JPH03218421A - 振動モード測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 本発明は、構造物の振動を測定し、測定結果に基づき振
動モードを表示する振動モード測定装置に関する。

〔従来の技術〕

振動トラブルや製品開発時における動特性の改善をする
場合、対象（振動源）がどのような動きで振動している
か、即ち、振動モードを把握することが重要である。こ
のような事から実験モード解析と呼ばれる手法が広く普
及し、振動モード測定に用いられている。

実験モード解析では加振試験により伝達関数を測定する
。なお、伝達関数は加振力に対する応答の比を周波数領
域で表わしたものである。振動モードを表示するために
は、この伝達関数を対象物の形状がわかる点数だけ測定
する。実験モード解析手法を用いる測定システムでは、
加振方と応答の２チャンネルの信号処理により１点ずつ
の伝達関数を測定する。この伝達関数から、固有振動数
、減衰比、振幅（モードシェイブ）、位相のモードパラ
メータをカーブフィットで同定する。

振動モードは、振幅，位相情報をもとに各測定点の座標
に対応させて表示させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の実験モード解析手法を用いた振動
モードの測定においては、 （１）２チャンネルの信号処理による測定を一点ずつ行
い、測定した伝達関数を外部記憶装置（ＦＤＤ，　ＨＤ
Ｄ）へ記録する。

（２）カーブフィット処理は数学的に厳密的なパラメー
タを求めるため、処理が複数となる。

以上のことから試験，解析に時間がかかり、即座に振動
モードを表示できないという不具合があった。実験モー
ド解析では振動モードの表示だけではなく、同定したモ
ードパラメータを用いて、構造変更予測や振動応答の予
測を行うことができるが振動モードを確認するだけで十
分な上記対応がとれる場合や早急に振動モードを確認し
なければならないケースが多い。そこで、本発明の目的
は、上述の点に鑑みて、解析処理時間を短縮することが
できる振動モード測定装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明は、振動源の
振動を検知する振動計と、該振動計の検知出力の信号波
形をスペクトルに変換する変換手段と、当該変換された
スペクトルの振幅および位相に基づいて、前記振動源の
振動モードを算出する演算手段と、当該算出された振動
モードを可視出力する出力手段とを備えたことを特徴と
する。

また、前記振動計は、前記振動源の複数箇所に設けられ
、前記変換手段は当該複数箇所の中の基準箇所の検知出
力を基準として当該複数箇所のスペクトルの位相を算出
することを特徴とする。

さらに、本発明は前記変換されたスペクトルの振幅の最
大値を検出する検出手段と、当該検出された振幅の最大
値と対応の前記スペクトル中の周波数を、前記振動源の
固有振動数として前記出力手段に情報送信する固有振動
数検出手段とをさらに具えたことを特徴とする。

〔作　用〕

本発明は、振動源の振動モードと、振動計の検知出力に
おける信号波形のスペクトラムに関連が有ることを発見
し、このスベクトラムの振幅および位相に基づいて振動
モードを算出する。このため、スベクトラム変換処理よ
りも信号処理が複雑なカーブフィット処理で行う従来装
置に比べて信号処理時間が大幅に短縮される。

また、振動源の複数箇所に振動計を設置した場合は特定
箇所の振動計の検知出力を基準として他の箇所の相対的
位相を算出するので、同時測定結果からただちに振動源
の各箇所の位相が得られ、信号処理時間がさらに短縮化
される。また、振動の伝達関数にスペクトルを用いるこ
とによって、スペクトルの最大振幅を検出することによ
り振動モードの算出処理と並行して固有振動数の算出が
可能であり、振動源の解析処理の短縮化に寄与すること
かできる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第２図は本発明実施例の振動モード測定の処理手順を示
す。

第２図において、加振試験で振動センサにより電気信号
に変換された出力信号から振動スペクトルの振幅と、あ
る基準振動に対する位相（クロススペクトルの位相）を
読み取る。なお、読み取るポイント（周波数）は任意に
設定することができる。

