NO160102B - Fremgangsmaate for maaling og kartlegging av vibrasjoner samt anordning for utfoerelse av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for måling og kartlegging av vibrasjoner av den art som angitt i innledningen til krav 1, samt en anordning for utførlse av fremgangsmåten av den art som angitt i innledningen til krav 2.

I mange sammenhenger er det viktig å kunne bestemme fordelingen av vibrasjoner over et objekt. Vibrasjonene kan f.eks. føre til for høy belastning på kritiske deler av en konstruk-sjon, eller de kan skape uønsket lydstøy. Oppfinnelsen gjør det mulig å nøyaktig bestemme fordelingen og de virkelige utsvingene til et objekt under drift.

Det finnes i dag en del teknikker og metoder som kan benyttes til en slik kartlegging. Vi skal her kort beskrive disse teknikkene og redegjøre for noen av deres styrker og svakheter:

1) Lokale målemetoder.

Med lokale målinger menes de målinger som baserer seg på en eller flere enkelt-element-følere (sensorer/detektorer) for måling av forskyvninger i både gass (luft) og faste stoffer. Disse omfatter mikrofon- (lydmålinger), akselerometer-, strekklapp-, "Eddy-current"-, fotomultiplikatorrør- eller halvlederdiodemålinger etc. Metodene er vanligvis karakterisert ved høy tidsoppløsning, kan følge hurtige tidsvaria-sjoner, men de er også karakterisert ved at bare den resulterende forskyvningen i ett lokalt område blir avlest. Det vil si at for at vi skal kunne lage et kart/bilde av vibrasjonsfordelingen over et objekt må vi enten bygge opp en matrise av følere, eller sveipe en eller flere følere over et større område. I begge tilfellene ender vi opp med tid-krevende og kompliserte målinger, og det kan være vanskelig å oppnå den nomlige nøyaktigheten (posisjonsbestemmelsen av vibrasjonene) man er ute etter.

2) Avbildende målemetoder.

Med avbildende målinger menes alle typer billedavlesende målinger der vi belyser objektet og avleser objektvibra-sjonene ved å måle over et helt bilde. De mest kjente teknikkene har navn med moire, speckle eller interferometri i seg.

De avbildende metoder kjennetegnes ved at man enkelt oppnår den søkte avbildningseffekten ved f.eks. å benytte seg av avbildende optikk (linser, speil etc), og kombinere optikken sammen med "billed-detektorer" som f.eks. fotografisk film, TV-kamera etc. Dette resulterer i teknikker med stor rommelig nøyaktighet (rommelig oppløsning). For å få til denne nøyaktigheten må vi betale i form av begrenset tidsoppløsning. Repetisjonsfrekvensen på billedopptakene blir vanligvis for liten, og likevel ender vi opp med nær uoverkommelige mengder med data som skal behandles.

Et formål med oppfinnelsen er å kartlegge vibrasjoner ved at vi foretar effektiv datareduksjon og ved at vi kombinerer fordelene til både de lokale og avbildende målemetodene: nemlig høy tidsoppløsning på den lokale siden kombinert med høy rommelig oppløsning på den avbildende siden.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en fremgangsmåte og anordning av den innledningsvis nevnte art, hvis karakteris-tiske trekk fremgår av hhv. krav 1 og 2.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige kravene.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan vi på en effektiv og enkel måte kartlegge mekaniske vibrasjoner og svingninger. Metoden består av to adskilte eksperimentelle prosedyrer, nemlig lokalt målopptak og kombinert lokal og avbildende kalibrering og analyse.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til figuren.

På figuren er vist skjematisk en tegning av en enkel måleoppstilling hvor objektet 2 kan være en motor under drift. Lyden i motoren 2 registreres ved hjelp av en mikrofon 1. Frekvensinnholdet kan analyseres ved hjelp av en spektralanalysator 3, eller alternativt måle utvalgte frekvenskom-ponenter ved hjelp av båndpassfilteret som kan være " inneholdt i spektralanalysatoren 3.

