JPH11118661A - Vibration characteristics analyzer - Google Patents

Vibration characteristics analyzer

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Publication number
JPH11118661A
JPH11118661A JP9287161A JP28716197A JPH11118661A JP H11118661 A JPH11118661 A JP H11118661A JP 9287161 A JP9287161 A JP 9287161A JP 28716197 A JP28716197 A JP 28716197A JP H11118661 A JPH11118661 A JP H11118661A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency response
equation
load cell
response function
function
Prior art date
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Pending
Application number
JP9287161A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuo Iwahara
光男 岩原
Akio Nagamatsu
昭男 長松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP9287161A priority Critical patent/JPH11118661A/en
Publication of JPH11118661A publication Critical patent/JPH11118661A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the identification accuracy even if noise is mixed by an arrangement wherein by reducing the frequency response functions corresponding to intrinsic to the number of intrinsic modes, determining a weighting function while simultaneously taking account of a large number of frequency response functions and applying the weighting function to the sum of residual squares. SOLUTION: The vibration characteristics analyzer comprises a load cell 3 for detecting force, an acceleration sensor 4 and an operating unit 5. The load cell 3 is fixed to an impulse hammer 2 for shaking an object 1. The acceleration sensor 4 is fixed to an arbitrary part of the object 1 in order to measure the response to vibration caused by the impulse hammer 2. The operating unit 5 receives output signals from the load cell 3 and the sensor 4 andydetermines frequency response data and then identifies the mode characteristics by the least squares method for minimizing the sum of the residual squares of the frequency response data and the theoretical value of frequency response function. The operating unit 5 also determines a weighting function while taking account of a large number of frequency response functions simultaneously and applies the weighting function to the sum of residual squares.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【発明の属する技術分野】本発明は振動特性解析装置に
関し、特にエンジンブロック等の被試験物を加振するこ
とにより応答を得てその応答関数から被試験物のモード
特性を同定する振動特性解析装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration characteristic analyzing apparatus, and more particularly to a vibration characteristic analysis for obtaining a response by exciting a test object such as an engine block and identifying a mode characteristic of the test object from a response function. It concerns the device.

【0001】実際の機械構造物の動特性を解析するため
には、該構造物を加振試験することにより得られた振動
応答特性から該構造物の動特性を同定する必要がある
が、この場合、振動現象を直接表現するパラメータであ
り、現象を直接理解し易く、収束性が良好なモード特性
(固有振動数、モード減衰比、固有モード形状などのモ
ーダルパラメータ)を同定する手法が現在では主流とな
っている。
In order to analyze the dynamic characteristics of an actual mechanical structure, it is necessary to identify the dynamic characteristics of the structure from the vibration response characteristics obtained by performing a vibration test on the structure. In this case, it is a parameter that directly expresses the vibration phenomenon, and it is easy to understand the phenomenon directly, and the method of identifying modal parameters (modal parameters such as natural frequency, mode damping ratio, and natural mode shape) with good convergence is currently used. It has become mainstream.

【0002】[0002]

【従来の技術】図1は従来より知られている振動特性解
析装置の構成を概略的に示したもので、まず被試験物1
とこの被試験物1を加振するためのインパルスハンマー
2とを用意する。
2. Description of the Related Art FIG. 1 schematically shows the structure of a conventionally known vibration characteristic analyzing apparatus.
And an impulse hammer 2 for exciting the DUT 1 are prepared.

【0003】そして、ハンマー2には力検出用ロードセ
ル3を取り付け、また該被試験物1の任意の場所に該ハ
ンマー2の加振による振動応答の3次元(x,y,z)
方向加速度を検出するための加速度センサ4を取り付け
る。
A load cell 3 for force detection is attached to the hammer 2, and a three-dimensional (x, y, z) vibration response of the hammer 2 due to the vibration of the hammer 2 is provided at an arbitrary position on the DUT 1.
An acceleration sensor 4 for detecting directional acceleration is attached.

【0004】そして、加速度センサ4の出力信号とロー
ドセル3の出力信号とを演算装置5に与えてFFT処理
を行い周波数応答関数(以下、FRF(コンプライアン
ス)と略称することがある)データを求めモード特性を
計算して出力する構成を有している。
Then, an output signal of the acceleration sensor 4 and an output signal of the load cell 3 are supplied to the arithmetic unit 5 to perform FFT processing to obtain frequency response function (hereinafter, may be abbreviated as FRF (compliance)) data. It has a configuration for calculating and outputting characteristics.

【0005】この場合、加振実験は通常、ハンマー2に
よる被試験物1の加振場所を固定して行い、加速度セン
サ4は逐次移動させて複数の応答関数を演算装置5に与
えるようにする。なお、被試験物1は柔らかいバネ(図
示せず)等により固定されている。
[0005] In this case, the vibration experiment is usually performed with the vibration place of the DUT 1 fixed by the hammer 2, and the acceleration sensor 4 is sequentially moved to give a plurality of response functions to the arithmetic unit 5. . The DUT 1 is fixed by a soft spring (not shown) or the like.

【0006】このような振動特性解析装置の演算装置
(実験モード解析装置)5のアルゴリズムとしては今ま
で多くの手法が提案されているが、この中で周波数領域
における『偏分反復法』は精度の良さで現在広く使用さ
れている。
[0006] Many algorithms have been proposed as algorithms for the arithmetic unit (experimental mode analyzer) 5 of such a vibration characteristic analyzer. Among them, the "variation iterative method" in the frequency domain has a high accuracy. Currently widely used for its goodness.

【0007】しかし、上記の改良反復法には次の2つの
欠点がある。 特に応答関数が複数の場合、求めるパラメータ{γ}
も応答関数の増加に応じて増加するため、パラメータ
{γ}を修正する修正ベクトル{Δγ}を求める式の中
の逆行列の計算時間が急増してしまう。 変数が増加するため反復計算が収束し難く発散し易く
なり、途中で計算不能になることがある。
However, the above-described improved iterative method has the following two disadvantages. Especially when there are a plurality of response functions, the parameter {γ}
Also increases as the response function increases, so that the calculation time of the inverse matrix in the equation for obtaining the correction vector {Δγ} for correcting the parameter {γ} sharply increases. Since the number of variables increases, iterative calculations are difficult to converge and diverge easily, and in some cases calculation becomes impossible.

【0008】そこで本発明者は特開平8−5450号公
報において、発散し易く計算時間がかかるというアルゴ
リズムの本質に関わる問題点の改良を実現することを目
的として、演算装置5が、実測データとモード特性パラ
メータによる理論値との残差が最小になるまで該パラメ
ータを繰り返し変えて行く偏分反復法を線形項と非線形
項とに分けて計算すると共に該線形項及び非線形項が変
化しても該残差が発散しない条件を設けることにより該
モード特性を同定することを提案している。
The inventor of the present invention disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 8-5450, in order to improve the problem of the essence of the algorithm, which is easy to diverge and takes a long time to calculate, the arithmetic unit 5 compares the measured data with the measured data. The deviation iterative method in which the parameter is repeatedly changed until the residual from the theoretical value by the mode characteristic parameter is minimized is calculated separately for the linear term and the nonlinear term, and even if the linear term and the nonlinear term change, It has been proposed to identify the mode characteristics by providing a condition under which the residual does not diverge.

【0009】この改良型偏分反復法について以下に簡潔
に説明する。求めるモード特性を{γ}で表す。周波数
点ω=ωi における周波数応答関数FRFの理論式をf
i 、対応する実験データをyi で表す。同時に参照する
FRFの数をm、周波数点の数をNで表すと、FRFは
複素数なので全データ数は2Nmとなる。
The improved variant iterative method will be briefly described below. The desired mode characteristic is represented by {γ}. The theoretical formula of the frequency response function FRF at the frequency point ω = ω i is expressed by f
i and the corresponding experimental data are denoted by y i . When the number of FRFs to be referred to at the same time is represented by m and the number of frequency points is represented by N, the total number of data is 2Nm since the FRF is a complex number.

