JP3138717U - 共振周波数検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】短時間で試験体の共振周波数を求める。
【解決手段】周波数の異なる加振波形を重畳した重畳波形を生成する重畳波形生成手段12と、試験体1に対し重畳波形生成手段12で生成された重畳波形に対応した加振力を負荷する負荷手段3,13と、負荷手段により加振力が作用する加振点P1における加速度a1を検出する第1の加速度検出手段5と、試験体1の共振点P2における加速度a2を検出する第2の加速度検出手段6と、負荷手段により加振力を負荷した際の周波数毎における第1の加速度検出手段5により検出された加速度a1の振幅と第2の加速度検出手段6により検出された加速度6の振幅の比αを算出する振幅比算出手段14とを備える。
【選択図】図5
【解決手段】周波数の異なる加振波形を重畳した重畳波形を生成する重畳波形生成手段12と、試験体1に対し重畳波形生成手段12で生成された重畳波形に対応した加振力を負荷する負荷手段3,13と、負荷手段により加振力が作用する加振点P1における加速度a1を検出する第1の加速度検出手段5と、試験体1の共振点P2における加速度a2を検出する第2の加速度検出手段6と、負荷手段により加振力を負荷した際の周波数毎における第1の加速度検出手段5により検出された加速度a1の振幅と第2の加速度検出手段6により検出された加速度6の振幅の比αを算出する振幅比算出手段14とを備える。
【選択図】図5
Description
本考案は、試験体の共振周波数を検出する共振周波数検出装置に関する。
従来より、時間経過に伴い周波数が変化するようなスイープ波形によって試験体をスイープ加振し、その際の試験体の振動をセンサで検出して共振周波数を求めるようにした装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、加振信号を低周波数から高周波数までスイープするのには比較的長い時間がかかるため、共振周波数を短時間で求めることはできなかった。
本考案による共振周波数検出装置は、周波数の異なる加振波形を重畳した重畳波形を生成する重畳波形生成手段と、試験体に対し重畳波形生成手段で生成された重畳波形に対応した加振力を負荷する負荷手段と、負荷手段により加振力が作用する加振点における加速度を検出する第1の加速度検出手段と、試験体の共振点における加速度を検出する第2の加速度検出手段と、負荷手段により加振力を負荷した際の周波数毎における第1の加速度検出手段により検出された加速度の振幅と第2の加速度検出手段により検出された加速度の振幅の比(振幅比)を算出する振幅比算出手段とを備えることを特徴とする。
周波数の異なる加振波形の位相をランダムにずらして重畳して重畳波形を生成することが好ましい。
加振波形の位相をランダムにずらして異なる重畳波形を複数個生成し、負荷手段によりそれぞれ各重畳波形に対応した加振力を負荷した際の周波数毎の振幅比の平均値を算出することもできる。
負荷検出手段により加振力を負荷した際の加振点の変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段で検出された変位を加振点における加速度に変換する変換手段とにより上記第1の加速度検出手段を構成してもよい。
加振波形を、加速度振幅を一定とした加速度波形とし、加振点における加速度振幅と変位振幅と周波数との関係に基づき、加速度振幅が一定となるように加速度波形を変位波形に変換して重畳波形を生成し、変位検出手段により検出された変位がこの重畳波形の変位に一致するように加振力を負荷してもよい。
周波数に応じて目標変位の補正係数を設定する係数設定手段をさらに有し、係数設定手段で設定された補正係数により変位波形を補正して重畳波形を生成することもできる。この場合、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償するように予め算出された係数を補正係数とすればよい。
周波数の異なる加振波形の位相をランダムにずらして重畳して重畳波形を生成することが好ましい。
加振波形の位相をランダムにずらして異なる重畳波形を複数個生成し、負荷手段によりそれぞれ各重畳波形に対応した加振力を負荷した際の周波数毎の振幅比の平均値を算出することもできる。
負荷検出手段により加振力を負荷した際の加振点の変位を検出する変位検出手段と、変位検出手段で検出された変位を加振点における加速度に変換する変換手段とにより上記第1の加速度検出手段を構成してもよい。