De lokale målingene foretas ved hjelp av en eller flere følere 1 (sensorer/detektorer), Jfr. figuren. Eksempler på slike følere er: mikrofoner, (undervanns-)svingere, akse-lerometere, piezoelektriske transdusere, "Eddy-current"-følere, fotomultiplikatorrør og halvlederdioder. Ved hjelp av disse kan vi få ut et elektrisk signal som angir svingningene i gass (luft), væsker eller faste stoffer.

Det anbringes en eller flere slike følere 1 i en fast lokal posisjon (eller fast posisjon) på eller i forhold til et vibrerende måleobjekt 2. Deretter taes opp et signalspektrum 3 av det svingende objektet 2 eller det måles frekvenskom-ponentene på utvalgte frekvenser. Dette kan f.eks. gjøres ved bruk av en elektronisk spektralanalysator, eller ved direkte bruk av variable eller fast innstilte elektroniske filtre. Objektsvingningene kan være støyende og av en hvilken som helst natur, dvs. ikke nødvendigvis enkle harmoniske svingninger.

Figuren viser også den delen av oppsettet som kan brukes til å kalibrere data. Det antas at motoren 2 og mikrofonen 1 står på samme plass som under det første opptaket beskrevet ovenfor med hensyn til lokalt måleopptak. Det antas også at de akustiske forhold forøvrig ikke er endret i forhold til de forholdene som var til stede under dette opptaket. Eksitasjonskilden 4 til den harmoniske vibrasjonen bør være den samme som kilden til støyvibrasjonen eller plassert på samme sted, men dette er ikke noe krav. Den kan også være en vibrator som plasseres på eller nær objektet. Ved hjelp av den harmoniske eksitasjonskilden 4 eksiteres nå ved hjelp av et ristebord eller en piezoelektrisk transdusor og som er koplet til motoren 2.

Samtidig med de lokale målingene foretas nå også avbildende måling ved hjelp av avbildningsoptikk 5. Den optiske teknikken kan f.eks. være holografisk interferometri 6 eller TV-basert holografisk interferometri, også kalt ESPI "Electronic Speckle Pattern Interferometry". Disse teknikkene gir et bilde av objektet med overlagret koter som angir konstante vibrasjonsamplituder (og eventuelt faser). På denne måten kan det relateres et bestemt signalnivå ut i fra den lokale føleren 1 til et svingeamplitudekart av objektet, og man får kalibrert/relatert det lokale signalet fra den lokale føleren 1 til fordelingen av svingeamplituden over objektet 2. Deretter kan vi gjenta denné prosedyren for alle vibra-sjonsfrekvensene. Dersom det lokale signalet er for svakt for noen av frekvensene, kan vi gjenta prosedyren med andre følerplasseringer eller bruke flere parallelle følere. Ved det viste eksempelet resulterer avbildningsteknikken tenkt i et bilde på en TV-monitor som også viser et kotekart (inter-ferensstriper) overlagret bilde av motoren 2. Disse kotene vil som ovenfor nevnt angi virkelige svingeamplituder for motoren 2 og dersom de harmoniske eksitasjonskildene 4 også eksiterer frekvens- eller faseforskjøvet en fasemodulerings-enhet i det TV-baserte holografiske interferometeret 6, kan vi også avlese svingefasefordelingen over dette objektet.

Samtidig med den optiske avbildningen og avlesningen gjøres det også mikrofonopptak- ved hjelp av følerne 1 og signal-spektrumet 3 av den lyden som den harmoniske svingende motoren avgir. Forholdet lydsignal/svingeamplitude gir en kalIbreringsfaktor som bestemmer hvor mye motoren 2 virkelig svingte under det interessante lydopptaket. I tillegg kan vi også fortelle hvilken svingeform denne lydfrekvensen tilsvarer. Det vil også være mulig å lagre lydsignal- og TV-bilder ved hjelp av f.eks. en video-båndopptaker inneholdt i enheten 6. Enheten 7 er en datamaskin for opptak, sammenstilling og beregning av sammensatte lokale avbildende måledata.