【0010】yi に混入している誤差の分布が正規分布
とすると、最も確からしいモード特性は,次式の重み付
き残差二乗和Sを最小にする{γ}である。
If the distribution of errors mixed in y i is a normal distribution, the most likely mode characteristic is {γ} that minimizes the weighted residual sum of squares S of the following equation.

【0011】[0011]

【数1】 (Equation 1)

【0012】ここで、重み係数Wiは、yi の確率密度
分布を表す式における母分散の逆数(1/σ2)に比例
することが知られている。
Here, it is known that the weight coefficient W i is proportional to the reciprocal (1 / σ 2 ) of the population variance in the equation representing the probability density distribution of y i .

【0013】全変数{γ}を線形項{α}(元数u)と
非線形項{β}(元数v)に分ける。{α}を消去する
考え方を示す。全変数空間のうちで{β}のみを変数と
して、次式が成立する領域を探索する。
All variables {γ} are divided into a linear term {α} (element u) and a nonlinear term {β} (element v). Here is an idea of eliminating {α}. A search is made for a region where the following equation is satisfied, using only {β} as a variable in the entire variable space.

【0014】[0014]

【数2】 (Equation 2)

【0015】式(2)が成立する{α}の極小領域内に
おいて、FRFの理論式fi({α},{β})の変数
{α}を{β}で表したものをHiとすれば、次式のよ
うになる。
In the minimum region of {α} where the equation (2) is satisfied, the variable {α} of the theoretical formula f i ({α}, {β}) of the FRF is represented by {β} as H i. Then, the following equation is obtained.

【0016】[0016]

【数3】 (Equation 3)

【0017】ここで、式(1)より次式が得られる。Here, the following equation is obtained from the equation (1).

【0018】[0018]

【数4】 (Equation 4)

【0019】式(3)の微分係数が決まれば、次式の線
形近似による最小二乗法で修正ベクトル{Δβ}を求め
ることができる。
Once the differential coefficient of equation (3) is determined, the correction vector {Δβ} can be obtained by the least squares method using the following linear approximation.

【0020】[0020]

【数5】 [C]T[W][C]{Δβ}=[C]T[W]{yi−fi} ・・・式(5) [C]:∂Hi/∂βkをik要素とする行列 [W]:Wiを対角成分とする対角行列[C] T [W] [C] {Δβ} = [C] T [W] {y i− f i i (5) [C]: ∂H i / ∂β k the a ik element matrix [W]: W i diagonal elements and diagonal matrix

【0021】式(5)における行列[C]はヤコビアン
行列と呼ばれている。このヤコビアン行列[C]の大き
さはv×2Nmであり、FRFの数mと共に増加する。
The matrix [C] in equation (5) is called a Jacobian matrix. The size of this Jacobian matrix [C] is v × 2Nm, and increases with the number m of FRFs.

【0022】ここで、近年、多チャンネルデータ処理装
置や多軸速度センサの発達に伴いこの演算装置4は、短
時間で多数の周波数応答関数(FRF)を実験で得るこ
とが可能となった。
In recent years, with the development of a multi-channel data processing device and a multi-axis speed sensor, the arithmetic unit 4 has been able to obtain a large number of frequency response functions (FRF) in a short time by experiments.

【0023】例えば図1では、3軸の加速度センサ4か
らのX,Y,Zの3チャンネルの情報及び加振入力を検
出する力検出用ロードセル3の1チャンネルの情報から
3個のFRFを同時に得ることができる。測定時間等を
短縮するために加速度センサ4を複数並列に設けると、
その増加分だけチャンネルが増える。
For example, in FIG. 1, three FRFs are simultaneously obtained from information of three channels of X, Y, and Z from the three-axis acceleration sensor 4 and information of one channel of the load cell 3 for detecting a vibration input. Obtainable. When a plurality of acceleration sensors 4 are provided in parallel in order to shorten the measurement time, etc.,
The channel increases by the increase.

【0024】このFRFは、図16に示すように、縦軸
を周波数、横軸を各測定ポイント(点1,点2・・・)
の軸データX,Y,Zを順次並べた2N行m列の行列と
して扱うことができ、例えば1データに4バイトのメモ
リ容量が割り当てられる。
As shown in FIG. 16, this FRF has a frequency on the vertical axis and measurement points (point 1, point 2,...) On the horizontal axis.
Can be treated as a matrix of 2N rows and m columns in which the axis data X, Y, and Z are sequentially arranged. For example, a memory capacity of 4 bytes is allocated to one data.

【0025】しかし、参照される周波数応答関数の数m
の増加に伴い、これらの情報は増加するので、計算機の
限られた計算速度及びメモリ容量や従来の演算手法で
は、迅速な結果を得ることが困難となりつつある。
However, the number m of the referred frequency response functions
With the increase in the number of pieces of information, it is becoming difficult to obtain quick results with a limited calculation speed and memory capacity of a computer or a conventional calculation method.

【0026】この問題を解消するためには、同時に処理
すべきデータはFRF行列として与えられるので、この
行列を縮小すればよい。
In order to solve this problem, since data to be processed simultaneously is given as an FRF matrix, this matrix may be reduced.

【0027】このFRF行列を縮小する方法としては、
従来より特異値分解法が提案されている。
As a method of reducing the FRF matrix,
Conventionally, a singular value decomposition method has been proposed.

【0028】この特異値分解法において、実験で得られ
たFRF行列[P](2N行m列)を特異値分解を利用
して縮小するときの手順を図17(1)〜(4)により
説明する。
In this singular value decomposition method, the procedure for reducing the FRF matrix [P] (2N rows and m columns) obtained in the experiment using singular value decomposition will be described with reference to FIGS. 17 (1) to 17 (4). explain.

【0029】行列[B](m行m列)を次式で計算す
る(同図(1))。
The matrix [B] (m rows and m columns) is calculated by the following equation (FIG. 1A).

【0030】[0030]

【数6】 [B]=[P]T[P] ・・・式(6) [P]T:行列[P]の転置行列[B] = [P] T [P] Expression (6) [P] T : transposed matrix of matrix [P]

【0031】行列[B]の固有値λと固有ベクトル
{x}を求める(同図(2))。固有値λと固有ベク
トル{x}の組を、固有値λの大きい順に並べる。そし
て、固有値λが他と比較して小さいものを省略する。行
列[B]の固有値はm個求まるが、ここで、モード数n
個の固有値と固有ベクトル{xi}の組に縮小する(同
図(3))。
An eigenvalue λ and an eigenvector {x} of the matrix [B] are obtained (FIG. 2B). A set of the eigenvalue λ and the eigenvector {x} is arranged in descending order of the eigenvalue λ. Those whose eigenvalue λ is smaller than others are omitted. Although m eigenvalues of the matrix [B] are obtained, the number of modes n
Is reduced to a set of eigenvalues and eigenvectors {x i } ((3) in the same figure).

【0032】n個の固有ベクトル{xi}から次式で
n個に縮小されたFRFベクトル{Pi}を計算する
(同図(4))。
From the n eigenvectors {x i }, the FRF vector {P i } reduced to n is calculated by the following equation ((4) in the figure).

【0033】[0033]

【数7】 {Pi}=[P]{xi} i=1〜n ・・・式(7){P i } = [P] {x i i i = 11〜n Equation (7)

【0034】従って、この方法は式(6),(7)と
の固有値、固有ベクトルの計算に時間がかかる。また式
(6),(7)を計算するために行列[P](2N行m
列)と行列[B](m行m列)を記憶する必要がある。
Therefore, in this method, it takes time to calculate the eigenvalues and eigenvectors of the equations (6) and (7). In order to calculate equations (6) and (7), matrix [P] (2N rows m
Column) and matrix [B] (m rows and m columns) need to be stored.

【0035】また、固有値を演算し、その固有値及び固
有ベクトルの大きい順に並べ、その中で係数の小さいも
のを切り捨ててモード数n個のデータに圧縮するので、
圧縮情報は物理的な意味が不明であった。
Also, since the eigenvalues are calculated, the eigenvalues and the eigenvectors are arranged in descending order, and those having small coefficients are truncated and compressed into n-mode data.
The physical meaning of the compression information was unknown.

