WO2023218668A1 - 加振力最適化システム、加振力最適化方法、及び演算装置 - Google Patents

加振力最適化システム、加振力最適化方法、及び演算装置 Download PDF

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大樹 小林
利基 中西
洋介 櫻田
淳 荒武
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Definitions

  • the present invention relates to an excitation force optimization system, an excitation force optimization method, and an arithmetic device.
  • a modal experiment is an experiment in which any part of a structure is vibrated and the responses are observed at multiple locations in order to learn the natural frequency characteristics of the structure.
  • the simplest and most common modal experiment is an experiment using an impulse hammer and an accelerometer.
  • an impulse hammer strikes a structure manually, if the structure is a large structure such as a civil engineering structure, the attenuation becomes large, making it extremely difficult to measure an accurate frequency response function.
  • Excitation force refers to the force that applies vibration to a structure.
  • Nonlinearity refers to the property that the relationship between output and input is not proportional.
  • Non-Patent Document 1 in a large structure, instead of one vibrator that applies a large excitation force to the structure, multiple vibrators that apply a small excitation force to the structure are used, Techniques have been described to more evenly distribute loads on structures.
  • the purpose of the present disclosure which was made in view of the above circumstances, is to provide an arithmetic device for deriving a frequency response function of a structure, an excitation force optimization system and an excitation force optimization system for optimizing excitation force in deriving the frequency response function of a structure.
  • An object of the present invention is to provide an excitation force optimization method.
  • an excitation force optimization system is an excitation force optimization system that optimizes excitation force when deriving a frequency response function of a structure.
  • a vibrator that excites the One or more accelerometers installed in the structure measure the vibration of the structure each time the structure is excited, and a frequency response function is derived based on the measured value of the vibration of the structure.
  • an arithmetic device that controls the excitation force of the vibrator based on the frequency response function.
  • the excitation force optimization method is an excitation force optimization method that optimizes the excitation force when deriving the frequency response function of a structure, and includes: a step of repeatedly exciting the structure by stepwise amplifying the excitation force using a vibrator; measuring vibrations of the structure excited by the vibration exciter using one or more accelerometers; using a calculation device to derive a frequency response function based on the measured value of vibration of the structure; After the calculation device derives a first frequency response function in which the frequency at which the peak of the frequency response function appears varies depending on the number of trials, the frequency at which the peak of the frequency response function that is equal to or higher than the first threshold value appears is determined by the number of trials.
  • the arithmetic device derives a third frequency response function in which a peak of the frequency response function that is not present in the second frequency response function and is greater than or equal to the second threshold is derived, the third frequency response function outputting a frequency response function obtained by averaging the one or more recorded second frequency response functions; including.
  • a computing device that derives a frequency response function of a structure, and includes a receiving unit that receives measured values of vibration of the structure from one or more accelerometers. a calculation unit that derives the frequency response function based on the measured value and controls the excitation force of the vibrator based on the frequency response function; and a display unit that displays and visualizes the frequency response function. and a recording unit that records the frequency response function. Equipped with
  • the excitation force optimization system since the optimal excitation force for a structure is automatically searched, an accurate frequency response function can be derived regardless of the skills and know-how of engineers. .
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure. It is a graph showing a frequency response function in which the excitation force is in an appropriate range. It is a graph showing a frequency response function in a range where the excitation force is excessive.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an arithmetic device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a flowchart illustrating an example of an excitation force optimization method executed by an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a flowchart illustrating an example of an excitation force optimization method executed by an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a computer functioning as an arithmetic device.
  • an excitation force optimization system 1 which includes a calculation flow that amplifies the excitation force in stages (step amplification) and searches for an excitation force in which such a pseudo peak does not appear.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an excitation force optimization system 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the excitation force optimization system 1 includes a vibrator 10, one or more accelerometers 20, and an arithmetic device 30.
  • the excitation force optimization system 1 optimizes the excitation force when deriving a frequency response function of a structure.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure.
  • the structure (object to be monitored) 40 is a pipe (tubular structure), and is attached to supporting hardware 41 at both ends with U bolts 42.
  • the vibrator 10 applies an excitation force to the structure 40, the structure 40 vibrates.
  • One or more accelerometers 20 (20-1 to 20-n) are attached to the structure 40, and the one or more accelerometers 20 measure vibrations of the structure 40.
  • the measured value of the vibration of the structure 40 is transmitted to the arithmetic device 30 by wire or wirelessly, and the arithmetic device 30 derives a frequency response function of the structure 40 based on the measured value.
  • the vibrator 10 vibrates the structure 40.
  • the vibrator 10 first vibrates the structure 40 with an extremely small excitation force, and then amplifies the excitation force stepwise to repeatedly vibrate the structure 40.
  • the vibrator 10 is a modal vibrator.
  • the excitation force optimization system 1 When the excitation force optimization system 1 is activated, the vibrator 10 excites the structure 40 with an excessively small excitation force.
  • the vibrator 10 vibrates the structure 40 by amplifying the vibrating force in stages (step amplification) according to instructions from the arithmetic unit 30, as described later.