加振波形を、加速度振幅を一定とした加速度波形とし、加振点における加速度振幅と変位振幅と周波数との関係に基づき、加速度振幅が一定となるように加速度波形を変位波形に変換して重畳波形を生成し、変位検出手段により検出された変位がこの重畳波形の変位に一致するように加振力を負荷してもよい。
周波数に応じて目標変位の補正係数を設定する係数設定手段をさらに有し、係数設定手段で設定された補正係数により変位波形を補正して重畳波形を生成することもできる。この場合、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償するように予め算出された係数を補正係数とすればよい。
本考案によれば、周波数の異なる加振波形を重畳した重畳波形を試験体に負荷するので、短時間で共振周波数を求めることができる。
以下、図1〜図9を参照して本考案による共振周波数検出装置の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態に係る共振周波数検出装置の概略構成を示す図である。試験体1には加振点P1を介してアクチュエータ2により加振力が負荷され、この加振力の負荷によって共振点P2における共振周波数を検出する。アクチュエータ2は例えば高周波数で駆動可能な油圧シリンダであり、コントローラ10(図5)からサーボバルブ3へ出力される制御信号によりアクチュエータ2の駆動が制御される。なお、アクチュエータ2を電磁力により駆動する電磁アクチュエータとして構成することもできる。アクチュエータ2の変位は変位計4により検出される。
図1は、本実施の形態に係る共振周波数検出装置の概略構成を示す図である。試験体1には加振点P1を介してアクチュエータ2により加振力が負荷され、この加振力の負荷によって共振点P2における共振周波数を検出する。アクチュエータ2は例えば高周波数で駆動可能な油圧シリンダであり、コントローラ10(図5)からサーボバルブ3へ出力される制御信号によりアクチュエータ2の駆動が制御される。なお、アクチュエータ2を電磁力により駆動する電磁アクチュエータとして構成することもできる。アクチュエータ2の変位は変位計4により検出される。
試験体1の加振点P1の近傍には加速度計5が装着され、共振点P2には加速度計6が装着されている。加速度計5により加振点P1の加速度a1が検出され、加速度計6により共振点P2の加速度a2が検出される。ここで、図2に示すような加速度波形の振幅(加速度振幅)が一定で、かつ、低周波数から高周波数にかけて所定の割合で周波数が増加するスイープ波形による加振力を加振点P1に負荷する場合について説明する。
図3は、図2のスイープ波形による加振力を加振点P1から負荷した際の加速度計5,6の検出値(加速度振幅|a1|,|a2|)を示している。加速度計5で検出された加速度振幅|a1|は一定であるのに対し、加速度計6で検出された加速度振幅|a2|は周波数faでピーク値を示している。この加速度振幅がピーク値を示す周波数faが共振周波数(固有振動数)である。
このようにスイープ波形による加振力を負荷すれば、試験体1の共振点P1における共振周波数faを求めることができる。しかし、スイープ波形による加振力を負荷する場合、比較的長い時間がかかる。例えば、1Hz〜100Hzまで0.25Hz毎に周波数を増加させる場合、各周波数毎に1波形分の加振信号を与えたとしても約20秒かかる。実際には、周波数が変化してもすぐに加速度振幅は一定にならず、加速度振幅が一定になるのには時間がかかるため、各周波数毎に1波形分ではなく数波形分の加振信号を与える必要があり、20秒の数倍の時間がかかる。
一方、図4に示すように1波形の中で周波数を変化させたスイープ波形とすれば、試験時間の短縮を図ることができるが、この場合には共振周波数faを明瞭に判別することができない。そこで、本実施の形態では、以下のように周波数の異なる複数の波形を重畳し、この重畳波形による加振力を試験体1に負荷し、共振周波数faを求める。
図5は、本実施の形態に係る共振周波数検出装置の構成を示すブロック図である。コントローラ10は、CPU,ROM,RAM,その他の周辺回路を含んで構成される。コントローラ10には、条件設定部11、加速度波形生成部12、アクチュエータ制御部13、振幅比算出部14、および出力部15が設けられる。