【0036】そこで、本発明者は特願平8−68251
号公報において、被試験物を加振するためのインパルス
ハンマーに取り付けられた力検出用ロードセルと、該被
試験物の任意の場所に取り付けられて該被試験物の該イ
ンパルスハンマーに起因する加振応答を測定する加速度
センサと、該ロードセルの出力信号及び該センサの出力
信号とを受けて周波数応答関数データを求め、該周波数
応答関数データと該周波数応答関数の理論値の重み付き
残差二乗和を最小とする最小二乗法によりモード特性パ
ラメータを計算することにより該被試験物のモード特性
を同定する演算装置と、を備えた振動特性解析装置にお
いて、特異値分解法に代え、正確に情報を圧縮すること
を目的として、該演算装置が、該周波数応答関数の選択
された固有モードに対応する虚数部の極性に+1又は−
1をそれぞれ乗じて正極性にした周波数応答関数を重ね
合わせることにより該固有モードに対応する周波数応答
関数をそれぞれ求め、該周波数応答関数の数を該固有モ
ードの数に縮小することを提案した。
Therefore, the present inventor has disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 8-68251.
In the publication, a load cell for force detection attached to an impulse hammer for exciting a test object, and a vibration caused by the impulse hammer of the test object attached to an arbitrary place of the test object Receiving an acceleration sensor for measuring a response, an output signal of the load cell, and an output signal of the sensor to obtain frequency response function data; and a weighted residual square sum of the frequency response function data and a theoretical value of the frequency response function. A computing device that identifies the modal characteristics of the device under test by calculating the modal characteristic parameters by the least squares method that minimizes, in a vibration characteristic analysis device comprising: For the purpose of compression, the arithmetic unit may add +1 or-to the polarity of the imaginary part corresponding to the selected eigenmode of the frequency response function.
It has been proposed that the frequency response functions corresponding to the eigenmodes are respectively obtained by superimposing the frequency response functions which have been multiplied by 1 to make them positive, and the number of the frequency response functions is reduced to the number of the eigenmodes.

【0037】以下に、この方法の物理的な意味を説明す
る。まず、各点のFRFを列ベクトルとして並べたFR
F行列[P]を次式で縮小する。
The physical meaning of this method will be described below. First, the FR in which the FRF of each point is arranged as a column vector
The F matrix [P] is reduced by the following equation.

【0038】[0038]

【数8】 [Q]=[P][K] ・・・式(8) ただし、[P];実験で得られたFRF行列 2N行m
列 [Q];縮小されたFRF行列 2N行n列 [K];縮小のための行列 m行n列 n ;採用固有モード数(5〜10)(m>n)
[Q] = [P] [K] Expression (8) [P]; FN matrix obtained by experiment 2N rows m
Column [Q]; Reduced FRF matrix 2N rows and n columns [K]; Matrix for reduction m rows and n columns n; Number of adopted eigenmodes (5 to 10) (m> n)

【0039】行列[K]の作り方は、まず行列[P]
(2N行m列)のうち各固有モードの共振峰に対応する
虚数部分だけを取り出して行方向に並べた行列を作成す
る。次にこの行列の各成分の正負符号は同じで大きさだ
けを1に変える(図2(1)参照)。
The method of creating the matrix [K] is as follows.
From (2N rows and m columns), only the imaginary part corresponding to the resonance peak of each eigenmode is taken out, and a matrix arranged in the row direction is created. Next, the sign of each component of the matrix is the same, and only the size is changed to 1 (see FIG. 2A).

【0040】このようにして作成した行列[K]Tを転
置して行列[K]を作成する(同図(2))。
A matrix [K] is created by transposing the matrix [K] T created in this manner (FIG. 2B).

【0041】それから、式(8)によりFRF行列
[P]と行列[K]に基づいて縮小されたFRF行列
[Q]を作成する(同図(3))。
Then, a reduced FRF matrix [Q] is created based on the FRF matrix [P] and the matrix [K] by equation (8) (FIG. 3 (3)).

【0042】式(8)の計算は、ある固有モードの共振
峰付近の虚数部分の符号が同一になるように全FRFを
重ね合わせることになる。
In the calculation of equation (8), all FRFs are superimposed so that the sign of the imaginary part near the resonance peak of a certain eigenmode is the same.

【0043】この意味は、FRF行列を測定する時の加
振点を応答点(測定点)として、ある固有モードが最も
励起される様に各点の力の方向を調整して、同時に衝撃
加振する時のFRFを測定することに対応する。従っ
て、固有モードの数に等しい数のFRFに、元のFRF
行列を縮小できる。
This means that the direction of the force at each point is adjusted so that a certain eigenmode is most excited by setting the excitation point at the time of measuring the FRF matrix as a response point (measurement point). This corresponds to measuring the FRF when shaking. Therefore, the number of FRFs equal to the number of eigenmodes is replaced by the original FRF
Matrix can be reduced.

【0044】実際に、あるモードが最も励起される様に
各点を正しく加振することは大変困難である。しかし、
各点毎の打撃試験等でFRFを多数収得しておけば、式
(8)を用いて同時衝撃加振に相当する測定結果を容易
に得ることができる。
In practice, it is very difficult to correctly excite each point so that a certain mode is most excited. But,
If a large number of FRFs are obtained by a hit test or the like for each point, a measurement result corresponding to simultaneous impact excitation can be easily obtained using equation (8).

【0045】式(8)の処理は各FRFに−1または+
1を掛けて加算することである。加算係数の絶対値が1
なので、加算後のFRFにおいては不規則雑音は相殺さ
れて減少する。
The processing of equation (8) applies -1 or + to each FRF.
Multiply by 1 and add. The absolute value of the addition coefficient is 1
Therefore, in the FRF after the addition, the random noise is canceled and reduced.

【0046】いかにFRFの数が多くても、式(8)に
より、抽出する固有モードの数と同一の本数にFRFを
縮小できる。そのための計算時間と記憶容量は特異値分
解、または主成分分析による方法よりはるかに少ない。
また全FRFを加算しているため、不規則雑音は相殺さ
れ、データのばらつきが低減される。
Even if the number of FRFs is large, the number of FRFs can be reduced to the same number as the number of eigenmodes to be extracted by the equation (8). The computation time and storage capacity for this are far less than methods using singular value decomposition or principal component analysis.
In addition, since all the FRFs are added, the random noise is canceled, and the variation in data is reduced.

【0047】[0047]

【発明が解決しようとする課題】このように本発明者
は、多数の周波数応答関数(FRF)を同時に用いてモ
ード特性を同定する多点参照を効率よく行うために、入
力データの元の情報を保持したままでFRFを縮小する
改良された方法を提案したが、統計学的に最も確からし
いモード特性を同定する最尤推定法を実行するために
は、上記の式(1)に示す如く、曲線適合における重み
関数として分散の逆数を用いる必要がある。
As described above, the inventor of the present invention has made it possible to efficiently perform multipoint reference for identifying a mode characteristic by using a large number of frequency response functions (FRFs) at the same time. Has been proposed to reduce the FRF while maintaining the following equation. In order to execute the maximum likelihood estimation method for identifying the most probable mode characteristic statistically, as shown in the above equation (1), , It is necessary to use the reciprocal of the variance as a weight function in curve fitting.

【0048】FRFを縮小しない場合には、元のFRF
をそのまま用いることにより、各FRF毎に分散を求め
ればよかったが、FRFを縮小した入力データを用いる
場合には、この方法によって分散を求めることはできな
いから、重み関数を求めることが出来ない。
If the FRF is not reduced, the original FRF
Can be used as it is to obtain the variance for each FRF. However, when the input data obtained by reducing the FRF is used, the variance cannot be obtained by this method, so that the weight function cannot be obtained.

【0049】そこで、上記の方法においては、経験的に
求めた値(例えば、FRFの振幅の逆数の平方を用いた
値)を重み関数としていたが、理論的な根拠に欠けるた
め、その正確性を保証することができなかった。
Therefore, in the above method, a value obtained empirically (for example, a value using the square of the reciprocal of the amplitude of the FRF) is used as the weighting function. Could not be guaranteed.