固有モードや稼動時の周期的な振動モードの解析は上記
の手順を用いるが、衝突現象などの過渡的な振動では、
振動波形をそのまま、測定座標に対応させてアニメーシ
ョン（図形表示）化する（第３図参照）。

一般的に多点での振動計測を行う場合には、振動ビック
アップ（振動検出素子）として、加速度センサや速度セ
ンサを用いる為に実際の被測定部材の変位の動きとセン
サ出力とは相関関係はあるが、直接は対応しない。そこ
で、被測定部材の振動を加速度や速度で測定した場合に
は、測定結果を変位に変換して表示する。一般的には積
分器を入れることで上記センサの出力波形そのものを変
位に変換することができる。

加速度の場合は２回積分しなければならないことや加速
度センサでは、低周波数の感度が悪いために変位に変換
することが困難となる。この為加速度波形などを第４図
に示すように、一度スペクトルに変換して、このスペク
トルの段階で必要な周波数帯域の設定や変位への変換を
行い、逆フーリエ変換により変位波形に変換させる。本
実施例では振動計１により測定された構造物の振動を、
振動モードで把握するために、構造物全体の形状が判る
点数すべてだけ振動計１を設置しても同時測定を実行す
ることができる。

ある特定の回転数で運転する回転機械などに本実施例を
適用するとある周波数成分のスペクトルが発生するので
、振動計で測定した振動波形はスペクトルに変換するこ
とが可能となる。さらにこのスペクトルの大きさを調べ
ることで、構造物の各点の振動の大きさが判明する。な
お、振動モードを表示するためには、振動の大きさだけ
ではなく、振動の位相が必要となる。

加振試験に本実施例を適用する場合は加振力が基準とな
り、被測定物の各点の振動の位相を調べることになるが
、運転中の振動モードでは、加振力がないために、測定
対象の構造物のある１点の振動測定箇所を基準として、
この振動波形を基準とした位相を検出する。このような
相対的な位相を測定するために、基準点の基準振動のス
ペクトルと他の点の振動のスペクトルのクロススペクト
ルを計算する。このクロススペクトルの位相（実部と虚
部の角度）が基準点との相対的な位相となる。

このようにして、測定した振動波形から、各点のスペク
トルの振幅と位相を抽出する。この振幅と位相を構造物
の座標に対応して表示することで機械構造物の運転中の
スペクトル成分の振動モードを表示することができるわ
けである。

加振試験での固有モード（固有振動数の振動モード）を
測定する場合、打撃試験やランダム加振，スイーブ加振
等により、ある周波数帯域全体にわたって一様な力で加
振させる。それによって発生する振動は、構造物の固有
振動数であるために、この振動をフーリエ変換して、ス
ペクトルに変換したときに、振幅のピークとなるところ
が固有振動数となる。この為、このピークを上記と同じ
ように読みとることで固有モードを表示することができ
る（第５図（Ａ）　．　（Ｂ）参照）。

アナログの振動波形をスペクトルに変換する場合には、
ＡＤ変換により振動波形をデジタルに離散化し、このデ
ータをもとにＦＦＴ手法によりスペクトルに変換する。

ＦＦＴ手法は高速にフーリエ変換することができるが、
離散化したデータを用いるために、周波数分解能が一定
となる。この場合、加娠試験において伝達関数を測定す
ると固有振動数に近いところでは位相の変化が激しいた
めに、第５図（Ｂ）に示すようにデータが飛ぶような形
でしか測定できない。第５図（Ｃ）に示すようなナイキ
スト線図で見ることにより伝達関数は円に近い形となる
ので、位相を判別することが容易となる。

