JPH10503592A - 物体の振動状態を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 モード解析による物体の振動状態を測定するための方法の場合には、物体が励振され、物体の光学的な干渉像が撮影される。数学的／物理的なモデルを基礎として、所定の個所の振動状態に関する干渉像が解析され、このようにして得られた、この個所の振動状態に関する情報がモード解析される。

Description

【発明の詳細な説明】 物体の振動状態を測定する方法 本発明は、モード解析によって物体の振動状態を測定する方法に関する。 モード解析の場合、物体の所定の個所での外部からの励振に対する物体の動的 な構造的反応が測定される。そのために、この個所に例えば加速度センサが取付 けられる。この加速度センサ（トランスデューサ）の出力信号は、少なくとも一 つの加速方向におけるそれぞれの個所の物体の加速度に関する情報を供給する。 その後で行われる算出方法は、それぞれの励振振動数についての物体の振動状態 を判定することができ、例えば振動系のモード的な特性量の測定を可能にする。 この特性量は、固有振動数、固有の形、普遍化された質量およびモード的な減衰 である。 複雑な物体の振動状態を測定するときには、多数の測定点に比較的に多数のセ ンサを設ける必要がある。センサとそれに所属する測定信号用伝送要素、すなわ ち電気導体自体が質量と剛性を有するので、これが振動状態を変更することにな る。これは、測定点を多く設ければ設けるほど、測定すべき物体が軽ければ軽い ほど大きくなる。従って、モード解析の使用分野には限界がある。 本発明の根底をなす課題は、物体の測定点の数を制限しないでモード解析を行 うことができる、冒頭に述べた種類の方法を提供することである。 本発明は、請求項１記載の特徴によってこの課題を解決する。 振動状態は干渉像によって光学的に測定される。この測定は物体自体に害を及 ぼさずに、特に何らかの測定値トランスデューサを用いないで行われる。 光学的な干渉像だけを発生し、この干渉像に基づいて所定の励振振動数の構造 体の振動の形と振幅を測定する方法と異なり、本発明では、干渉像が数学的／物 理的モデルのパラエータを適合させるための測定データとして役立つ。このモデ ルによって物体の特性が系として表される。このモデルは、時間不変の弾性機械 的な線形の多自由度系の動的な力のための公知の基礎方程式から導き出される。 この多自由度系には任意の外的力が作用し得る。不連続なＮ自由度のこの構造体 が、連結解除されたＮモードの自由度を有する連鎖振動ユニットによって表すこ とができることから出発する。 干渉像から検出された物体のいろいろな個所の振動と、励起された力との間の 伝達状態から、モード解析による評価によって、物体のモード特性量を少なくと も部分的に検出することができる。 本発明の具体的な実施はいろいろな形態で可能である。干渉像を得るために、 （コヒーレント）レーザー技術を用いると有利である。それによって、振幅がレ ーザーの波長の半分よりも大きい限り、振動を検出することができる。更に、モ アレ方法によって干渉像を得ることができる。 コヒーレントな光を使用する場合には、各々の干渉像自体をいろいろな方法で 得ることができる。例えば二重パルスまたは多重パルスホログラムの形をしたホ ログラムが有利である。このホログラムは評価のために適当に再構成可能である 。 ホログラムの代わりに、干渉像はホログラフィー干渉方法またはレーザードッ プラー振動方法によっても得ることができる。ホログラフィー干渉方法の場合に は、物体の（全体の）振動状態が所定の時点で光学的な干渉像の形で記録される 。レーザードップラー振動方法の場合には、物体の振動状態がその表面に速度分 布の形で記録される。この場合、速度の測定は単色レーザー光線の周波数移動を 介して行われる（ドップラー効果）。上記のすべての方法について、完成した像 処理プログラムが存在する。 本発明に範囲において、干渉像をストロボ照明および撮影することによって、 参照位相（例えば力または加速度）に関連して位相を異なる二つの振動状態で測 定することが重要である。数学的／物理的モデルは、この位相測定を用いて、振 幅、位相または実部分および虚部分を各々の像点に従属させ、個々の像点の振動 状態のための物理的なパラメータを完全に検出することを可能にする。 興味のある振動数範囲にわたって物体を詳細に検査するためには、本発明によ る方法を物体のいろいろな励振振動数のために適用する必要がある。互いに無関 係な不連続な振動数でもよいし、所定の同じ振動数差を有する振動数でもよい。 更に、物体のモード的な特性量を、モード解析を基礎として求めることができる 。更に、物体を統計学的に励振し、これに基づいて干渉像を発生することができ る。 この干渉像は上述のようにモード解析を基礎とすることができる。 モード解析は、物体の振動状態の実験的な検出を所定の方法で行う必要がある ので、（光学的に）検出された物体振動と外部の物体励振との間の伝達状態を測 定することができる。この伝達状態は例えば振動数の範囲において振動数経過曲 線の形で、時間範囲において時間的な減衰曲線（崩壊曲線）あるいは過度的な伝 達曲線の形で示すことが可能である。 実験による方法で検出された物体のこの伝達状態は、後続の算出方法の基礎と なる。この算出方法を用いて、物体の構造的なモード特性値が数値で検出可能で ある。この算出方法に基づく数学的モデルは一般的に、複数の自由度を有する時 間的に不変のエラスト機械的な線形の系の運動方程式を含む。この系は外部の励 振作用を受ける。 図に示した実施の形態に基づいて本発明を更に説明する。 