequencies, and the natural vibration mode vectors of the primary and secondary natural frequencies calculated by the low-order mode calculation unit 51. The orthogonalization formula is used. Here, a typical Gram-Schmidt equation is used as the orthogonalization equation.

3次固有振動モードベクトル{φ}は、数式9において初期ベクトルに{1 1 0 1}を選べば、数式21のように求められる。

Figure 2017044673
{φ{φ}=1となるように正規化を施せば、数式22のように表される。
Figure 2017044673
The third-order natural vibration mode vector {φ 3 } can be obtained as in Expression 21 if {1 1 0 1} T is selected as the initial vector in Expression 9.
Figure 2017044673
If normalization is performed so that {φ 3 } T3 } = 1, it is expressed as Equation 22.
Figure 2017044673

4次固有振動モードベクトル{φ}は、初期ベクトルに{1 1 1 1}を選べば、同様に数式23のように表される。

Figure 2017044673
このように、実施形態の振動測定装置によれば、グラム・シュミットの直交化式を用いて既知の1次、2次固有振動モードベクトルに対して直交する未知の3次、4次固有振動モードベクトルを推定するので、FFTアナライザ40の測定周波数範囲外の固有振動数を考慮した精度の高いモード・パラメータや特性行列を得ることができる。1次、2次固有振動モードベクトルと併せてモード行列を作れば、数式24が得られる。
Figure 2017044673
The fourth-order natural vibration mode vector {φ 4 } is similarly expressed as Equation 23 if {1 1 1 1} T is selected as the initial vector.
Figure 2017044673
As described above, according to the vibration measuring apparatus of the embodiment, the unknown third-order and fourth-order natural vibration modes orthogonal to the known first-order and second-order natural vibration mode vectors using the Gram-Schmidt orthogonalization formula. Since the vector is estimated, it is possible to obtain a highly accurate mode parameter and characteristic matrix in consideration of the natural frequency outside the measurement frequency range of the FFT analyzer 40. Formula 24 can be obtained by creating a mode matrix together with the primary and secondary natural vibration mode vectors.
Figure 2017044673

さらに、高次ベクトル演算部52は、3次、4次のモード質量、モード減衰、モード剛性について、応答(伝達関数)ベクトルに固有振動モードベクトルを乗じて得られるモード応答と曲線適合させる。伝達関数は数式17で表わされる加振力に対する応答として求められるから、数式25に示すように、測定で得られた加速度応答に3次固有振動モードベクトル{φを乗じて3次モード加速度応答を求める。

Figure 2017044673
一方、3次のモード・パラメータを用いて3次モード加速度応答を表すと、数式15、数式17より数式26のようになる。
Figure 2017044673
Further, the higher-order vector calculation unit 52 performs curve fitting with the mode response obtained by multiplying the response (transfer function) vector by the natural vibration mode vector with respect to the third-order and fourth-order mode mass, mode damping, and mode rigidity. Since the transfer function is obtained as a response to the excitation force expressed by Equation 17, as shown in Equation 25, the acceleration response obtained by measurement is multiplied by the third natural vibration mode vector {φ 3 } T to obtain the third order mode. Find the acceleration response.
Figure 2017044673
On the other hand, when the third-order mode acceleration response is expressed using the third-order mode parameter, the following Expression 26 is obtained from Expression 15 and Expression 17.
Figure 2017044673

最適化演算部53は、数式25で得られる3次モード加速度応答と、数式26で求められる3次モード加速度応答との差(目的関数)が0〜50Hzの範囲で最小となるように最適化を行い、数式26に現れるモード・パラメータm、ω、ζを決定する(S140)。 The optimization calculation unit 53 performs optimization so that the difference (objective function) between the third-order mode acceleration response obtained by Expression 25 and the third-order mode acceleration response obtained by Expression 26 is minimized in the range of 0 to 50 Hz. To determine the mode parameters m 3 , ω 3 , and ζ 3 appearing in Equation 26 (S140).