  • One or more accelerometers 20 are installed in the structure 40 and measure vibrations of the structure 40 every time the structure 40 is excited. As shown in FIG. 1, the one or more accelerometers 20 are comprised of n accelerometers 20-1 to 20-n.
  • the accelerometer 20-1 includes a measuring section 21-1 that measures the vibration of the structure 40, and a transmitting section 22-1 that transmits the measured value to the receiving section 31 of the arithmetic device 30.
  • the accelerometers 20-2 to 20-n also have similar configurations and functions.
  • the calculation device 30 derives a frequency response function based on the measured value of vibration of the structure 40.
  • FIG. 3 is a graph showing a frequency response function when the excitation force is within an appropriate range.
  • FIG. 4 is a graph showing a frequency response function when the excitation force is excessive. 3 and 4 show the imaginary part of the frequency response function.
  • the frequency response function has a small attenuation and a sharp peak b.
  • the frequency response function has a peak a1 (pseudo peak a1) in a frequency band that does not exist in the frequency response function of Fig. 3. In the frequency band in which peak b appears in FIG. 3, a peak a2 with a less sharp rise appears.
  • the frequency response functions shown in FIGS. 3 and 4 are superimposed frequency response functions derived from the measurement values of each of the n accelerometers.
  • the arithmetic device 30 controls the excitation force of the vibrator based on the frequency response function.
  • trial refers to amplifying the excitation force in stages to derive a frequency response function.
  • the arithmetic device 30 repeats the trial a plurality of times (N times) and compares the plurality of frequency response functions recorded in each trial. When it is determined that the frequency response function is a first frequency response function A in which the frequency at which the peak of the frequency response function appears varies depending on the number of trials (no reproducibility), the arithmetic unit 30 applies the excitation force to the first frequency response function A. Amplify.
  • the arithmetic device 30 uses a second frequency response function B in which the frequency response function has a constant (reproducible) frequency at which a peak of the frequency response function that is equal to or higher than the first threshold appears regardless of the number of trials. If it is determined that there is, the second frequency response function B is recorded and the excitation force is amplified. (iii) The arithmetic device 30 determines that the frequency response function is a third frequency response function C that does not exist in the second frequency response function and exhibits a peak of the frequency response function that is greater than or equal to the second threshold. If so, the most recent third frequency response function C is discarded, and the average value of one or more second frequency response functions B is output.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of an arithmetic device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the computing device 30 includes a receiving section 31, a computing section 32, a display section 33, and a recording section 34. Arithmetic device 30 derives a frequency response function of the structure.
  • the calculation unit 32 constitutes a control calculation circuit (controller) 50.
  • the control calculation circuit 50 may be configured by dedicated hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or may be configured by a processor, or may be configured by including both. may be done.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • FPGA Field-Programmable Gate Array
  • the receiving unit 31 receives the measured value of the vibration frequency of the structure 40 from the transmitting unit (22-1 to 22-n) of one or more accelerometers 20.
  • the calculation unit 32 derives a frequency response function based on the measured value of the vibration frequency of the structure 40, and controls the excitation force of the vibrator 10 based on the frequency response function. (i) The calculation unit 32 repeats the trial a plurality of times (N times), and compares the plurality of frequency response functions recorded in the recording unit 34 for each trial. When it is determined that the frequency response function is a first frequency response function A in which the frequency at which the peak of the frequency response function appears varies depending on the number of trials (without reproducibility), the calculation unit 32 applies the excitation force to the first frequency response function A. Amplify.
  • the calculation unit 32 uses a second frequency response function B in which the frequency at which the peak of the frequency response function that is equal to or higher than the first threshold value appears is constant (reproducible) regardless of the number of trials. If it is determined that there is, the second frequency response function B is recorded and the excitation force is amplified. (iii) The calculation unit 32 determines that the frequency response function is a third frequency response function C that does not exist in the second frequency response function and exhibits a peak of the frequency response function that is greater than or equal to the second threshold. If so, the most recent third frequency response function C is discarded, and the average value of one or more second frequency response functions B is output.
  • the display unit 33 displays and visualizes the frequency response function.
  • the display section 33 is a display.
  • the display unit 33 determines whether the derived frequency response function is the first frequency response function A, the second frequency response function B, or the third frequency response function C. Display and visualize all frequency response functions on the display.
  • the recording unit 34 records the frequency response function.
  • the recording unit 34 stores one or more second frequency response functions B in response to a request from the calculation unit 32 when the calculation unit 32 averages the recorded one or more second frequency response functions B. Output to 32.
  • FIGS. 6A and 6B are flowcharts illustrating an example of an excitation force optimization method executed by an excitation force optimization system according to an embodiment of the present disclosure.
  • step S101 the vibrator 10 vibrates the structure 40 with an excessively small excitation force.
  • step S102 the measurement units 21-1 to 21-n of one or more accelerometers 20 measure vibrations of the structure 40.