【0050】したがって、本発明は、被試験物を加振す
るためのインパルスハンマーに取り付けられた力検出用
ロードセルと、該被試験物の任意の場所に取り付けられ
て該被試験物の該インパルスハンマーに起因する加振応
答を測定する加速度センサと、該ロードセルの出力信号
及び該センサの出力信号とを受けて周波数応答関数デー
タを求め、該周波数応答関数データと該周波数応答関数
の理論値との重み付き残差二乗和を最小とする最小二乗
法によりモード特性パラメータを計算することにより該
被試験物のモード特性を同定する演算装置とを備え、該
演算装置が、該周波数応答関数の選択された固有モード
に対応する虚数部の極性に+1又は−1をそれぞれ乗じ
て正極性にした周波数応答関数を重ね合わせることによ
り該固有モードに対応する周波数応答関数をそれぞれ求
め、該周波数応答関数の数を該固有モードの数に縮小す
る振動特性解析装置において、周波数応答関数の縮小に
対応できる重み関数を理論的に導出することを目的とす
る。
Accordingly, the present invention provides a load cell for force detection attached to an impulse hammer for exciting a DUT, and a load cell for force detection attached to an arbitrary position of the DUT. An acceleration sensor that measures the excitation response caused by the load cell, receives the output signal of the load cell and the output signal of the sensor, obtains frequency response function data, and calculates the frequency response function data and the theoretical value of the frequency response function. An arithmetic unit for identifying a mode characteristic of the device under test by calculating a mode characteristic parameter by a least square method that minimizes a weighted residual square sum, wherein the arithmetic unit selects the frequency response function. The polarity of the imaginary part corresponding to the eigenmode is multiplied by +1 or −1, respectively, and the frequency response function is set to a positive polarity. The purpose of the present invention is to theoretically derive a weighting function that can cope with the reduction of the frequency response function in a vibration characteristic analysis device that obtains corresponding frequency response functions and reduces the number of the frequency response functions to the number of the eigenmodes. I do.

【0051】[0051]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、重み関数行列を統計理論に従って導出
する。最尤推定法では、重み関数として応答の母分散の
逆数を用いる必要がある。有限回の実験では母分散を正
確に求めることはできないので、近似的に標本分散を用
いる。q回の反復実験によって求めたFRFを平均する
ことによって得られる平均化FRFの実部及び虚部は、
測定点をj、角振動数をωiとすると、次式のように表
される。
According to the present invention, a weighting function matrix is derived in accordance with statistical theory. In the maximum likelihood estimation method, it is necessary to use a reciprocal of a population variance of a response as a weight function. Since the population variance cannot be determined accurately in a finite number of experiments, the sample variance is used approximately. The real and imaginary parts of the averaged FRF obtained by averaging the FRFs obtained by q repeated experiments are
Assuming that the measurement point is j and the angular frequency is ω i , it is expressed by the following equation.

【0052】[0052]

【数9】 (Equation 9)

【数10】 (Equation 10)

【0053】入力に誤差が混入しない場合には、コヒー
レンス関数は次式で与えられる。
If no error is mixed in the input, the coherence function is given by the following equation.

【0054】[0054]

【数11】 [Equation 11]

【0055】また標本分散の実部と虚部は次式で表され
る。
The real and imaginary parts of the sample variance are represented by the following equations.

【0056】[0056]

【数12】 (Equation 12)

【数13】 (Equation 13)

【0057】理想的には、コヒーレンス関数と平均化F
RFから分散の実部と虚部を別々に導出できればよい
が、上記の情報量だけでは困難である。そこで、便宜的
に実部と虚部の重みを同一のものとすると、上記の式
(9)〜(13)より次式が導かれる。
Ideally, the coherence function and the averaging F
It suffices if the real part and the imaginary part of the variance can be separately derived from the RF, but it is difficult with only the above information amount. Therefore, assuming that the real part and the imaginary part have the same weight for convenience, the following equations are derived from the above equations (9) to (13).

【0058】[0058]

【数14】 [Equation 14]

【0059】したがって、式(14)の逆数として次の
重み関数が求められる。
Therefore, the following weight function is obtained as the reciprocal of equation (14).

【0060】[0060]

【数15】 (Equation 15)

【0061】次に多点参照の場合を述べる。実験で得ら
れるFRFデータには多数の誤差要因があると考えられ
る。それらが各々同程度の大きさで、かつ互いに独立に
寄与しているとすると、誤差は正規分布に従うことが知
られている。また、統計理論より、m本のFRFの標本
和は正規分布に従う。
Next, the case of multi-point reference will be described. It is thought that there are many error factors in the FRF data obtained by the experiment. It is known that the errors follow a normal distribution, given that they are of similar magnitude and contribute independently of each other. According to statistical theory, the sample sum of m FRFs follows a normal distribution.

【0062】上記の式(8)の計算では、各FRFの共
振峰に対応する点の虚部の符号が同一になるように加算
しているので、縮小化したFRFデータの分散は式(1
4)より次式が得られる。
In the calculation of the above equation (8), since the imaginary parts of the points corresponding to the resonance peaks of the respective FRFs are added so as to have the same sign, the variance of the reduced FRF data is expressed by the equation (1)
The following equation is obtained from 4).

【0063】[0063]

【数16】 (Equation 16)

【0064】よって、重み関数は次式のように導出でき
る。
Therefore, the weight function can be derived as in the following equation.

【0065】[0065]

【数17】 [Equation 17]

【0066】したがって本発明に係る振動特性解析装置
における演算装置は、さらに、多数の該周波数応答関数
を同時に考慮した重み関数を求めて該残差二乗和に適用
したものであり、この重み関数を用いれば、最小二乗法
は最も確からしいモード特性を推定する最尤推定法と同
一になる。
Therefore, the arithmetic unit in the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention further obtains a weighting function considering simultaneously a large number of the frequency response functions and applies the weighting function to the residual sum of squares. If used, the least squares method is identical to the maximum likelihood estimation method for estimating the most likely mode characteristics.

【0067】[0067]

【発明の実施の形態】本発明に係る振動特性解析装置の
構成は上述した図1に示した従来例と同様のものを用い
ることができるが、従来例との差異は演算装置5におけ
る演算処理である。以下にこの演算処理について図3に
示したフローチャートに沿って説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of a vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention can be the same as that of the conventional example shown in FIG. 1 described above. It is. Hereinafter, this calculation process will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

【0068】<パラメータの分割>複数の応答関数を同
時に考慮する時、その応答関数の数をm、同定する固有
モードの数を上記と同様にnとするとパラメータ{γ}
の数は2n+(2n+4)mである。そのパラメータ
{γ}のうち非線形項は2n、線形項は(2n+4)m
である。このパラメータ{γ}を次式のように線形項
{α}と非線形項{β}とに分割する。
<Partitioning of Parameters> When considering a plurality of response functions at the same time, if the number of response functions is m and the number of eigenmodes to be identified is n in the same manner as above, the parameter {γ}
Is 2n + (2n + 4) m. Among the parameters {γ}, the nonlinear term is 2n and the linear term is (2n + 4) m
It is. This parameter {γ} is divided into a linear term {α} and a nonlinear term {β} as in the following equation.

【0069】[0069]

【数18】 {γ}T={{α}T,{β}T} {α}T={‥,Ur,Vr,‥,C,D,E,F,‥} {β}T={‥,σrdr,‥} ・・・式(18)18γ} T = {{α} T , {β} T {{α} T = {‥, U r , V r , ‥, C, D, E, F, ‥} {β} T = {‥, σ r , ω dr , ‥} ・ ・ ・ Equation (18)

【0070】ここで、線形項{α}の中のUr,Vrは測
定点に対するr番目の留数の実部及び虚部を示し、1/
C,1/Dは注目していない固有モードの影響を剰余質
量として、1/E,1/Fは同様に剰余剛性として導入
したパラメータである。
Here, U r and V r in the linear term {α} indicate the real part and the imaginary part of the r-th residue with respect to the measurement point.
C and 1 / D are the parameters introduced as the residual mass, and the effects of the eigenmodes, which are not noted, are used as the residual stiffness.