ω、ζはモード質量m、モード減衰c、モード剛性kから誘導できるから、数式26は、モード質量m、モード減衰c、モード剛性kで定義される。すなわち、この問題の未知数は、モード質量m、モード減衰c、モード剛性kの3つであるから、適当な3点(たとえば10Hz、30Hz、50Hz)における値で方程式を立てて算出する代数的な方法がまず考えられる。 omega 3, zeta 3 is modal mass m 3, mode damping c 3, since it derived from the mode stiffness k 3, Equation 26, modal mass m 3, mode damping c 3, is defined in the mode stiffness k 3. That is, there are three unknowns of this problem: mode mass m 3 , mode damping c 3 , and mode stiffness k 3 , and an equation is calculated with values at appropriate three points (for example, 10 Hz, 30 Hz, and 50 Hz). An algebraic method can be considered first.

しかし、実際の問題においては伝達関数に測定値を用いるので、図5Aおよび図5Bに示すように理想的な特性を示すとは限らないため、このような代数的な算法では誤差が混入する恐れがある。そこでモード・パラメータm、c、kを設計変数とし、0〜50Hzの周波数範囲で目的関数(3次モード加速度応答の差の絶対値)の総和を最小化する最適化問題に帰着させる。すなわち、数式27にて表されるように0〜50Hzの範囲で目的関数の最小化を図る。

Figure 2017044673
However, since the measured value is used for the transfer function in an actual problem, it does not always show ideal characteristics as shown in FIGS. 5A and 5B. Therefore, such an algebraic algorithm may introduce errors. There is. Therefore, the mode parameters m 3 , c 3 , and k 3 are used as design variables, and the optimization problem is minimized by minimizing the sum of the objective functions (absolute values of the third-order mode acceleration response differences) in the frequency range of 0 to 50 Hz. . That is, the objective function is minimized in the range of 0 to 50 Hz as expressed by Equation 27.
Figure 2017044673

同様に、4次モードについてもモード加速度応答について実測と解析の差を最小化することで4次のモードパラメータモードパラメータm、ω、ζを求める。これによって求められたモード・パラメータ例を表3に示す。

Figure 2017044673
Similarly, for the fourth-order mode, the fourth-order mode parameters m 4 , ω 4 , and ζ 4 are obtained by minimizing the difference between the actual measurement and the analysis of the mode acceleration response. Table 3 shows an example of the mode parameter obtained in this way.
Figure 2017044673

ここで1次、2次モードの値は、実験モード解析によって求められているから、表2と同一であるので表3では省略した。表3のモード・パラメータを用いて自己アクセレランスを計算した結果は図5Aおよび図5Bに示す。図5Aおよび図5Bにおいて、破線は実測の応答曲線であり、図4Aおよび図4Bのものと同一である。実線で示す計算結果は破線の実測結果とほぼ一致しており、推定された3次、4次モード・パラメータの精度は非常に良好であることがわかる。実施形態の振動測定装置によれば、FFTアナライザ40の測定周波数範囲外の固有振動数について、ベクトル直交化式による高次固有振動モードベクトルを算出し、モード応答の残差を最小化するので、FFTアナライザ40の測定周波数範囲外においても制度の高い測定を可能にする。   Here, since the values of the primary and secondary modes are obtained by the experimental mode analysis, they are the same as those in Table 2 and are omitted in Table 3. The results of calculating the self-acceleration using the mode parameters in Table 3 are shown in FIGS. 5A and 5B. In FIGS. 5A and 5B, the broken line is an actually measured response curve, which is the same as that in FIGS. 4A and 4B. The calculation result indicated by the solid line is almost the same as the actual measurement result indicated by the broken line, and it can be seen that the accuracy of the estimated third-order and fourth-order mode parameters is very good. According to the vibration measurement device of the embodiment, for the natural frequency outside the measurement frequency range of the FFT analyzer 40, the higher-order natural vibration mode vector is calculated by the vector orthogonalization formula, and the residual of the mode response is minimized. It enables high-level measurement even outside the measurement frequency range of the FFT analyzer 40.