  • the transmitting units 22-1 to 22-n of one or more of the accelerometers 20 transmit measured values of vibration of the structure 40 to the receiving unit 31 of the arithmetic device 30.
  • step S103 the calculation unit 32 of the calculation device 30 derives a frequency response function based on the received measurement value, and causes the display unit 33 of the calculation device 30 to display the derived frequency response function.
  • step S104 the recording unit 34 of the arithmetic device 30 records the derived frequency response function.
  • step S105 the calculation unit 32 of the calculation device 30 determines whether the number of trials has reached N times. If the N times have not been reached, the process advances to step S106; if the N times have been reached, the process advances to step S107.
  • step S106 the vibration exciter 10 amplifies the excitation force and vibrates the structure 40 according to instructions from the calculation unit 32 of the calculation device 30. Thereafter, the process returns to step S102, and the measurement units 21-1 to 21-n of one or more accelerometers 20 measure vibrations of the structure 40.
  • step S107 the calculation unit 32 of the calculation device 30 compares the frequency response functions recorded in the recording unit 34, and determines whether the derived frequency response function is the first frequency response function A or the second frequency response function B. Determine which of the following. If it is the second frequency response function B, the process advances to step S108. If it is the first frequency response function A, the process advances to step S106.
  • step S108 the calculation unit 32 of the calculation device 30 causes the recording unit 14 to record the derived second frequency response function B, and displays it on the display unit 33.
  • step S109 the vibrator 10 amplifies the excitation force in stages to vibrate the structure 40 according to instructions from the arithmetic unit 32 of the arithmetic device 30.
  • step S110 the measurement units 21-1 to 21-n of one or more accelerometers 20 measure vibrations of the structure 40.
  • the transmitting units 22-1 to 22-n of one or more of the accelerometers 20 transmit measured values of vibration of the structure 40 to the receiving unit 31 of the arithmetic device 30.
  • step S111 the calculation unit 32 of the calculation device 30 derives a frequency response function based on the received measurement value, and causes the display unit 33 of the calculation device 30 to display the derived frequency response function.
  • step S112 the calculation unit 32 of the calculation device 30 determines whether the derived frequency response function is the second frequency response function B or the third frequency response function C. If it is the second frequency response function B, the process advances to step S108. If it is the third frequency response function C, the process advances to step S113.
  • step S113 the most recent third frequency response function C is discarded, and a frequency response function obtained by averaging one or more second frequency response functions B recorded in the recording unit 34 is output.
  • the excitation force optimization system 1 applies the excitation force to the vibrator 10 in stages based on information on a frequency response function derived from measured values of vibration of a large structure by one or more accelerometers 20.
  • the system has a system configuration that adjusts the excitation force by feeding back specific amplification instructions. According to the excitation force optimization system 1, since the system automatically searches for the optimal excitation force, an accurate frequency response function can be derived regardless of the skills and know-how of the engineer.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a computer functioning as the arithmetic device 30.
  • the computer functioning as the arithmetic device 30 may be a general-purpose computer, a dedicated computer, a workstation, a PC (Personal Computer), an electronic notepad, or the like.
  • Program instructions may be program code, code segments, etc. to perform necessary tasks.
  • the computer 100 communicates with a processor 110, a ROM (Read Only Memory) 120, a RAM (Random Access Memory) 130, and a storage 140 as storage units, an input unit 150, an output unit 160, and An interface (I/F) 170 is provided.
  • a processor 110 a ROM (Read Only Memory) 120
  • a RAM Random Access Memory
  • storage 140 storage units
  • I/F An interface
  • the ROM 120 stores various programs and various data.
  • the RAM 130 temporarily stores programs or data as a work area.
  • the storage 140 is configured with an HDD (Hard Disk Drive) or an SSD (Solid State Drive), and stores various programs including an operating system and various data.
  • a program according to the present disclosure is stored in the ROM 120 or the storage 140.
  • the processor 110 is a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro Processing Unit), GPU (Graphics Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor), SoC (System on a Chip), etc., and may be of the same or different type. It may be configured with a plurality of processors.
  • the processor 110 reads a program from the ROM 120 or the storage 140 and executes the program using the RAM 130 as a work area, thereby controlling each of the above components and performing various calculation processes. Note that at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
  • the program may be recorded on a recording medium readable by the arithmetic device 30.
  • a recording medium By using such a recording medium, it is possible to install a program on the arithmetic device 30.
  • the recording medium on which the program is recorded may be a non-transitory recording medium.
  • the non-transitory recording medium is not particularly limited, and may be, for example, a CD-ROM, a DVD-ROM, a USB (Universal Serial Bus) memory, or the like.
  • this program may be downloaded from an external device via a network.
  • An excitation force optimization system that optimizes excitation force in deriving a frequency response function of a structure, a vibrator that vibrates the structure; one or more accelerometers installed in the structure that measures vibrations of the structure each time the structure is vibrated;
  • An excitation force optimization system comprising: a calculation device that derives a frequency response function based on a measured value of vibration of the vibration exciter, and controls an excitation force of the vibrator based on the frequency response function.