第６図は本発明実施例の振動モード測定装置のシステム
構成を示す。

本例では ・加振試験（ハンマリングテスト）で測定される系の固
有モードの表示 ・稼動中（周期的）における系の振動モードの表ホ ・過渡現象などの系の振動モードの表示を行うことを目
的としている。リアルタイムに振動モードを処理する場
合には、従来例で説明した２チャンネルの信号処理では
対応できない。このため、本実施例では多点同時計測を
前提としている。また、本実施例のシステムでは３２チ
ャンネルのアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器，高速フ
ーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサ（変換手段），８〜１
６ＭＢ（メガバイト）メモリ，３２ビットのＣＰυ　（
演算手段，検出手段．固有振動数検出手段）およびディ
スプレイ装置（出力手段）を備え、オペレーションシス
テム（ＯＳ）にはリアルタイム，マルチタスクが可能な
ユニックス系のアイドリス（ｉｄｒｉｓ）を採用したこ
とで、測定中の解析処理を可能とした。

このシステムにおける回路構成を第１図に示す。

第１図において、構造物等に取り付けた振動計１からの
振動波形はアンチェリアジグフィルター２により分析周
波数より高い周波数がカットされる。カットされた波形
をＡＤ変換装置３によりデジタルデータに変換する。Ａ
／Ｄ変換されたデータはメモリ４に記録され、このデー
タをＦＦＴ処理装置５により、フーリエ変換する。ＦＦ
Ｔ処理装１ｉ５はチャンネル（ｃｈ）　１のスペクトル
と他のスペクトルとのクロススペクトルを計算して、ｃ
ｈ．ｌと他のチャンネルの位相を計算する。

更に、ＦＦＴ処理装置５はスペクトルデータからピーク
値の振幅とその位相を読み出し、振動モードグラフィッ
ク処理装置（３２ビット（：ＰＵ）　６に各測定点のス
ペクトルの振幅，位相を入力する。グラフィック処理装
置６では、第４図示の変換手法に基き、振動モードを算
出する。この後、デスプレー装置７に算出の振動モード
が表示されろ。

なお、振動計を取りつけた座標と測定チャンネルの対応
などはあらかじめメモリに入力しておくものとする。

なお、スペクトルに最大振幅を検出し、固有振動数を求
めるためのＣＰＵの制御手順自体は衆知の手順を用いる
ことができるので、本実施例においては詳細な説明を省
略する。

このように振動データの同時測定を行ってその測定デー
タを用いることにより振動源の振動モードならびに固有
振動数をも並行して算出でき、単に測定および解析時間
の短縮だけでなく、同時性による測定精度の向上を図る
ことができる・また、従来例で行っていたカーブフィッ
ト処理に対して、本実施例では正確なモードパラメータ
を推定するのではなく、スペクトルの実数部，虚数部を
直接読み取ることにより、上述したスペクトルの振幅と
、ある基準振動に対する位相（クロススペクトルの位相
）を読み取る。

第７図に本発明実施例のシステムの処理フローを示す。

処理内容としては入力信号の設定部，信号処理部，座標
データ等の編集，アニメーション処理部で構成されてい
る。これらの操作はソフトキーによる操作となっており
、誰もが簡単に扱うことができる。

各チャンネルの測定データをアニメーション座標に対応
させるために、コネクションテーブル（信号入力チャン
ネルと座標と方向を対比させるためのデータを格納する
テーブル）の作成機能やある座標の動きを別の座標の動
きと同じにするためのコンストレイントテーブルの作成
機能が本システムには備わっている。

また、第８図に測定チャンネルと座標点の表示例を示す
。アニメーションの機能としては、スペクトルや過度応
答のアニメーションをさせながらの視点位置の変更（座
標の回転，移動）やアニメーション速度の変更を行うこ
とができる。

アニメーションはディスプレイ上での表示の他にプリン
タ上にハードコピーができる。振動波形、スペクトルな
どの測定データはハードディスク（ＨＤ）やフロッピー
ディスク（ＦＤ）に保存が可能であり、またＧＰＩＢ　
（ジェネラルパーボスインタフェースバス）を介して上
位コンピュータにも転送することができる。