【0071】また、非線形項{β}の中のσrは各ピー
ク(n個存在し得る山々)、つまり各モード特性におけ
る減衰率を示し、ωdrは各ピーク、つまり各モード特性
における減衰固有角振動数を示す。
Σ r in the nonlinear term {β} indicates each peak (n possible peaks), that is, the attenuation rate in each mode characteristic, and ω dr is each peak, that is, the attenuation characteristic in each mode characteristic. Indicates angular frequency.

【0072】なお、ハンマー2で被試験物1を加振した
ときの演算装置5へ与えられるモード特性の応答関数
(理論値)は振幅と位相を持つので、次式のように実部
R(ω)と虚部G1(ω)とから成る複素数で表される
理論モデルがよく知られている。
Since the response function (theoretical value) of the mode characteristic given to the arithmetic unit 5 when the DUT 1 is vibrated by the hammer 2 has an amplitude and a phase, the real part G R is given by the following equation. A theoretical model represented by a complex number including (ω) and an imaginary part G 1 (ω) is well known.

【0073】[0073]

【数19】 [Equation 19]

【0074】この減衰率σrと固有振動数ωdrは応答点
(加速度センサ4の取付位置)が変わっても変化しな
い。つまり非線形項のパラメータ{β}の数2nは応答
関数の数mが増加しても山の位置(周波数)が変わらな
いため不変であることが特徴となっており、これにより
応答関数の数の影響を受けないことが分かる。
The damping rate σ r and the natural frequency ω dr do not change even if the response point (the mounting position of the acceleration sensor 4) changes. That is, the number 2n of the parameter {β} of the nonlinear term is characterized in that the position (frequency) of the peak does not change even if the number m of the response functions increases, so that it is invariant. It turns out that it is not affected.

【0075】そして、非線形項が求まれば線形項だけは
容易に求めることができる。
When the nonlinear term is obtained, only the linear term can be easily obtained.

【0076】そこで非線形項だけを先ず求めることを工
夫する。このため、まず式(1)における重み係数Wi
を式(15)により計算するとともに非線形パラメータ
{β}としての減衰固有角振動数ωdrとモード減衰率σ
rの初期値が設定される(図3のステップS1)。
Therefore, it is necessary to first obtain only the nonlinear term.
Husband. Therefore, first, the weighting coefficient W in the equation (1)i
Is calculated by equation (15), and the nonlinear parameter
Damped natural angular frequency ω as {β}drAnd mode decay rate σ
rIs set (step S1 in FIG. 3).

【0077】減衰の初期値はどの様な値でも収束するの
で、FRFの振幅を二乗和した関数のピークから減衰固
有角振動数の初期値だけを得てもよい。
Since the initial value of the damping converges at any value, only the initial value of the damping natural angular frequency may be obtained from the peak of the function obtained by summing the square of the FRF amplitude.

【0078】そして、実験データである周波数応答関数
iを入力する(同ステップS2)。
Then, a frequency response function y i , which is experimental data, is input (step S 2).

【0079】次に、以下の計算負荷を減少させるため
に、式(8)を用いて入力した周波数応答関数FRFを
縮小する(同ステップS3)。縮小率はn(採用モード
数)/m(FRFの数)となる。
Next, in order to reduce the following calculation load, the input frequency response function FRF is reduced using equation (8) (step S3). The reduction ratio is n (number of adopted modes) / m (number of FRFs).

【0080】非線形項パラメータ{β}が初期設定され
れば、次式により線形項パラメータ{α}を1回の計算
で求めることができる(同ステップS4)。
When the nonlinear term parameter {β} is initialized, the linear term parameter {α} can be obtained by one calculation using the following equation (step S4).

【0081】[0081]

【数20】 {α}=([D]T[W][D])-1[D]T[W]{yi} ・・・式(20) ただし、Dij=∂fi/∂αj (i=1〜2p,j=1〜(2
n+4)m)
{Α} = ([D] T [W] [D]) −1 [D] T [W] {y i式 (20) where D ij = ∂f i / ∂ α j (i = 1 to 2p, j = 1 to (2
n + 4) m)

【0082】このようにして求めた線形項{α}と非線
形項{β}とを用いて式(1)により周波数応答関数F
RFの理論値fiを計算する(同ステップS5)。な
お、最初の非線形項の値はステップS1で初期設定され
た値である。
Using the linear term {α} and the nonlinear term {β} obtained in this manner, the frequency response function F
The theoretical RF value f i is calculated (step S5). The value of the first non-linear term is the value initially set in step S1.

【0083】このようにして計算した応答関数の理論値
と実験値との残差二乗和Sを式(1)に従って計算する
(同ステップS6)。
The residual sum of squares S of the theoretical value and the experimental value of the response function thus calculated is calculated according to the equation (1) (step S6).

【0084】そして、この残差二乗和Sが前回求めた値
より小さくなっているか否かを判定する(同ステップS
7)。なお、この場合の最初の残差二乗和Sは適当な値
を設定しておけばよい。
Then, it is determined whether or not this residual sum of squares S is smaller than the value obtained last time (step S
7). In this case, the initial residual sum of squares S may be set to an appropriate value.

【0085】この結果、残差二乗和Sが前回の値より小
さくなっているときには残差二乗和Sはまだ最小値に達
していないことになるので、この残差二乗和Sを最小値
にするための次の非線形項パラメータ{β}を以下に述
べるとおり求める。
As a result, when the residual sum of squares S is smaller than the previous value, it means that the residual sum of squares S has not yet reached the minimum value. The following non-linear term parameter {β} is obtained as described below.

【0086】ここで、上記の式(5)は上述の如くFR
Fの数mと共に増加するので計算機の記憶容量と計算時
間の両方に対して大きな負荷となっており、このような
負荷を軽減するために、同式の計算方法を次のように改
良することができる。
Here, the above equation (5) is calculated by
Since it increases with the number m of F, it places a large load on both the storage capacity of the computer and the calculation time. To reduce such a load, the calculation method of the formula should be improved as follows. Can be.

【0087】式(5)を解く方法としては、(1)正規
方程式と呼ばれるv元v行の連立方程式として解く方法
と、(2)ヤコビアン行列[C]をハウスホールダ法等
により直交変換して解く方法とがこれまでに知られてお
り、一般には後者(2)の方が計算精度が良いと言われ
ている。
As a method of solving the equation (5), there are (1) a method of solving as a simultaneous equation of v elements and v rows called a normal equation, and (2) an orthogonal transformation of the Jacobian matrix [C] by the Householder method or the like. The method of solving is known so far, and it is generally said that the latter (2) has better calculation accuracy.

【0088】実際に計算してみると、倍精度におけるこ
の場合の計算では両者の計算結果は同一であった。しか
も計算時間と記憶容量に関しては正規方程式を解く前者
(1)の方が有利であった。
When the calculations were actually performed, the results of the calculations in the case of double precision in this case were the same. In addition, the former (1), which solves a normal equation, is more advantageous in terms of calculation time and storage capacity.

【0089】そこで本実施例では、正規方程式を用いて
計算方法を改良することに着目した。まず、式(5)の
正規方程式は次式のように書き直すことができる。
Therefore, the present embodiment focuses on improving the calculation method using a normal equation. First, the normal equation of Expression (5) can be rewritten as the following expression.

【0090】[0090]

【数21】 [G]{Δβ}={d} ・・・式(21)[G] {{β} = {d} (21)

【0091】式(21)における[G],{d}をヤコ
ビアン行列[C]から算出する際に、周波数応答関数の
理論式Hiの微分係数を、ニュートン法で使用する残差
二乗和Sの微分係数に変換する。
[0091] expressions in (21) [G], when calculating the {d} from Jacobian matrix [C], a derivative of the theoretical equation H i of the frequency response function, the residual sum of squares S of using Newton's method To the derivative of

【0092】式(5)に式(3)を代入すると、式(2
1)の右辺は次式のようになる。
By substituting equation (3) into equation (5), equation (2)
The right side of 1) is as follows.