続いて、行列演算部54は、特性行列を算出する(S150)。まず、行列演算部54は、表3の値を用いて、数式13の行列を算出する。算出結果例を数式28ないし32に示す。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Subsequently, the matrix calculation unit 54 calculates a characteristic matrix (S150). First, the matrix calculation unit 54 calculates the matrix of Equation 13 using the values in Table 3. Examples of calculation results are shown in Equations 28 to 32.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673

続いて、行列演算部54は、数式28ないし32を数式13に代入することで、数式33ないし35に示すような特性行列を算出する。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Subsequently, the matrix calculation unit 54 calculates the characteristic matrix as shown in Expressions 33 to 35 by substituting Expressions 28 to 32 into Expression 13.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
Figure 2017044673

数式33ないし35に示す特性行列を真の値である数式15の行列と比較すると、行列の対称性が保たれ、かつ主たる項(数値の大きい成分)の値は非常によく一致していることから実施形態の測定手順の妥当性が確認できる。   Comparing the characteristic matrix shown in Equations 33 to 35 with the matrix of Equation 15 which is a true value, the symmetry of the matrix is maintained and the values of the main terms (components with large numerical values) are very well matched. Thus, the validity of the measurement procedure of the embodiment can be confirmed.

なお、伝達関数の再解析だけであれば、数式25のように加速度応答と推定されたモードに対応する固有振動モードベクトル{φ}の内積を重ね合わせれば十分である。すなわち、数式36に示すモード応答に対して、数式37に示すアクセレランス・ベクトルにより求めることができる。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
If only the re-analysis of the transfer function is performed, it is sufficient to overlap the inner products of the natural vibration mode vectors {φ r } corresponding to the mode estimated as the acceleration response as in Expression 25. That is, the mode response shown in Expression 36 can be obtained from the acceleration vector shown in Expression 37.
Figure 2017044673
Figure 2017044673

(第2実施形態)
第1実施形態では、最適化演算部53は、数式27のようにモード応答の実数部と虚数部の二乗平均を目的関数としている。この場合、最適化の過程で不適切な局所解に収束すると、実数部または虚数部のみが最小化されて真の最適解から外れてしまう可能性がある。そこで、第2の実施形態に係る振動測定装置では、最適化演算部53が、実数部および虚数部を同時に最小化する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the optimization calculation unit 53 uses the mean square of the real part and the imaginary part of the mode response as an objective function as shown in Expression 27. In this case, if convergence to an inappropriate local solution during the optimization process, only the real part or imaginary part may be minimized and deviate from the true optimal solution. Therefore, in the vibration measurement device according to the second embodiment, the optimization calculation unit 53 simultaneously minimizes the real part and the imaginary part.

すなわち、この実施形態の最適化演算部53は、設計変数m、c、kに対して、数式38にて表される制約条件のもとに、数式39にて表される目的関数を最小化する演算を行う。4次モード・パラメータについても同様である。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
これにより実数部の差と虚数部の差を同時に最小化することができるので、より正確な曲線適合が可能となる。 That is, the optimization calculation unit 53 of this embodiment performs the objective function expressed by the mathematical formula 39 under the constraint condition expressed by the mathematical formula 38 with respect to the design variables m 3 , c 3 , and k 3 . The operation that minimizes is performed. The same applies to the fourth-order mode parameter.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
As a result, the difference between the real part and the difference between the imaginary part can be minimized at the same time, so that more accurate curve fitting is possible.

(第3実施形態)
剛性行列や減衰行列は、構造物Oの各自由度間の接合状態などによって影響を受けるから、解析的に特定することが一般に困難である。一方、質量行列は、構成から直接的に値を求めることが比較的容易である。すなわち、曲線適合する前に質量行列を決定しておくことが可能である。質量行列[M]が既知であれば、推定したモードベクトルとの三重積の対角項からモード質量m、mを算出することができる。ここで、1次、2次モードのモード・パラメータは既知であるから、この実施形態の最適化演算部53は、数式40により3次、4次モード質量のみ求めている。