条件設定部11では、共振周波数faを求めるための加振試験の条件が設定される。この試験条件は、各種スイッチ等の操作部材16を介した指令によりユーザが任意に設定可能である。本実施の形態では、加速度振幅一定で周波数の異なる複数のサイン波形、例えば最小周波数f0から最大周波数f1まで所定の割合Δfで増加する周波数の波形を重畳し、重畳波形による加振力を負荷する。このため、試験条件としては、各波形の目標加速度振幅|a0|、最小周波数f0、最大周波数f1、周波数の増加の割合Δf、各波形の加速度振幅の平均値、重畳波形の長さ(加振時間t)等が入力される。
加速度波形生成部12では、加速度振幅が一定|a0|で、周波数の異なるサイン波形を重畳し、重畳波形を生成する。この際、図6に示すように乱数を用いて各周波数毎にサイン波形の始点の位相をランダムに変化させた後、各波形を重畳する。さらに、この処理を所定回数N(例えば3回)だけ繰り返し、N固の異なる重畳波形を生成する。なお、図6では、最小周波数f0を0.25Hz,最大周波数f1を100Hz、周波数増加の割合Δfを0.25Hz,加速度振幅|a|の平均値を0,加振時間tを4秒に設定している。このような重畳波形により目標加速度a0が設定される。
アクチュエータ制御部13では、操作部材16からの試験開始指令により、加速度波形生成部12で生成した3回分(計12秒分)の重畳波形の加振信号を順次サーババルブ3に負荷し、試験体1に加振力を負荷する。この際、加速度計5の検出値a1を読み込み、重畳波形による目標加速度a0と検出値a1の差(a0−a1)が0となるように加速度偏差に応じてサーボバルブ3を制御、すなわちフィードバック制御する。図7は、試験体1に重畳波形による加振力を負荷した際の加速度計5,6の検出値a1,a2の変化の一例を示す図である。
振幅比算出部14では、まず、図7の各加速度計5,6の検出値a1,a2をそれぞれフーリエ級数展開し、各周波数のサイン波成分に分解する。次いで、各周波数毎の加速度計5の振幅|a1|と加速度計6の振幅|a2|との比α(=|a2/a1|;振幅比)を算出する。これを各重畳波形毎に行い、3回分の振幅比αの平均を求める。図8は、共振周波数演算部14で算出した振幅比αの平均値を示す図である。周波数faで振幅比αが最大となっており、この周波数faが共振周波数である。
出力部15では、図8に示す周波数fと振幅比αとの関係を表示モニタ17に出力し、図8の関係を表示モニタ17に表示する。この際、振幅比αが最大となる周波数faの値も併せて表示モニタ17に表示する。これによりユーザは共振周波数faを把握できる。
本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)異なる周波数の加速度波形のサイン波を重畳して重畳波形を生成し、この重畳波形による加振力を試験体1に負荷するとともに、加振点P1と共振点P2における加速度計5,6の検出値a1,a2をフーリエ級数展開し、各周波数ごとの加速度計5,6の振幅の比αを算出するようにした。これにより低周波数から高周波数にかけてスイープ波形を負荷することなく、短時間で共振周波数faを求めることができる。また、試験体1に加振力を負荷する時間を短くできるので、試験体1に与えるダメージを軽減できる。
(1)異なる周波数の加速度波形のサイン波を重畳して重畳波形を生成し、この重畳波形による加振力を試験体1に負荷するとともに、加振点P1と共振点P2における加速度計5,6の検出値a1,a2をフーリエ級数展開し、各周波数ごとの加速度計5,6の振幅の比αを算出するようにした。これにより低周波数から高周波数にかけてスイープ波形を負荷することなく、短時間で共振周波数faを求めることができる。また、試験体1に加振力を負荷する時間を短くできるので、試験体1に与えるダメージを軽減できる。
(2)乱数を用いて各周波数のサイン波の始点の位相をランダムにずらして重畳波形を生成するので、試験体1に短時間で種々のパターンの加振力を負荷することができる。このため、フーリエ級数展開により各周波数のサイン波成分に細かく分解することができ、共振周波数faを良好に求めることができる。
(3)サイン波の始点の位相をランダムにずらした重畳波形を複数個生成し、これら重畳波形により試験体1に加振力を負荷した際の振幅比αの平均を算出して共振周波数faを求めるようにしたので、共振周波数faを精度よく求めることができる。
(3)サイン波の始点の位相をランダムにずらした重畳波形を複数個生成し、これら重畳波形により試験体1に加振力を負荷した際の振幅比αの平均を算出して共振周波数faを求めるようにしたので、共振周波数faを精度よく求めることができる。