【0093】[0093]

【数22】 (Equation 22)

【0094】この式(22)を展開して整理すると次式
のようになる。
The following equation is obtained by developing and organizing the equation (22).

【0095】[0095]

【数23】 (Equation 23)

【0096】{α}は、繰り返し計算におけるある段階
において極小条件を満足するので、∂S/∂αs=0
(s=1〜u)が成立する。従って、次式が得られる。
Since {α} satisfies the minimum condition at a certain stage in the iterative calculation, {S / ∂α s = 0
(S = 1 to u) holds. Therefore, the following equation is obtained.

【0097】[0097]

【数24】 (Equation 24)

【0098】次に、式(4)において2次微分項を省略
した量を次式で表すこととする。
Next, the quantity obtained by omitting the second derivative term in the equation (4) is represented by the following equation.

【0099】[0099]

【数25】 (Equation 25)

【0100】式(21)の左辺の係数行列[G]の成分
jkは式(5)より次式のように求められる。
The component G jk of the coefficient matrix [G] on the left side of Expression (21) is obtained from Expression (5) as follows.

【0101】[0101]

【数26】 (Equation 26)

【0102】式(3)を式(26)に代入すれば、次式
が得られる。
By substituting equation (3) into equation (26), the following equation is obtained.

【0103】[0103]

【数27】 [Equation 27]

【0104】式(27)の右辺=A+B+Cと表し、式
(1)と式(21)を代入して整理すれば、A,B,C
に関する次式がそれぞれ得られる。
The right side of equation (27) = A + B + C, and by substituting equations (1) and (21), A, B, C
The following equations are obtained respectively.

【0105】[0105]

【数28】 [Equation 28]

【0106】[0106]

【数29】 (Equation 29)

【0107】[0107]

【数30】 [Equation 30]

【0108】ここで、{x}T,{a},{b}を次式
のように定義する。
Here, {x} T , {a}, {b} are defined as follows.

【0109】[0109]

【数31】 (Equation 31)

【0110】式(30)に式(31)を代入すると次式
が成立する。
By substituting equation (31) into equation (30), the following equation is established.

【0111】[0111]

【数32】 (Equation 32)

【0112】従って、式(28),(29),(32)
をGik=A+B+Cに代入すると次式が得られる。
Therefore, equations (28), (29) and (32)
Is substituted into G ik = A + B + C to obtain the following equation.

【0113】[0113]

【数33】 [Equation 33]

【0114】今までは、式(3)の右辺第2項の行列
[F]-1の乗算回数が多く、計算時間に対する負担にな
っていた。しかも、この右辺第2項の計算をv×2Nm
回行っていた。
Until now, the number of multiplications of the matrix [F] −1 of the second term on the right side of the equation (3) has been large, and this has been a burden on calculation time. Moreover, the calculation of the second term on the right side is v × 2Nm
Had been going around.

【0115】ところが、上記の式(33)においてはG
jkを計算するためにΣが除去されているので必要なこの
計算は3回でよく、[G]全体でも3v2回となる。
However, in the above equation (33), G
Since な has been removed to calculate jk , this calculation is required only three times, and the whole [G] is 3v 2 times.

【0116】非線形項は全FRFの共通項であり、その
数vは通常周波数点Nや参照FRF数mと比べて小さい
ので、計算時間が短縮できる。また、今までは2Nm行
v列の行列[C]をそのまま記憶していたが、v行v列
の[G]とv行の{d}を記憶すればよくなり、必要な
記憶容量が減少する。
The nonlinear term is a common term of all FRFs, and its number v is smaller than the normal frequency point N and the reference FRF number m, so that the calculation time can be reduced. Until now, the matrix [C] of 2Nm rows and v columns has been stored as it is, but [G] of v rows and v columns and {d} of v rows need only be stored, and the required storage capacity is reduced. I do.

【0117】即ち、式(33)を計算するためには、S
とS’のαsとβkに関する微分係数を計算すればよいこ
とになる。
That is, to calculate equation (33), S
It is only necessary to calculate the derivative of α and S with respect to α s and β k .

【0118】このように、式(24)を用いてdkを計
算し、式(4),(25)を用いてSとS’のαとβに
関する微分係数を計算する。そして、Gjkを計算する
(同ステップS8)。
As described above, d k is calculated using equation (24), and the differential coefficients of α and β of S and S ′ are calculated using equations (4) and (25). Then, Gjk is calculated (step S8).

【0119】以上の結果を式(21)に代入して修正ベ
クトル{Δβ}を計算で求める(同ステップS9)。
The correction vector {Δβ} is calculated by substituting the above result into the equation (21) (step S9).

【0120】<側面制約の設定>以上で非線形項の修正
ベクトル{Δβ}が求まったが、このまま使用すると発
散する場合があるので、更に側面制約を設定する。
<Setting of Side Constraint> The correction vector {Δβ} of the nonlinear term has been obtained as described above. However, if used as it is, divergence may occur. Therefore, a side constraint is further set.

【0121】発散防止の側面制約としては修正ベクトル
に縮小因子をかけてその方向は同じ大きさを縮小する方
法があるが、この場合、モードが異なれば非線形項相互
の影響は少なくなるので、非線形項各々に次式の制約を
設定する。
As a side constraint of the divergence prevention, there is a method of reducing the same magnitude in the direction by applying a reduction factor to the correction vector. In this case, if the mode is different, the mutual effect of the nonlinear terms is reduced. The following constraint is set for each term.

【0122】[0122]

【数34】 |△ωdr/ωdr|≦ K1 |△σr /σr |≦ K2 , σr >0 ・・・式(34)| △ ω dr / ω dr | ≦ K 1 | △ σ r / σ r | ≦ K 2 , σ r > 0 Equation (34)

【0123】{Δβ}がこの条件に合っていない場合は
式(25)により修正する(同ステップS11)。
If {Δβ} does not meet this condition, it is corrected by equation (25) (step S11).

【0124】このようにして求められた修正ベクトル
{Δβ}と前回の非線形項パラメータ{β}(最初は初
期値)とを加算して今回の新しい非線形項パラメータ
{β*}を計算する(同ステップS12)。
The correction vector {Δβ} obtained in this way and the previous nonlinear term parameter {β} (initial value are initially added) are added to calculate the new nonlinear term parameter {β * } this time. Step S12).

【0125】[0125]

【数35】 {β*}={β}+{Δβ} ・・・式(35)35β * } = {β} + {Δβ} (35)

【0126】このようにして求めた新しい非線形項パラ
メータ{β*}を用いて上記のステップS4以降を繰り
返し実行する。この繰り返しループのステップS6で計
算した残差二乗和Sが前回の値より小さくなっていない
ときには、このSが最小値に達したことになるので、
{β}の計算ループから出る(同ステップS7の“N
o”)。
Using the new non-linear term parameter {β * } obtained in this way, the above-described step S4 and subsequent steps are repeatedly executed. If the residual sum of squares S calculated in step S6 of this iterative loop is not smaller than the previous value, it means that S has reached the minimum value,
The processing exits from the calculation loop of {β} (“N” in step S7).
o ").

【0127】そして、再度縮小しないFRFを入力して
(同ステップS13)、このFRFと既に決定された
{β}を式(19)に代入して線形項{α}を計算する
(同ステップS14)。
Then, an FRF that does not shrink is input again (step S13), and the FRF and the already determined {β} are substituted into equation (19) to calculate a linear term {α} (step S14). ).

【0128】この過程は線形最小二乗法が適用できるた
め繰り返し計算は不要である。
In this process, the linear least squares method can be applied, so that iterative calculation is unnecessary.

【0129】そして、最適なモード特性を示す{α}と
{β}を出力する(同ステップS15)。
Then, {α} and {β} indicating the optimal mode characteristics are output (step S15).

【0130】〔モデルデータによる検証〕ここで、本発
明に係る振動特性解析装置をモデルデータにより以下に
検証する。
[Verification by Model Data] Here, the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention will be verified with model data as follows.