Figure 2017044673
これによりm、mが決定されるので、最適化演算部53が演算する数式27の最適化問題における未知数を3個から2個に減らすことができる。したがって、この実施形態の振動測定装置によれば、計算時間の削減や、計算精度の向上を図ることができる。 (Third embodiment)
Since the stiffness matrix and the damping matrix are affected by the joining state between the degrees of freedom of the structure O, it is generally difficult to specify analytically. On the other hand, it is relatively easy to obtain the value of the mass matrix directly from the configuration. That is, it is possible to determine the mass matrix before fitting the curve. If the mass matrix [M] is known, the mode masses m 3 and m 4 can be calculated from the diagonal term of the triple product with the estimated mode vector. Here, since the mode parameters of the first and second modes are known, the optimization calculation unit 53 of this embodiment obtains only the third and fourth mode masses using the equation 40.
Figure 2017044673
As a result, m 3 and m 4 are determined, so the number of unknowns in the optimization problem of Equation 27 calculated by the optimization calculation unit 53 can be reduced from three to two. Therefore, according to the vibration measuring apparatus of this embodiment, the calculation time can be reduced and the calculation accuracy can be improved.

なお、第2の実施形態における数式38および数式39の演算について適用することもできる。すなわち、第2の実施形態において、最適化演算部53が、3次、4次モード質量のみ先行して算出し、次いで数式38および数式39の演算を行ってもよい。   It should be noted that the present invention can also be applied to the calculations of Formula 38 and Formula 39 in the second embodiment. That is, in the second embodiment, the optimization calculation unit 53 may calculate only the third-order and fourth-order mode masses in advance, and then perform the calculations of Expressions 38 and 39.

(第4実施形態)
数式26のモード加速度に替えてモード変位を考えると、数式41にように書き表すことができる。

Figure 2017044673
ここで、Ω=0とおくと、数式42が得られる。
Figure 2017044673
これは、伝達関数としてコンプライアンスの周波数軸切片の値からモード剛性kが計算できることを意味している。 (Fourth embodiment)
When the mode displacement is considered instead of the mode acceleration of Expression 26, it can be expressed as Expression 41.
Figure 2017044673
Here, when Ω = 0, Formula 42 is obtained.
Figure 2017044673
This means that the mode stiffness k 3 can be calculated from the value of the compliance frequency axis intercept as a transfer function.

図8は、3次および4次モード応答を、コンプライアンスで表記したものである。図中のP3およびP4の値からモード剛性k、kを求めると、数式43および数式44のようになり、これは表2に示す値をほぼ等しくなることがわかる。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
ただし、コンプライアンスを測定すると0Hz近傍でノイズの影響を受けやすいので、実際には低周波領域でノイズの少ない平滑な領域を補外して0Hzの値を推定することになる。 FIG. 8 shows the third-order and fourth-order mode responses in compliance. When the mode stiffnesses k 3 and k 4 are obtained from the values of P3 and P4 in the figure, they are as shown in Equation 43 and Equation 44, and it can be seen that the values shown in Table 2 are substantially equal.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
However, since the measurement of compliance is likely to be affected by noise in the vicinity of 0 Hz, the value of 0 Hz is estimated by extrapolating a smooth region with low noise in the low frequency region.

これによりk、kが決定されるので、最適化演算部53が演算する数式27の最適化問題における未知数を3個から2個に減らすことができる。したがって、計算時間の削減や計算精度の向上を図ることができる。 As a result, k 3 and k 4 are determined, so the number of unknowns in the optimization problem of Equation 27 calculated by the optimization calculation unit 53 can be reduced from three to two. Therefore, calculation time can be reduced and calculation accuracy can be improved.

なお、第2の実施形態における数式38および数式39の演算について適用することもできる。すなわち、第2の実施形態において、最適化演算部53が、3次、4次モード剛性のみ先行して算出し、次いで数式38および数式39の演算を行ってもよい。   It should be noted that the present invention can also be applied to the calculations of Formula 38 and Formula 39 in the second embodiment. That is, in the second embodiment, the optimization calculation unit 53 may calculate only the third-order and fourth-order mode stiffnesses in advance, and then perform the calculations of Expressions 38 and 39.