なお、上記実施の形態では、加振点P1に加速度計を配置できないため、図1に示すように加振点P1の近傍に配置した加速度計5により加振点P1の加速度a1を検出するようにした。しかし、加速度計5を加振点P1の近傍に配置すると、加振点以外の部分振動を検出し、加速度検出値に誤差が生じ、共振周波数faを精度よく計測できないおそれがある。そこで、変位計4の検出値から加速度a1を求めるようにしてもよい。
この場合、加振点P1において試験体1に作用する加速度a1は、加振点P1の変位A,加振周波数fを用いて一般に次式(I)で表せる。
a=−(2πf)2Asin(2πft) (I)
上式(I)より、例えば振幅比算出部14において変位計4の検出値をAとして加速度a(a1)を求め、この加速度a1を用いて加速度a1,a2の振幅比αを算出するようにしてもよい。なお、この場合の変位検出手段としての変位計4の構成、および変換手段としての振幅比算出部14の構成はいかなるものでもよい。
a=−(2πf)2Asin(2πft) (I)
上式(I)より、例えば振幅比算出部14において変位計4の検出値をAとして加速度a(a1)を求め、この加速度a1を用いて加速度a1,a2の振幅比αを算出するようにしてもよい。なお、この場合の変位検出手段としての変位計4の構成、および変換手段としての振幅比算出部14の構成はいかなるものでもよい。
加速度波形生成部12では、加速度振幅一定の加速度波形を重畳して重畳波形を生成するようにしたが、加速度波形を変位振幅波形に変換し、変位波形を重畳して重畳波形を生成してもよい。この場合、上式(I)より変位Aは次式(II)で表せる。
A=−a/((2πf)2sin(2πft)) (II)
上式(II)の関係を用いて目標変位波形を算出するとともに、この目標変位波形を重畳して重畳波形を生成し、変位計4の検出値がこの重畳波形の変位に一致するように目標値と検出値の偏差に応じてサーボバルブ3を変位制御(フィードバック制御)するようにしてもよい。これにより試験体1に対し精度よく加速度振幅|a|を一定とした加振力を負荷することができ、共振周波数faを精度よく求めることができる。
A=−a/((2πf)2sin(2πft)) (II)
上式(II)の関係を用いて目標変位波形を算出するとともに、この目標変位波形を重畳して重畳波形を生成し、変位計4の検出値がこの重畳波形の変位に一致するように目標値と検出値の偏差に応じてサーボバルブ3を変位制御(フィードバック制御)するようにしてもよい。これにより試験体1に対し精度よく加速度振幅|a|を一定とした加振力を負荷することができ、共振周波数faを精度よく求めることができる。
ところで、上述したように変位波形を重畳して重畳波形を生成し、変位フィードバック制御により加振力を負荷する場合、周波数が高い領域ではフィードバック制御が追従できないおそれがある。例えばアクチュエータ2に加振力を負荷して目標変位振幅|A0|に対する実測変位振幅|A1|を検出し、周波数毎に目標変位振幅|A0|と実測変位振幅|A1|の比|A1/A0|(これを1/kfで表す)を求めると、図9に示すようになる。この図より、1/kfは周波数の増加に伴い徐々に減少し、実測値A1が目標値A0から乖離しており、共振周波数faを求める際に誤差の原因となる。
この点を考慮し、以下のように構成してもよい。すなわち、予めアクチュエータ2に加振力を負荷して目標変位振幅|A0|に対する実測変位振幅|A1|を検出し、図9の特性をコントローラ10に記憶する。加速度波形生成部12では、目標変位A0に1/kfの逆数を乗算して目標変位A0を補正するとともに、この補正後の目標変位A0’を重畳して重畳波形を生成する。アクチュエータ制御部13では、実測変位A1が重畳波形の変位に一致するようにサーボバルブ3をフィードバック制御する。これにより周波数の高い領域においても精度よく加速度振幅一定の加振力を負荷することができ、共振周波数faを精度よく求めることができる。この場合、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位A0と実変位A1との差分を補償するように予め補正係数として1/kfを設定するのであれば、係数設定手段の構成は如何なるものでもよい。