  • the frequency response function is a first frequency response function in which the frequency at which the peak of the frequency response function appears varies depending on the number of trials, the arithmetic device amplifies the excitation force and adjusts the frequency response function.
  • the frequency response function is a second frequency response function in which the frequency at which the peak of the frequency response function that is equal to or higher than the first threshold appears is constant regardless of the number of trials, the second frequency response function is recorded, and
  • the frequency response function is a third frequency response function in which a peak of the frequency response function that is not present in the second frequency response function and is equal to or higher than a second threshold appears.
  • the excitation force optimization system according to supplementary note 1, wherein the third frequency response function is discarded and an average value of the second frequency response function is output.
  • a calculation device for deriving a frequency response function of a structure a receiver that receives measurements of vibrations of the structure from one or more accelerometers; a controller that derives the frequency response function based on the measured value and controls the excitation force of the exciter based on the frequency response function; a display that displays and visualizes the frequency response function; a memory for recording the frequency response function;
  • a calculation device comprising: (Additional note 4) The controller amplifies the excitation force when the frequency response function is a first frequency response function in which the frequency at which the peak of the frequency response function appears varies depending on the number of trials; , in the case of a second frequency response function in which the frequency at which the peak of the frequency response function that is equal to or higher than the first threshold appears is constant regardless of the number of trials, the second frequency response function is recorded, and the When the excitation force is amplified and the frequency response function is a third frequency response function in which a peak of the frequency response function that is not present in the second frequency response
  • An excitation force optimization method for optimizing excitation force when deriving a frequency response function of a structure, the excitation force being amplified in stages using a vibrator and repeatedly vibrating the structure.
  • one or more accelerometers measure the vibration of the structure excited by the vibrator
  • a calculation device derives a frequency response function based on the measured value of the vibration of the structure
  • the second frequency response function When a second frequency response function that is constant regardless of the frequency response function is derived, the second frequency response function is recorded, and the arithmetic unit calculates a value equal to or higher than a second threshold that does not exist in the second frequency response function.
  • the third frequency response function When a third frequency response function in which a peak of the frequency response function appears is derived, the third frequency response function is discarded, and the one or more recorded second frequency response functions are averaged.
  • An excitation force optimization method that outputs a frequency response function.