【0131】図4の一端を固定した10自由度モデルに
おける各質点の質量と各質点間のバネ剛性の値を表1の
ように与える。比例粘性減衰を仮定し、減衰係数ci
質量mi、バネ剛性kiの間に以下の関係があるとする。
Table 1 shows the mass of each mass point and the value of the spring stiffness between each mass point in the 10-degree-of-freedom model having one end fixed in FIG. Assuming proportional viscous damping, damping coefficients c i ,
It is assumed that the following relationship exists between the mass m i and the spring stiffness k i .

【0132】[0132]

【表1】 [Table 1]

【0133】[0133]

【数36】 ci=αmi+βki (α=0.15,β=3.0×10-6) ・・・式(36) 対象とする周波数域および周波数分解能Δfは、0.1〜6
40.1(Hz),Δf=0.1(Hz) とする。
C i = αm i + βk i (α = 0.15, β = 3.0 × 10 −6 ) Equation (36) The target frequency range and frequency resolution Δf are 0.1 to 6
40.1 (Hz) and Δf = 0.1 (Hz).

【0134】この周波数領域には1次から6次までの固
有モードが存在する。加振点を質点1、応答点を質点1
から質点10とする場合の10個のFRFをシミュレー
ションで求め、多点参照の入力データとする。
In this frequency domain, there are first to sixth order eigenmodes. The excitation point is mass point 1 and the response point is mass point 1.
From the simulation, 10 FRFs when mass point 10 is obtained are obtained by simulation and used as input data for multipoint reference.

【0135】図5〜図10は、質点1の自己FRFにお
ける同定結果を示している。まず、入力(加振力)には
雑音を入れず、応答に4%の正規分布雑音を混入させた
場合の同定を行ったときの入力データの位相と振幅とコ
ヒーレンス関数をそれぞれ図5(1)〜(3)に示す。
また、図6(1)及び(2)には、図5の入力データを
用いて従来より重み関数として一般的に用いられている
例えばFRFの振幅の逆数の平方により同定した結果と
真値を位相とともに示す。図7(1)及び(2)には、
図5の入力データを用いて本発明による式(15)の重
み関数によって同定した結果と真値を位相とともに示
す。
FIGS. 5 to 10 show the results of identification of mass point 1 in the self-FRF. First, FIG. 5 (1) shows the phase, amplitude and coherence function of input data when identification is performed when noise is not included in the input (excitation force) and 4% normal distribution noise is mixed in the response. ) To (3).
6 (1) and 6 (2) show, using the input data of FIG. 5, the result of identification and the true value identified by, for example, the square of the reciprocal of the amplitude of FRF, which has been generally used as a weight function. Shown with phase. In FIG. 7 (1) and (2),
The result and the true value identified by the weight function of the equation (15) according to the present invention using the input data of FIG. 5 are shown together with the phase.

【0136】図6と図7を比較すると、入力データに雑
音を含まない時は両手法とも真値と同定結果の値とがほ
ぼ一致しており、真値を同定できることが分かる。
A comparison between FIG. 6 and FIG. 7 shows that when the input data contains no noise, the true value and the value of the identification result are almost the same in both methods, indicating that the true value can be identified.

【0137】次に、加振力と応答のそれぞれに2%と4
%の正規分布に従った雑音を混入させて同定を行う。図
8(1)〜(3)には、同定に使用する入力データの位
相と振幅とコヒーレンス関数を示す。図9(1)及び
(2)には、図8の入力データを用い従来の重み関数に
より行った同定を行ったときの結果と真値を位相ととも
に示す。図10(1)及び(2)には、図8の入力デー
タを用い本発明による重み関数で同定を行ったときの結
果と真値を位相とともに示す。
Next, the excitation force and the response were respectively 2% and 4%.
Identification is performed by mixing noise according to the normal distribution of%. FIGS. 8A to 8C show the phase, amplitude, and coherence function of input data used for identification. FIGS. 9A and 9B show the result and the true value together with the phase when the identification is performed by the conventional weight function using the input data of FIG. FIGS. 10A and 10B show the result and the true value together with the phase when identification is performed by the weight function according to the present invention using the input data of FIG.

【0138】図9と図10を比較すると、後者の本発明
による重み関数によって同定を行った場合には同定結果
と真値とがほぼ一致しているのに対し、前者の場合には
大きな差異が認められる。したがって、本発明の同定精
度の方が従来の重み関数を用いた方より明らかに優れて
いることが分かる。
Comparing FIG. 9 and FIG. 10, when the identification is performed by the latter weighting function according to the present invention, the identification result and the true value are almost the same, whereas in the former case, the difference is large. Is recognized. Therefore, it can be seen that the identification accuracy of the present invention is clearly superior to that using the conventional weight function.

【0139】このように、従来の重み関数による同定で
は、入力に雑音を含まない場合には同定精度は良いが、
入力に混入する雑音が大きくなるに従って同定精度は低
下する。それに対し、本発明による重み関数による同定
は全周波数応答関数より重み関数を求めているので偶然
誤差が相殺され、入力に雑音が混入していても同定精度
は良い。
As described above, in the conventional identification using the weight function, the identification accuracy is good when the input does not include noise.
The identification accuracy decreases as the noise mixed into the input increases. On the other hand, in the identification by the weight function according to the present invention, since the weight function is obtained from the entire frequency response function, errors are accidentally canceled out, and the identification accuracy is good even if noise is mixed in the input.

【0140】〔簡略化ベアリングビームの同定結果〕図
11に示す軟鋼製角棒を対象に振動試験を行う。周波数
応答関数の振幅の逆数の平方を用いる従来の重み関数
と、式(15)に示した本発明による重み関数を用いて
同定を行い、両結果を比較する。
[Identification Result of Simplified Bearing Beam] A vibration test is performed on a mild steel square bar shown in FIG. Identification is performed using the conventional weight function using the square of the reciprocal of the amplitude of the frequency response function and the weight function according to the present invention shown in Expression (15), and the two results are compared.

【0141】ただし、ここでは、3番の点をy方向に加
振し、応答は1番から14番までを採用する。
However, here, the third point is excited in the y-direction, and the first to fourteenth responses are adopted.

【0142】図12には、3番点の自己応答の入力デー
タの位相(同図(1))と、従来法及び本発明の振幅
(同図(2))を示す。図示の如く、従来法に比べて本
発明による同定結果の方が精度が良いことが分かる。
FIG. 12 shows the phase of the input data of the third self-response (FIG. 12 (1)) and the amplitude of the conventional method and the present invention (FIG. 12 (2)). As shown in the figure, it can be seen that the accuracy of the identification result according to the present invention is higher than that of the conventional method.

【0143】また、図13〜図15には、それぞれ、1
次固有モード(Z方向の曲げ1次)と、3次固有モード
(Z方向の曲げ3次)と、5次固有モード(Z方向の曲
げ3次)のモード形状の同定結果が示されている。
FIGS. 13 to 15 respectively show 1
The identification results of the mode shapes of the next eigenmode (first bending in the Z direction), the third eigenmode (third bending in the Z direction), and the fifth eigenmode (third bending in the Z direction) are shown. .

【0144】図13及び図14では、両重み関数による
同定結果は共に真のモード形状を同定できているが、図
15では従来の重み関数に比べ、本発明による重み関数
で同定した結果の方が3次の対称モード形(中心位置は
391mm)に近いことから真値に近いと考えられる。
In FIGS. 13 and 14, the results of identification using both weighting functions can identify the true mode shape, but in FIG. 15, the results of the identification using the weighting function according to the present invention are better than the conventional weighting functions. Is close to a tertiary symmetric mode (center position is 391 mm), so it is considered to be close to the true value.