(第5実施形態)
第1実施形態では特性行列として数式33ないし35に示すような値が得られた。ここで、数式34の減衰行列と数式35の剛性行列を詳細に見ると、真の値である数式15の行列では0となるべき成分(1行3列、3行1列、2行4列、4行2列、3行4列、4行3列)の値について、微小ではあるものの誤差が生じている。直接接続されていない自由度の間(自由度x1と自由度x3、自由度x2と自由度x4、自由度x3と自由度x4)では相互に連成が生じないから、連成が生じない上記の成分は、構造物Oの接続構成から特定が可能である。そこで、数式35の剛性行列で連成が生じない成分を0に設定する。すなわち、この実施形態では行列演算部54は、数式45を演算する。

Figure 2017044673
(Fifth embodiment)
In the first embodiment, values as shown in Equations 33 to 35 are obtained as the characteristic matrix. Here, when the attenuation matrix of Equation 34 and the stiffness matrix of Equation 35 are viewed in detail, the component (1 row 3 column, 3 row 1 column, 2 row 4 column) that should be 0 in the matrix of Equation 15 that is the true value. (4 rows, 2 columns, 3 rows, 4 columns, 4 rows, 3 columns) values are small but have errors. Since there is no coupling between the degrees of freedom that are not directly connected (degrees of freedom x1 and degrees of freedom x3, degrees of freedom x2 and degrees of freedom x4, degrees of freedom x3 and degrees of freedom x4), there is no coupling. These components can be specified from the connection configuration of the structure O. Therefore, the component that does not cause coupling in the stiffness matrix of Equation 35 is set to zero. That is, in this embodiment, the matrix calculation unit 54 calculates the mathematical formula 45.
Figure 2017044673

数式33と数式45を用いて数式2の固有値問題を解くと、モード行列として数式46が得られる。

Figure 2017044673
When the eigenvalue problem of Equation 2 is solved using Equation 33 and Equation 45, Equation 46 is obtained as a mode matrix.
Figure 2017044673

グラム・シュミットの方法では、数式9に見るように初期ベクトルが必要であり、初期ベクトルが真のベクトルに近似しているほど精度が高まる。そこで、数式45で得られた固有振動モードベクトルを初期値として直交化式である数式9に代入してモード行列の改良をはかると、減衰行列、剛性行列はそれぞれ数式47および数式48のように表される。

Figure 2017044673
Figure 2017044673
すなわち、非連成項の値が0に近付き精度の改善が見られた。必要に応じて行列演算部54がこの操作を繰り返せば減衰行列[C]、剛性行列[K]を真の値に漸近させることができる。これにより計算精度のさらなる向上がはかられる。 The Gram-Schmidt method requires an initial vector as seen in Equation 9, and the accuracy increases as the initial vector approximates a true vector. Therefore, when the natural vibration mode vector obtained in Equation 45 is substituted into Equation 9 which is an orthogonalization equation as an initial value to improve the mode matrix, the damping matrix and the stiffness matrix are expressed by Equation 47 and Equation 48, respectively. expressed.
Figure 2017044673
Figure 2017044673
That is, the value of the uncoupled term approached zero, and the accuracy was improved. If the matrix calculation unit 54 repeats this operation as necessary, the attenuation matrix [C] and the stiffness matrix [K] can be made asymptotic to true values. As a result, the calculation accuracy can be further improved.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…振動測定装置、10…インパルスハンマー、15…ロードセル、21〜24…加速度ピックアップ、30…信号ケーブル、40…FFTアナライザ、50…演算部、51…低次モード演算部、52…高次ベクトル演算部、53…最適化演算部、54…行列演算部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibration measuring apparatus, 10 ... Impulse hammer, 15 ... Load cell, 21-24 ... Accelerometer, 30 ... Signal cable, 40 ... FFT analyzer, 50 ... Calculation part, 51 ... Low-order mode calculation part, 52 ... High-order vector Calculation unit, 53 ... optimization calculation unit, 54 ... matrix calculation unit.