  • Excitation force optimization system 10
  • Vibrator 20 One or more accelerometers 20-1 to 20-n Accelerometers 21-1 to 21-n Measurement section 22-1 to 22-n transmitter 30
  • Arithmetic device 31
  • Receiving section (receiver) 32
  • Arithmetic unit 33
  • Display section (display) 34
  • Recording section (memory) 40
  • Structures (objects to be monitored) 41
  • Support hardware 42
  • Control calculation circuit (controller) 100
  • Computer 110 120
  • ROM 130 RAM 140 Storage 150
  • Input section 160
  • Output section 170 Communication interface (I/F) 180 bus

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Abstract

加振力最適化システム（１）は、構造物（４０）の加振を行う加振器（１０）と、構造物（４０）が加振される度に、構造物（４０）の振動を計測する、構造物（４０）に設置された１以上の加速度計（２０）と、構造物（４０）の振動の計測値に基づいて周波数応答関数を導出するとともに、該周波数応答関数に基づいて加振器（１０）の加振力を制御する演算装置（３０）と、を備える。

Description

加振力最適化システム、加振力最適化方法、及び演算装置
　本発明は、加振力最適化システム、加振力最適化方法、及び演算装置に関する。
　従来、構造物の設計時にはモーダル実験により、構造物に共振が発生しないように、固有振動数を計測している。モーダル実験（モーダル解析）とは、構造物の固有振動数特性を知るため、構造物の任意の箇所を加振して、複数の箇所でその応答をみる実験をいう。モーダル実験の最も簡易的で一般的な方法は、インパルスハンマと加速度計とによる実験である。しかし、インパルスハンマは人力で構造物を打撃するため、構造物が土木構造物の様に大型構造物である場合には減衰が大きくなり、正確な周波数応答関数を測定することが極めて難しくなる。一般的には、モーダル加振器を使用して加振力を増幅すれば、正確な周波数応答関数の計測が可能となるが、土木構造物等の大型構造物では、モーダル加振器による強い加振力を加えると、周波数応答関数に非線形性が発現して正確なモーダル実験結果を得ることが難しくなる。加振力とは、構造物に振動を加える力をいう。非線形性とは、入力に対する出力の関係が比例ではなくなる性質をいう。
　このため、従来のモーダル実験では、周波数応答関数に非線形性が発現しないように、複数台の加振力の小さい加振器と、小さな加振力を計測できる精度の高い加速度計とを使用している。非特許文献１では、大型構造物において、構造物に大きい加振力を加える加振器1台に代えて、構造物に小さな加振力を加える複数台の加振器を使用することにより、構造物に加える荷重をより均等に分散させる技術が記載されている。
"Frequently Asked Questions Modal Shakers and Related Topics"、［online］、［2022年4月13日検索］、インターネット＜ＵＲＬ: https://www.modalshop.com/filelibrary/Modal%20Shaker%20FAQ%20revA.pdf＞
　しかし、精度の高い加速度計、及び複数台の加振器を使用すると、コストが高くなるという課題があった。
　かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、構造物の周波数応答関数を導出する演算装置と、構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化システム及び加振力最適化方法と、を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本実施形態に係る加振力最適化システムは、構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化システムであって、前記構造物の加振を行う加振器と、
前記構造物が加振される度に、前記構造物の振動を計測する、前記構造物に設置された１以上の加速度計と、前記構造物の振動の計測値に基づいて周波数応答関数を導出するとともに、該周波数応答関数に基づいて前記加振器の加振力を制御する演算装置と、を備える。
　上記課題を解決するため、本実施形態に係る加振力最適化方法は、構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化方法であって、
　加振器により、加振力を段階的に増幅させて繰り返し前記構造物を加振するステップと、
　１以上の加速度計により、前記加振器により加振された前記構造物の振動を計測するステップと、
　演算装置により、前記構造物の振動の計測値に基づいて、周波数応答関数を導出するステップと、
　前記演算装置により、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数が導出された後に、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数が導出されると、該第２の周波数応答関数を記録するステップと、
　前記演算装置により、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数が導出されると、該第３の周波数応答関数を破棄して、記録された１以上の前記第２の周波数応答関数を平均化した周波数応答関数を出力するステップと、
を含む。
　上記課題を解決するため、本実施形態に係る演算装置は、構造物の周波数応答関数を導出する演算装置であって、１以上の加速度計から前記構造物の振動の計測値を受信する受信部と、前記計測値に基づいて前記周波数応答関数を導出するとともに、前記周波数応答関数に基づいて加振器の加振力を制御する演算部と、前記周波数応答関数を表示して可視化する表示部と、前記周波数応答関数を記録する記録部と、
を備える。
　本開示に係る加振力最適化システムによれば、構造物に最適な加振力を自動で探査するため、技術者のスキル・ノウハウに依らず、正確な周波数応答関数を導出することができる。
本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムの構成例を示すブロック図である。 本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムの概略図である。 加振力が適切な範囲にある周波数応答関数を示すグラフである。 加振力が過大な範囲にある周波数応答関数を示すグラフである。 本開示の一実施形態に係る演算装置の構成例を示すブロック図である。 本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムが実行する加振力最適化方法の一例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムが実行する加振力最適化方法の一例を示すフローチャートである。 演算装置として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。
　以下、本発明を実施するための形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