【0145】これは本発明の手法が全FRFとコヒーレ
ンス関数より重み関数を求めているため、入力データに
含まれる雑音の影響が相殺され、全固有モードで精度の
良い同定結果が得られたと考えられる。
This is because the method of the present invention obtains a weighting function from all the FRFs and the coherence function, so that the influence of the noise included in the input data is canceled out, and a high-precision identification result is obtained in all the eigenmodes. Can be

【0146】[0146]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る振動特
性解析装置によれば、周波数応答関数データと該周波数
応答関数の理論値との重み付き残差二乗和を最小とする
最小二乗法によりモード特性パラメータを計算すること
により該被試験物のモード特性を同定する演算装置が、
該周波数応答関数の選択された固有モードに対応する虚
数部の極性に+1又は−1をそれぞれ乗じて正極性にし
た周波数応答関数を重ね合わせることにより該固有モー
ドに対応する周波数応答関数をそれぞれ求め、該周波数
応答関数の数を該固有モードの数に縮小するとともに、
多数の該周波数応答関数を同時に考慮した重み関数を求
めて該残差二乗和に適用するように構成したので、入力
に雑音が混入しても、従来の重み関数に比べ、同定精度
が向上する。
As described above, according to the vibration characteristic analyzing apparatus of the present invention, the least squares method for minimizing the weighted residual square sum of the frequency response function data and the theoretical value of the frequency response function is used. An arithmetic unit that identifies a mode characteristic of the DUT by calculating a mode characteristic parameter,
A frequency response function corresponding to the eigenmode is obtained by superimposing a positive frequency response function by multiplying the polarity of the imaginary part corresponding to the selected eigenmode of the frequency response function by +1 or −1, respectively. Reducing the number of the frequency response functions to the number of the eigenmodes,
Since the weighting function is obtained by simultaneously considering a large number of the frequency response functions and applied to the residual sum of squares, even if noise is mixed in the input, the identification accuracy is improved compared to the conventional weighting function. .

【0147】また、本発明による重み関数は全周波数応
答関数で共通であるため、多点参照において入力データ
が増加する場合に、計算機の記憶容量に対する負荷を小
さくすることができる。
Further, since the weighting function according to the present invention is common to all the frequency response functions, the load on the storage capacity of the computer can be reduced when the input data increases in multipoint reference.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明及び従来例に共通な振動特性解析装置を
示したブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a vibration characteristic analysis device common to the present invention and a conventional example.

【図2】本発明に係る振動特性解析装置で用いられるF
RF(周波数応答関数)行列のデータ縮小を説明する図
である。
FIG. 2 shows an F used in the vibration characteristic analyzer according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating data reduction of an RF (frequency response function) matrix.

【図3】本発明に係る振動特性解析装置における演算装
置に格納され且つ実行される演算アルゴリズムを示した
フローチャート図である。
FIG. 3 is a flowchart showing an arithmetic algorithm stored and executed in an arithmetic unit in the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention.

【図4】一端を固定した10自由度モデルを示した図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing a 10-degree-of-freedom model having one end fixed.

【図5】同定のために用いる入力FRFデータ(その
1:入力雑音を含まず応答に4%の正規分布雑音を混入
させたもの)の位相、振幅、及びコヒーレンス関数を示
したグラフ図である。
FIG. 5 is a graph showing a phase, an amplitude, and a coherence function of input FRF data used for identification (No. 1: a signal obtained by mixing 4% normal distribution noise into a response without input noise). .

【図6】図5に示した入力データ(その1)に対して従
来の重み関数を用いて同定したときの位相と振幅を示し
たグラフ図である。
6 is a graph showing a phase and an amplitude when the input data shown in FIG. 5 (part 1) is identified using a conventional weight function.

【図7】図5に示した入力データ(その1)に対して本
発明の重み関数を用いて同定したときの位相と振幅を示
したグラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing a phase and an amplitude when the input data (part 1) shown in FIG. 5 is identified by using the weight function of the present invention.

【図8】同定のために用いる入力FRFデータ(その
2:入力と応答にそれぞれ2%及び4%の正規分布雑音
を混入させたもの)の位相、振幅、及びコヒーレンス関
数を示したグラフ図である。
FIG. 8 is a graph showing the phase, amplitude, and coherence function of input FRF data used for identification (part 2: input and response mixed with 2% and 4% of normally distributed noise, respectively); is there.

【図9】図8に示した入力データ(その2)に対して従
来の重み関数を用いて同定したときの位相と振幅を示し
たグラフ図である。
9 is a graph showing a phase and an amplitude when the input data (No. 2) shown in FIG. 8 is identified using a conventional weight function.

【図10】図8に示した入力データ(その2)に対して
本発明の重み関数を用いて同定したときの位相と振幅を
示したグラフ図である。
FIG. 10 is a graph showing a phase and an amplitude when the input data (part 2) shown in FIG. 8 is identified using the weight function of the present invention.

【図11】ベアリングビームを模擬した振動試験対象の
軟鋼製角棒を示した図である。
FIG. 11 is a view showing a mild steel square bar to be subjected to a vibration test simulating a bearing beam.

【図12】図11の角棒における3番点の自己応答の入
力データの位相及び振幅を示したグラフ図である。
12 is a graph showing the phase and amplitude of the input data of the self-response at the third point on the square bar in FIG. 11;

【図13】図11の角棒を加振した時の1次固有モード
(Y方向の曲げ1次)のモード形状の同定結果を示した
グラフ図である。
13 is a graph showing a result of identifying a mode shape of a first-order eigenmode (bending in the Y direction) when the square bar of FIG. 11 is excited.

【図14】図11の角棒を加振した時の2次固有モード
(Y方向の曲げ2次)のモード形状の同定結果を示した
グラフ図である。
14 is a graph showing a result of identifying a mode shape of a second-order eigenmode (bending in the Y direction) when the square bar of FIG. 11 is vibrated.

【図15】図11の角棒を加振した時の3次固有モード
(Y方向の曲げ3次)のモード形状の同定結果を示した
グラフ図である。
FIG. 15 is a graph showing a result of identifying a mode shape of a third-order eigenmode (third bending in the Y direction) when the square bar of FIG. 11 is vibrated.

【図16】FRF行列の例を示した図である。FIG. 16 is a diagram showing an example of an FRF matrix.

【図17】従来の特異分解法によるデータ縮小例を示し
た図である。
FIG. 17 is a diagram showing an example of data reduction by a conventional singular decomposition method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 被試験物 2 インパルスハンマー 3 ロードセル 4 加速度センサ 5 演算装置 図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DUT 2 Impulse hammer 3 Load cell 4 Acceleration sensor 5 Arithmetic unit In a figure, the same numerals show the same or corresponding parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】被試験物を加振するためのインパルスハン
マーに取り付けられた力検出用ロードセルと、該被試験
物の任意の場所に取り付けられて該被試験物の該インパ
ルスハンマーに起因する加振応答を測定する加速度セン
サと、該ロードセルの出力信号及び該センサの出力信号
とを受けて周波数応答関数データを求め、該周波数応答
関数データと該周波数応答関数の理論値との重み付き残
差二乗和を最小とする最小二乗法によりモード特性パラ
メータを計算することにより該被試験物のモード特性を
同定する演算装置とを備え、該演算装置が、該周波数応
答関数の選択された固有モードに対応する虚数部の極性
に+1又は−1をそれぞれ乗じて正極性にした周波数応
答関数を重ね合わせることにより該固有モードに対応す
る周波数応答関数をそれぞれ求め、該周波数応答関数の
数を該固有モードの数に縮小する振動特性解析装置にお
いて、 該演算装置が、さらに、多数の該周波数応答関数を同時
に考慮した重み関数を求めて該残差二乗和に適用するこ
とを特徴とした振動特性解析装置。
1. A load cell for force detection attached to an impulse hammer for vibrating a test object, and a load cell attached to an arbitrary position of the test object and caused by the impulse hammer of the test object. An acceleration sensor for measuring vibration response, an output signal of the load cell, and an output signal of the sensor to obtain frequency response function data, and a weighted residual between the frequency response function data and a theoretical value of the frequency response function. An arithmetic unit for identifying a mode characteristic of the device under test by calculating a mode characteristic parameter by a least square method of minimizing a sum of squares, wherein the arithmetic unit operates on a selected eigenmode of the frequency response function. A frequency response function corresponding to the eigenmode is obtained by superimposing a positive frequency response function by multiplying the polarity of the corresponding imaginary part by +1 or -1, respectively. A vibration characteristic analysis device for calculating each of the frequency response functions and reducing the number of the frequency response functions to the number of the eigenmodes; A vibration characteristic analysis device characterized by being applied to summation.
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