Claims (6)

測定対象物の加振点への加振力を示す加振力信号および前記加振力により生じた前記測定対象物の測定点での加速度を示す加速度信号に基づいて、所定の周波数帯域における前記測定対象物の伝達関数を算出する高速フーリエ変換部と、
前記伝達関数に基づいて、前記周波数帯域における前記測定対象物のモード・パラメータを算出する低次モード演算部と、
前記周波数帯域における前記モード・パラメータに基づいて、前記周波数帯域外の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルを推定する高次モードベクトル推定部と、
前記固有振動モードベクトルに基づいて前記周波数帯域外における前記測定対象物のモード・パラメータを算出し、該算出したモード・パラメータを用いて表した第1の高次モード加速度応答、および、前記測定対象物の伝達関数における加速度応答と前記高次モードベクトル推定部が推定した前記周波数帯域外の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルとを乗算して得た第2の高次モード加速度応答の差を、前記周波数帯域において最小とする演算を行う最適化演算部と
を具備する振動測定装置。
Based on the excitation force signal indicating the excitation force to the excitation point of the measurement object and the acceleration signal indicating the acceleration at the measurement point of the measurement object generated by the excitation force, in the predetermined frequency band A fast Fourier transform unit for calculating the transfer function of the measurement object;
Based on the transfer function, a low-order mode calculation unit that calculates a mode parameter of the measurement object in the frequency band;
A higher-order mode vector estimation unit that estimates a natural vibration mode vector corresponding to a natural frequency outside the frequency band based on the mode parameter in the frequency band;
A mode parameter of the measurement object outside the frequency band is calculated based on the natural vibration mode vector, a first higher-order mode acceleration response expressed using the calculated mode parameter, and the measurement object The difference between the acceleration response in the transfer function of the object and the second higher-order mode acceleration response obtained by multiplying the natural vibration mode vector corresponding to the natural frequency outside the frequency band estimated by the higher-order mode vector estimation unit A vibration measurement device comprising an optimization calculation unit that performs a calculation for minimizing the frequency band in the frequency band.
前記高次モードベクトル推定部は、前記周波数帯域における前記モード・パラメータのうち、前記周波数帯域の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルとの直交化式を用いて前記周波数帯域外の固有振動数に対応する固有振動モードベクトルを推定することを特徴とする請求項1記載の振動測定装置。   The higher-order mode vector estimator uses, among the mode parameters in the frequency band, a natural frequency outside the frequency band by using an orthogonal expression with a natural vibration mode vector corresponding to the natural frequency in the frequency band. The vibration measurement apparatus according to claim 1, wherein a natural vibration mode vector corresponding to is estimated. 前記最適化演算部は、前記第1の高次モード加速度応答および前記第2の高次モード加速度応答それぞれの実数部の最小化と虚数部の最小化とを個別に最小化することを特徴とする請求項1または2に記載の振動測定装置。   The optimization arithmetic unit individually minimizes real part minimization and imaginary part minimization of the first higher-order mode acceleration response and the second higher-order mode acceleration response, respectively. The vibration measuring device according to claim 1 or 2. 前記最適化演算部は、前記最小とする演算に先立ち、前記周波数帯域外のモード質量を算出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の振動測定装置。   4. The vibration measuring apparatus according to claim 1, wherein the optimization calculation unit calculates a mode mass outside the frequency band prior to the calculation to be minimized. 5. 前記周波数帯域および前記周波数帯域外における前記測定対象物のモード・パラメータに基づいて、前記周波数帯域および前記周波数帯域外における前記測定対象物の特性行列を算出する行列演算部をさらに備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動測定装置。   Further comprising a matrix calculation unit for calculating a characteristic matrix of the measurement object outside the frequency band and the frequency band based on mode parameters of the measurement object outside the frequency band and the frequency band. The vibration measuring device according to any one of claims 1 to 4. 前記行列演算部は、前記測定対象物のモード・パラメータのうち、剛性行列で連成が生じない成分を0として演算することを特徴とする請求項5に記載の振動測定装置。   The vibration measurement apparatus according to claim 5, wherein the matrix calculation unit calculates, as 0, a component that does not cause coupling in the stiffness matrix among the mode parameters of the measurement object.
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