なお、上記実施の形態では、加速度波形生成部12で加速度振幅一定の加速度波形を重畳して重畳波形を生成するようにしたが、周波数の異なる加振波形を重畳するのであれば、重畳波形はこれに限らず、重畳波形生成手段の構成は上述したものに限らない。アクチュエータ制御部13からサーボバルブ3に制御信号を出力して、試験体1に対し重畳波形に対応した加振力を負荷するようにしたが、負荷手段はこれに限らない。加速度計5により加振点P1における加速度a1を検出し、加速度計により共振点P2における加速度a2を検出したが、第1の加速度検出手段と第2の加速度検出手段の構成はこれに限らない。上述したように変位計4を第1の加速度検出手段としてもよい。
加振点P1と共振点P2の周波数毎の加速度振幅の比αを算出するのであれば、振幅比算出手段としての振幅比算出部14の構成はいかなるものでもよい。上記実施の形態では、試験体1に対し1カ所から加振力を負荷するようにしたが、2カ所以上から加振力を負荷するようにしてもよい。すなわち、本考案の特徴、機能を実現できる限り、本考案は実施の形態の共振周波数検出装置に限定されない。
1 試験体
2 アクチュエータ
3 サーボバルブ
4 変位計
5,6 加速度計
10 コントローラ
12 加速度波形生成部
13 アクチュエータ制御部
14 振幅比算出部
2 アクチュエータ
3 サーボバルブ
4 変位計
5,6 加速度計
10 コントローラ
12 加速度波形生成部
13 アクチュエータ制御部
14 振幅比算出部
Claims (6)
- 周波数の異なる加振波形を重畳した重畳波形を生成する重畳波形生成手段と、
試験体に対し前記重畳波形生成手段で生成された重畳波形に対応した加振力を負荷する負荷手段と、
前記負荷手段により加振力が作用する加振点における加速度を検出する第1の加速度検出手段と、
前記試験体の共振点における加速度を検出する第2の加速度検出手段と、
前記負荷手段により加振力を負荷した際の周波数毎における前記第1の加速度検出手段により検出された加速度の振幅と前記第2の加速度検出手段により検出された加速度の振幅の比(振幅比)を算出する振幅比算出手段とを備えることを特徴とする共振周波数検出装置。 - 請求項1に記載の共振周波数検出装置において、
前記重畳波形生成手段は、周波数の異なる加振波形の位相をランダムにずらして重畳して重畳波形を生成することを特徴とする共振周波数検出装置。 - 請求項2に記載の共振周波数検出装置において、
前記重畳波形生成手段は、加振波形の位相をランダムにずらして異なる重畳波形を複数個生成し、
前記振幅比算出手段は、前記負荷手段によりそれぞれ各重畳波形に対応した加振力を負荷した際の周波数毎の振幅比の平均値を算出することを特徴とする共振周波数検出装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の共振周波数検出装置において、
前記第1の加速度検出手段は、
前記負荷検出手段により加振力を負荷した際の加振点の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段で検出された変位を加振点における加速度に変換する変換手段とを有することを特徴とする共振周波数検出装置。 - 請求項4に記載の共振周波数検出装置において、
前記加振波形は、加速度振幅を一定とした加速度波形であり、
前記重畳波形生成手段は、加振点における加速度振幅と変位振幅と周波数との関係に基づき、加速度振幅が一定となるように加速度波形を変位波形に変換して重畳波形を生成し、
前記負荷手段は、前記変位検出手段により検出された変位がこの重畳波形の変位に一致するように加振力を負荷することを特徴とする共振周波数検出装置。 - 請求項5に記載の共振周波数検出装置において、
周波数に応じて目標変位の補正係数を設定する係数設定手段をさらに有し、
前記補正係数は、加速度波形の周波数が高い領域での制御系の応答遅れに伴う目標変位と実変位との差分を補償するように予め算出された係数であり、
前記重畳波形生成手段は、前記係数設定手段で設定された補正係数により変位波形を補正して重畳波形を生成することを特徴とする共振周波数検出装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009222655A (ja) * | 2008-03-18 | 2009-10-01 | Shimadzu Corp | 材料試験機および材料試験方法 |
JP2011226913A (ja) * | 2010-04-20 | 2011-11-10 | Shimadzu Corp | 試験機 |
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