図１は装置の構造を概略的に示している。この装置によって、物体の振動状態 を測定するするための本発明による方法が実施される。物体は金属製の板１であ り、この金属製の板は加振機２によって例えば１００Ｈｚの所定の振動数で励振 される。加振機２は板１の角に作用している。 板に生じる振動形状の干渉像を得るために、板１は（アルゴン−イオン−連続 波）レーザ３によって照射される。レーザ３の光線の経路内には、２個の反射鏡 ４，５と、音響−光学的変調器６と、ビームスプリッタ７と、レンズ８として略 示した照明レンズ系が設けられている。カメラ９が干渉像を撮影する。板の像が 参照光線１０と共に適当なレンズ系を経てカメラに供給される。この参照光線は ビームスプリッタと他の反射鏡１１，１２とピエゾ鏡１３によって得られ、ホロ グラフィー−光学的−要素を経て物体反射光線１５に挿入される。 コンピュータ支援の評価の出発点は干渉縞模様である。この干渉縞模様の明る さの分布がカメラ９によって撮影される。この模様の強さは次の式によって簡単 化されて表される。 I_k(x)＝a(x)・（l ＋m(x)・cos［ψ(x)＋Ψ_k］），k ＝1,2,3 ここで、 x ＝個々の像点を示す位置ベクトル a(x)＝局部的な平均強さ m(x)＝縞コントラスト、そして Ψ_k ＝相対的な固定位相 物理的に重量な量である干渉位相ψ(x)はa(x)やm(x)とは無関係に任意の像点x で検出しなければならない。干渉位相を測定するために、ここでは例えば移相 方法が用いられる。３つの値l(x)から、上記式の３つすべての未知数a(x)，m(x) ，ψ(x)を求めることができる。 この３つの値を得るために、相対的な干渉位相が光学的な経路長さの変更によ って移動させられる。そのためにピエゾ鏡１３が役にたつ。その際、レーザ波長 の半分の鏡の変位は、２πの位相の変更に相当する。レーザー波長が知られてい るので、これから、それぞれの像点での物体の変位を算出することができる。 振動状態を調べるためには、物体１のストロボ照明が選択される。そのために 、連続するレーザ光線が変調器６によってパルス化される。変調器６を運転する パルス周波数は物体１の励振振動数、すなわち加振機の出発振動数に同期されて いる。それによって、物体の励振振動数と同期した物体のストロボ照明が行われ る。 各々の像点の発生した力に関する振動の実部分と虚部分を算出できるようにす るために、振動状態が互いにずれた少なくとも２個の干渉像を撮影することが合 目的である。各々の像点の振動が励振振動数で行われると仮定すると、瞬時の両 変位から像点の振動の振幅と位相を検出することができる。 励振力に関する所定の点Ｐでの変形の実部分と虚部分は、次式によって生じる 。 所定の重要な振動数帯域内での励振力の適応な数の異なる周波数（ω）によっ て上述のように検査すると、構造体の変形の変換関数を決定することができる。 従って、このようにして得られた、個々の像点の運動に関する情報、すなわち 特に加振機２の励振力に関連するこの運動の振幅および位相に関する情報は、物 体１の個々の測定点の振幅と位相の振れに関する情報を供給する。普通のモード 解析の場合に不連続な加速度トランスデューサによって供給される情報に一致す るこの情報は、数値モード解析検査によって、物体の振動状態の測定および解析 のために用いられる。それによって、不連続な測定トランスデューサによって物 体がいかなる影響も受けることなく、モード解析を行うことができる。更に、質 量を有する測定トランスデューサの誤差によって、構造体変形を反作用なしに検 査することができるという利点がある。測定点の密度は制限を受けない。不連続 な測定トランスデューサによる公知のモード解析と異なり、構造体の高い固有振 動数も測定することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年７月３０日 【補正内容】 １．モード解析によって物体の振動状態を測定するための方法において、物体が 励振され、画角の下で物体の光学的な複数の干渉像が撮影され、数学的／物理的 なモデルを基礎として、所定の個所の振動状態に関する干渉像を解析し、このよ うにして得られた、この個所の振動状態に関する情報をモード解析することを特 徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィンター フランツ ドイツ連邦共和国 デー・80637 ミュン ヘン ダンテシュトラーセ ８ (72)発明者 シュタインビヒラー ハンス ドイツ連邦共和国 デー・83115 ノイボ イエルン アム バウホフ ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．モード解析によって物体の振動状態を測定するための方法において、物体が 励振され、物体の光学的な干渉像が撮影され、数学的／物理的なモデルを基礎と して、所定の個所の振動状態に関する干渉像を解析し、このようにして得られた 、この個所の振動状態に関する情報をモード解析することを特徴とする方法。 ２．光学的な干渉像がレーザ技術によって得られることを特徴とする請求項１記 載の方法。 ３．干渉像がホログラムであることを特徴とする請求項２記載の方法。 ４．干渉像がスペックル干渉計によって得られることを特徴とする請求項２記載 の方法。 ５．ホログラムが二重パルス干渉計によって得られることを特徴とする請求項３ 記載の方法。 ６．物体が所定の振動数で励振されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか 一つに記載の方法。 ７．励振振動数が規則正しく変更されることを特徴とする請求項６記載の方法。