Disse målingene kan nå gjentas for alle de frekvenser som er ønsket å få testet svingningene på.

Sammenfattet kan denne kalibreringen av lokal teknikk ved hjelp av avbildningsteknikk og ved hjelp av det lokale måle-opptaket, kunne fortelle hvordan og hvor mye objektet virkelig svinger. Således kan man ved sammenstilling av måledataen tilveiebrakt ved enheten 7 få frem følgende: 1. Et oversikt/kart over virkelig svingeamplitude for hvert resonnansemønster (resonnansefrekvens)., 2. kombinere i-fase og ut-av-fase bidrag for sammensatte resonnansemønstre, 3. finne kalibrerte uttrykk for frekvensinnhold til støykilder, 4. beregne tøyningsfordelingen for enten hver resonnans eller også for sammensatte resonnansemønstre (det antas da at f.eks. elementmetodeberegninger forefinnes).

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for måling og kartlegging av vibrasjoner, hvor det:

1) tas et lokalt akustisk opptak av uharmoniske svingninger a fra et testobjekt, f.eks. en motor,

2) svingningene underkastes en spektralanalyse, karakterisert ved at

3) testobjektet eksiteres aktivt med en svingefrekvens lik en frekvenskomponent b funnet ved spektralanalysen i 2),

4) det foretas lokale og avbildende målinger av objektet,

5) kalibreringsfaktoren: akustisk signal - amplitude/fysisk svingeamplitude beregnes,

6) punktene 3, 4 og 5 gjentas for hver aktuell frekvenskomponent b i punkt 1,

7) den romlige formen på svingningen a rekonstrueres ved å dele lydsignalamplituden for hver komponent b med den tilsvarende kalibreringsfaktor, hvorpå resultatene summeres.

2. Anordning for utførelse av fremgangsmåten for måling og kartlegging av vibrasjoner ifølge krav 1, omfattende i det minste en lokal føler (1), et første måleinstrument (3) for måling med den lokale føleren (1) for å utføre lokal registrering og frekvensdekomponering av vibrasjonen til et svingende objekt (2) som skål undersøkes, karakterisert ved at den innbefatter: en avbildende enhet (5), et andre måleinstrument (6) for målinger i forbindelse med avbildingsenheten (5) anvendt i kombinasjon med lokalfølerne (1) og det første måleinstrumentet (3) for å tilveiebringe henholdsvis lokal og avbildende registrering av vibrasjonen til et svingende objekt, en vibrerende eksitasjonskilde (4) som bevirker at objektet (2) som skal undersøkes svinger harmonisk, og "beregningsanordning (7) for å sammenstille de lokale og avbildende målingene.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at den lokale føleren (1) er: en mikrofon, et akselerometer, en piezo-elektrisk krystall, en "Eddy-current"-føler, et fotomultiplikatorrør eller en halvlederdiode.

4. Anordning ifølge krav 2-3, karakterisert ved at den avbildende enheten (5) er et fritt rom uten optiske komponenter eller et linse- og/eller speilarrange-ment, og det avbildende måleinstrumentet (6) er et TV-basert holografisk interferometer, et filmbasert holografisk interferometer, et speckle-fotografioppsett, et film- eller TV-basert moire-instrument, eller et stroboskopisk av-bildningsinstrument.

5. Anordning ifølge krav 2-4, karakterisert ved at frekvensdekomponeringen i måleinstrumentet (3) foregår ved hjelp av en elektronisk spektralanalysator, et variabelt eller fast innstilt elektronisk filter, eller en elektronisk filterbank.

6. Anordning ifølge krav 2-5, karakterisert ved at beregningsanordningen (7) for sammenstilling av de lokale og avbildende målingene er en datamaskin.