　大型構造物にモーダル加振器により加振力を加える場合、加振力が適切でないと、周波数応答関数に非線形性が発現し易く、誤った周波数応答関数が計測され易くなる。発明者による実験の結果、加振力が適切な範囲にあると、周波数応答関数は、減衰が小さく立ち上がりの鋭いピークを有する一方、加振力が過大な範囲にあると、上記周波数応答関数が存在しない周波数帯に周波数応答関数のピーク（疑似ピーク）を発現することが判明した。そこで、加振力を段階的に増幅（ステップ増幅）させて、かかる疑似ピークが現れない加振力を探査する演算フローを備える加振力最適化システム１を以下に提案する。
＜加振力最適化システム＞
　図１は、本開示の一実施形態に係る加振力最適化システム１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、加振力最適化システム１は、加振器１０と、１以上の加速度計２０と、演算装置３０と、を備える。加振力最適化システム１は、構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する。
　図２は、本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムの概略図である。図２に示すように、構造物（監視対象物）４０は、管（管状構造物）であり、両端の支持金物４１にＵボルト４２で取り付けられている。加振器１０が、構造物４０に加振力を加えると、構造物４０は振動する。構造物４０には、１以上の加速度計２０（２０－１～２０－ｎ）が取り付けられており、１以上の加速度計２０は、構造物４０の振動を計測する。構造物４０の振動の計測値は有線又は無線で演算装置３０に送信され、演算装置３０は計測値に基づいて構造物４０の周波数応答関数を導出する。
　加振器１０は、構造物４０の加振を行う。加振器１０は、最初に過小な加振力で構造物４０を加振し、その後、加振力を段階的に増幅して構造物４０の加振を繰り返し行う。加振器１０は、モーダル加振器である。加振器１０は、加振力最適化システム１が起動すると、過小な加振力で構造物４０を加振する。加振器１０は、後述するように、演算装置３０からの指示により、加振力を段階的に増幅（ステップ増幅）して構造物４０を加振する。
　１つ以上の加速度計２０は、構造物４０に設置されており、構造物４０が加振される度に、構造物４０の振動を計測する。図１に示すように、１つ以上の加速度計２０は、ｎ個の加速度計２０－１～２０－ｎから構成される。加速度計２０－１は、構造物４０の振動を計測する計測部２１－１と、計測値を演算装置３０の受信部３１に送信する送信部２２－１と、を備える。加速度計２０－２～２０－ｎも同様の構成・機能を有する。
　演算装置３０は、構造物４０の振動の計測値に基づいて周波数応答関数を導出する。図３は、加振力が適切な範囲にある周波数応答関数を示すグラフである。図４は、加振力が過大である周波数応答関数を示すグラフである。図３及び図４は、周波数応答関数の虚部を示す。図３に示すように、加振力が適切な範囲にあると、周波数応答関数は、減衰が小さく立ち上がりの鋭いピークｂを有する。一方、図４に示すように、加振力が過大な範囲にあると、周波数応答関数は、図３の周波数応答関数には存在しない周波数帯に周波数応答関数のピークａ１（疑似ピークａ１）を発現し、図３においてピークｂが発現した周波数帯に、立ち上がりの鋭さを欠くピークａ２が発現する。図３及び図４に示す、周波数応答関数は、ｎ個の各々の加速度計の計測値から導出された周波数応答関数を重ねて表示している。
　演算装置３０は、該周波数応答関数に基づいて前記加振器の加振力を制御する。本開示において、試行とは、段階的に加振力を増幅して周波数応答関数を導出することをいう。（ｉ）演算装置３０は、試行を複数回（Ｎ回）繰り返し実施し、各試行の度に記録した複数の周波数応答関数を比較する。演算装置３０は、周波数応答関数が周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる（再現性のない）第１の周波数応答関数Ａであると判別される場合には、加振力を増幅する。（ｉｉ）演算装置３０は、周波数応答関数が第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である（再現性のある）第２の周波数応答関数Ｂであると判別される場合には、該第２の周波数応答関数Ｂを記録するとともに、加振力を増幅する。（ｉｉｉ）演算装置３０は、周波数応答関数が、第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数Ｃであると判別される場合には、直近の第３の周波数応答関数Ｃを破棄するとともに、１以上の第２の周波数応答関数Ｂの平均値を出力する。
＜演算装置＞
　図５は、本開示の一実施形態に係る演算装置の構成例を示すブロック図である。図５に示すように、演算装置３０は、受信部３１と、演算部３２と、表示部３３と、記録部３４とを備える。演算装置３０は、構造物の周波数応答関数を導出する。演算部３２により制御演算回路（コントローラ）５０が構成される。制御演算回路５０は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)等の専用のハードウェアによって構成されてもよいし、プロセッサによって構成されてもよいし、双方を含んで構成されてもよい。
　受信部３１は、１以上の加速度計２０の送信部（２２－１～２２－ｎ）から構造物４０の振動数の計測値を受信する。
　演算部３２は、構造物４０の振動数の計測値に基づいて周波数応答関数を導出するとともに、該周波数応答関数に基づいて加振器１０の加振力を制御する。（ｉ）演算部３２は、、試行を複数回（Ｎ回）繰り返し実施し、各試行の度に記録部３４に記録させた複数の周波数応答関数を比較する。演算部３２は、周波数応答関数が周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる（再現性のない）第１の周波数応答関数Ａであると判別される場合には、加振力を増幅する。（ｉｉ）演算部３２は、周波数応答関数が第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である（再現性のある）第２の周波数応答関数Ｂであると判別される場合には、該第２の周波数応答関数Ｂを記録するとともに、加振力を増幅する。（ｉｉｉ）演算部３２は、周波数応答関数が、第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数Ｃであると判別される場合には、直近の第３の周波数応答関数Ｃを破棄するとともに、１以上の第２の周波数応答関数Ｂの平均値を出力する。
　表示部３３は、周波数応答関数を表示して可視化する。表示部３３は、ディスプレイである。表示部３３は、導出された周波数応答関数が、第１の周波数応答関数Ａなのか、第２の周波数応答関数Ｂなのか、あるいは第３の周波数応答関数Ｃなのか、を判断するために、すべての周波数応答関数をディスプレイに表示して可視化する。
　記録部３４は、周波数応答関数を記録する。記録部３４は、演算部３２が記録された１以上の第２の周波数応答関数Ｂを平均化する際に、演算部３２の要求に応じ、１以上の第２の周波数応答関数Ｂを演算部３２に出力する。
　図６Ａ及び図６Ｂは、本開示の一実施形態に係る加振力最適化システムが実行する加振力最適化方法の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１では、加振器１０が、加振力を過小にして構造物４０を加振する。
　ステップＳ１０２では、１つ以上の加速度計２０の計測部２１－１～２１－ｎが、構造物４０の振動を計測する。１つ以上の加速度計２０の送信部２２－１～２２－ｎは、構造物４０の振動の計測値を演算装置３０の受信部３１に送信する。
　ステップＳ１０３では、演算装置３０の演算部３２が、受信した計測値に基づいて周波数応答関数を導出し、演算装置３０の表示部３３に導出された周波数応答関数を表示させる。
　ステップＳ１０４では、演算装置３０の記録部３４が、導出された周波数応答関数を記録する。