第９図（Ａ）　，　（Ｂ）　．　（Ｃ）に電動機コアの
運動中の振動計測結果、振動スベクトラムの測定（計算
）結果および振動モードの表示の対応関係を模式的に示
す。

また、第１０図（Ａ）　．　（Ｂ）　．　（Ｃ）に電動
機コアの打撃試験時の振動，振動スペクトラム，振動モ
ード（固有モード）の対応関係を示す。本例の場合、運
転中に発生した振動は加振試験で測定した８１０Ｈｚの
振動モードと一致しており、電磁気的な励振力ニヨるコ
アの共振であることが判明したりまた、本実施例のシス
テムでは、 （１）振動の同時測定や従来のカーブフィット処理にか
わるスペクトル読取り法の採用により振動モード表示ま
での処理時間のオーダは従来の数時間から数秒となった
。

（２）処理機能の簡略化によりＦＦＴアナライザと同等
の簡単な操作により振動モードの測定が可能となった。

（３）さらに、固有振動数の振動モードの他に運転時に
おける各振動数をキーボードから入力し、ＣＰＵにより
振動モードを算出することにより、各振動数での振動モ
ードや振動源の過渡現象の動きの表示が行える。

という利点がある。

〔発明の効果〕

以上、説明したように本発明では、振動計の検知出力の
信号波形をスベクトラム変換することにより振動モード
を算出するので、信号処理を迅速に行うことが可能とな
るのみらなず、振動源の固有振動数を検出し、固有振動
数における振動モードや運転時の各振動数における振動
源の振動モードの表示が可能である。また、振動モード
の過渡現象の動きを表示することも容易であるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の回路構成を示すプロック図、 第２図は本発明実施例の直接読取り法によるアニメーシ
ョンを示す説明図、 第３図は本発明実施例の過渡応答アニメーション手法を
示す説明図、 第４図は本発明実施例の変位波形への変換手法を示す説
明図、 第５図（Ａ）　．　（Ｂ）　，　（Ｃ）は本発明実施例
のＦＦＴ処理でのスペクトルデータの相互の関連を示す
説明図、 第６図は本発明実施例のシステム構成を示す斜視図、 第７図は本発明実施例の実行する処理手順を示すフロー
チャート、 第８図は本発明実施例の測定チャンネルと座標点の対応
例を示す説明図、 第９図（Ａ）　．　（Ｂ）　，　（Ｃ）および第１０図
（Ａ）　．　（Ｂ）　．　（Ｃ）は本発明実施例の計測
結果と表示の対応関係を示す説明図である。 １０・・・ハードディスク、 １１・・・データプロセッサ、 ｌ２・・・ディスプレイ、 ｌ３・・・フロッピーディスク、 １４・・・シグナルプロセッサ、 ｌ５・・・キーボード。 ｃ　ｈ−１ ２ ３ ４ ５−．−　Ｎ 第 １ 図 第 ３ 図 フーリエ亥Ｊ史 土Ｌフーソエ炎Ｊ央 ，Ｉｔ？　Ｂ　Ｅナ］社１列の丈位３夫形の虞Ｊ央子５
未とホＪ言尤Ｂ月凶第４図 才ｑ亡１月亥−Ｊｔ｛列のシステム１１バ七ｌｌｊ＋見
の第６図 第 ８ 図 第 ９ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）振動源の振動を検知する振動計と、 該振動計の検知出力の信号波形をスペクトルに変換する
   変換手段と、 当該変換されたスペクトルの振幅および位相に基づいて
   、前記振動源の振動モードを算出する演算手段と、 当該算出された振動モードを可視出力する出力手段とを
   備えたことを特徴とする振動モード測定装置。 ２）前記振動計は、前記振動源の複数箇所に設けられ、
   前記変換手段は当該複数箇所の中の基準箇所の検知出力
   を基準として当該複数箇所のスペクトルの位相を算出す
   ることを特徴とする請求項１に記載の振動モード測定装
   置。 ３）前記変換されたスペクトルの振幅の最大値を検出す
   る検出手段と、当該検出された振幅の最大値と対応の前
   記スペクトル中の周波数を、前記振動源の固有振動数と
   して前記出力手段に情報送信する固有振動数検出手段と
   をさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の振動
   モード測定装置。