　ステップＳ１０５では、演算装置３０の演算部３２が、試行回数がＮ回に達したか否かを判定する。Ｎ回に達しない場合は、ステップＳ１０６へ進み、Ｎ回に達した場合は、ステップＳ１０７へ進む。
　ステップＳ１０６では、演算装置３０の演算部３２の指示により、加振器１０が、加振力を増幅して構造物４０を加振する。その後、ステップＳ１０２へ戻り、１つ以上の加速度計２０の計測部２１－１～２１－ｎが、構造物４０の振動を計測する。
　ステップＳ１０７では、演算装置３０の演算部３２が、記録部３４に記録された周波数応答関数を比較して、導出された周波数応答関数が第１の周波数応答関数Ａ又は第２の周波数応答関数Ｂのいずれであるかを判定する。第２の周波数応答関数Ｂであれば、ステップＳ１０８へ進む。第１の周波数応答関数Ａであれば、ステップＳ１０６へ進む。
　ステップＳ１０８では、演算装置３０の演算部３２が、導出された第２の周波数応答関数Ｂを、記録部１４に記録させるとともに、表示部３３に表示させる。
　ステップＳ１０９では、演算装置３０の演算部３２の指示により、加振器１０が、加振力を段階的に増幅して構造物４０を加振する。
　ステップＳ１１０では、１つ以上の加速度計２０の計測部２１－１～２１－ｎが、構造物４０の振動を計測する。１つ以上の加速度計２０の送信部２２－１～２２－ｎは、構造物４０の振動の計測値を演算装置３０の受信部３１に送信する。
　ステップＳ１１１では、演算装置３０の演算部３２が、受信した計測値に基づいて周波数応答関数を導出し、演算装置３０の表示部３３に導出された周波数応答関数を表示させる。
　ステップＳ１１２では、演算装置３０の演算部３２が、導出された周波数応答関数が第２の周波数応答関数Ｂ又は第３の周波数応答関数Ｃのいずれであるかを判定する。第２の周波数応答関数Ｂであれば、ステップＳ１０８へ進む。第３の周波数応答関数Ｃであれば、ステップＳ１１３へ進む。
　ステップＳ１１３では、直近の第３の周波数応答関数Ｃを破棄し、記録部３４に記録されている１以上の第２の周波数応答関数Ｂを平均化した周波数応答関数を出力する。
　大型構造物のモーダル実験では、加振力の影響で非線形性が発現しやすく、誤った周波数応答関数が計測されやすい。このため、正確な周波数応答関数を得るには、加振力を最適な大きさに制御して、大型構造物を加振をする必要がある。本開示に係る加振力最適化システム１は、１以上の加速度計２０による大型構造物の振動の計測値から導出した周波数応答関数の情報を元に、加振器１０に加振力の段階的な増幅指示をフィードバックすることにより、加振力を調整するシステム構成を有す。加振力最適化システム１によれば、システムが最適な加振力を自動で探査するため、技術者のスキル・ノウハウに依らず、正確な周波数応答関数を導出することができる。
　上記の演算装置３０を機能させるために、プログラム命令を実行可能なコンピュータを用いることも可能である。図７は、演算装置３０として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。ここで、演算装置３０として機能するコンピュータは、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、ワークステーション、ＰＣ（Personal Computer）、電子ノートパッド等であってもよい。プログラム命令は、必要なタスクを実行するためのプログラムコード、コードセグメント等であってもよい。
　図７に示すように、コンピュータ１００は、プロセッサ１１０と、記憶部としてＲＯＭ（Read Only Memory）１２０、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３０、及びストレージ１４０と、入力部１５０と、出力部１６０と、通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）１７０と、を備える。各構成は、バス１８０を介して相互に通信可能に接続されている。
　ＲＯＭ１２０は、各種プログラム及び各種データを保存する。ＲＡＭ１３０は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ１４０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive)又はＳＳＤ(Solid State Drive）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム及び各種データを保存する。本開示では、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０に、本開示に係るプログラムが保存されている。
　プロセッサ１１０は、具体的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＳｏＣ（System on a Chip）等であり、同種又は異種の複数のプロセッサにより構成されてもよい。プロセッサ１１０は、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１３０を作業領域としてプログラムを実行することで、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。なお、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェアで実現することとしてもよい。
　プログラムは、演算装置３０が読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。このような記録媒体を用いれば、演算装置３０にプログラムをインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録された記録媒体は、非一過性（non-transitory）の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等であってもよい。また、このプログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。
　以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
　（付記項１）
　構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化システムであって、
　前記構造物の加振を行う加振器と、前記構造物が加振される度に、前記構造物の振動を計測する、前記構造物に設置された１以上の加速度計と、前記構造物の振動の計測値に基づいて周波数応答関数を導出するとともに、該周波数応答関数に基づいて前記加振器の加振力を制御する演算装置と、を備える加振力最適化システム。
　（付記項２）
　前記演算装置は、前記周波数応答関数が、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数である場合には、前記加振力を増幅し、前記周波数応答関数が、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数である場合には、該第２の周波数応答関数を記録するとともに、前記加振力を増幅し、前記周波数応答関数が、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数である場合には、該第３の周波数応答関数を破棄しするとともに、前記第２の周波数応答関数の平均値を出力する、付記項１に記載の加振力最適化システム。
　（付記項３）
　構造物の周波数応答関数を導出する演算装置であって、
　１以上の加速度計から前記構造物の振動の計測値を受信するレシーバーと、
　前記計測値に基づいて前記周波数応答関数を導出するとともに、前記周波数応答関数に基づいて加振器の加振力を制御するコントローラと、
　前記周波数応答関数を表示して可視化するディスプレイと、
　前記周波数応答関数を記録するメモリーと、
を備える演算装置。
　（付記項４）
　前記コントローラは、前記周波数応答関数が、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数である場合には、前記加振力を増幅し、前記周波数応答関数が、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数である場合には、該第２の周波数応答関数を記録するとともに、前記加振力を増幅し、前記周波数応答関数が、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数である場合には、該第３の周波数応答関数を破棄するとともに、前記第２の周波数応答関数の平均値を出力する、付記項３に記載の演算装置。
　（付記項５）
　構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化方法であって、加振器により、加振力を段階的に増幅させて繰り返し前記構造物を加振し、１以上の加速度計により、前記加振器により加振された前記構造物の振動を計測し、演算装置により、前記構造物の振動の計測値に基づいて、周波数応答関数を導出し、前記演算装置により、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数が導出された後に、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数が導出されると、該第２の周波数応答関数を記録し、前記演算装置により、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数が導出されると、該第３の周波数応答関数を破棄して、記録された１以上の前記第２の周波数応答関数を平均化した周波数応答関数を出力する加振力最適化方法。
　上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。たとえば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。
１                          加振力最適化システム
１０                        加振器
２０                        １以上の加速度計
２０－１～２０－ｎ          加速度計
２１－１～２１－ｎ          計測部                             
２２－１～２２－ｎ          送信部 
３０                        演算装置 
３１                        受信部（レシーバー）
３２                        演算部                             
３３                        表示部（ディスプレイ）
３４                        記録部（メモリー）
４０                        構造物（監視対象物）
４１                        支持金物
４２                        Ｕボルト
５０                        制御演算回路（コントローラ）
１００                      コンピュータ
１１０                      プロセッサ
１２０                      ＲＯＭ
１３０                      ＲＡＭ
１４０                      ストレージ
１５０                      入力部
１６０                      出力部
１７０                      通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）
１８０                      バス          

Claims (5)

  1. 　構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化システムであって、
    　前記構造物の加振を行う加振器と、
    　前記構造物が加振される度に、前記構造物の振動を計測する、前記構造物に設置された１以上の加速度計と、
    　前記構造物の振動の計測値に基づいて周波数応答関数を導出するとともに、該周波数応答関数に基づいて前記加振器の加振力を制御する演算装置と、
    を備える加振力最適化システム。
  2. 　前記演算装置は、
    　前記周波数応答関数が、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数である場合には、前記加振力を増幅し、
    　前記周波数応答関数が、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数である場合には、該第２の周波数応答関数を記録するとともに、前記加振力を増幅し、
    　前記周波数応答関数が、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数である場合には、該第３の周波数応答関数を破棄するとともに、前記第２の周波数応答関数の平均値を出力する、請求項１に記載の加振力最適化システム。
  3. 　構造物の周波数応答関数を導出する演算装置であって、
    　１以上の加速度計から前記構造物の振動の計測値を受信する受信部と、
    　前記計測値に基づいて前記周波数応答関数を導出するとともに、前記周波数応答関数に基づいて加振器の加振力を制御する演算部と、
    　前記周波数応答関数を表示して可視化する表示部と、
    　前記周波数応答関数を記録する記録部と、
    を備える演算装置。
  4. 　前記演算部は、
    　前記周波数応答関数が、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数である場合には、前記加振力を増幅し、
    　前記周波数応答関数が、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数である場合には、該第２の周波数応答関数を記録するとともに、前記加振力を増幅し、
    　前記周波数応答関数が、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数である場合には、該第３の周波数応答関数を破棄するとともに、前記第２の周波数応答関数の平均値を出力する、請求項３に記載の演算装置。
  5. 　構造物の周波数応答関数の導出にあたり、加振力を最適化する加振力最適化方法であって、
    　加振器により、加振力を段階的に増幅させて繰り返し前記構造物を加振するステップと、
    　１以上の加速度計により、前記加振器により加振された前記構造物の振動を計測するステップと、
    　演算装置により、前記構造物の振動の計測値に基づいて、周波数応答関数を導出するステップと、
    　前記演算装置により、前記周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によって異なる第１の周波数応答関数が導出された後に、第１の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する周波数が試行回数によらず一定である第２の周波数応答関数が導出されると、該第２の周波数応答関数を記録するステップと、
    　前記演算装置により、前記第２の周波数応答関数には存在しない、第２の閾値以上の周波数応答関数のピークが発現する第３の周波数応答関数が導出されると、該第３の周波数応答関数を破棄して、記録された１以上の前記第２の周波数応答関数を平均化した周波数応答関数を出力するステップと、
    を含む加振力最適化方法。
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