DE3329261C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus einem Katalog der Firma Brüel & Kjaer, Naerum, Dänemark, 1975/76 bekannt. Anordnungen dieser Art dienen zur Prüfung von Erzeugnissen durch Einwirkung zufälliger Schwingungen mit einem vorgegebenen Spektrum, wobei die Einwirkung durch harmonische Schwingungen mit einem sehr niedrigen Pegel zur Steuerung der Parameter der zufälligen Schwingungen ausgenutzt wird.

Aus dem SU-Buch von A. A. Kuznetsov, "Schwingungsprüfungen für Bauelemente und Einrichtungen der Automatik", Moskau, Verlag Energia, 1976, S. 107 ist eine Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch breitbandige zufällige Schwingungen bekannt, die durch Abtasten eines schmalbandigen Zufallssignals in einem vorgegebenen Frequenzbereich durchgeführt wird. Dabei können die Erzeugnisse durch Einwirkung eines ebenfalls im vorgegebenen Frequenzbereich abtastenden harmonischen Signals geprüft werden. Die Anordnung besteht aus einer Reihenschaltung aus einem Generator für weißes Rauschen, einem Schmalbandfilter, einem Gegen­ taktmodulator, an dessen anderen Eingang ein Quarz­ generator angeschlossen ist, einem regelbaren Ver­ stärker, an dessen anderen Eingang eine Reihenschaltung aus einem Verstärker und einem Detektor für eine auto­ matische Regelung gekoppelt ist, einer Mischstufe, an deren an­ deren Eingang ein Generator zur Erzeugung eines Signals mit innerhalb eines vorgegebenen Bereichs stufenlos verstellbarer oder umstimmbarer Frequenz angeschlossen ist, und einem an den Eingang eines Schwingungserzeugers und an den Eingang eines Voltmeters angeschlossenen Ausgangsverstärker.

Das Schmalbandfilter kann zur Prüfung von Erzeugnissen durch harmonische Schwingungen in einen Generatorbetieb zur Erzeugung eines harmonischen Signals überführt werden. Von Nachteil ist bei dieser Anordnung die Unmöglich­ keit, zum einen breitbandige zufällige Schwingungen gleichzeitig im gesamten vorgegebenen Frequenzbereich zu erzeugen, zum anderen Prüfungen auf gemischte harmonische und zufällige Schwingungen durchzuführen.

Aus der DE-AS 22 20 416 und C. M. Harris, C. E. Crede, eds., Shock and Vibration Handbook, 2. Aufl., McGraw-Hill Book Co., New York 1976, S. 27-10, 27-11 sind digitale Anord­ nungen zur Regelung einer Einrichtung zur Prüfung durch zufällige Schwingungen bekannt, die eine Schwingungseinrichtung und eine digitale Regel­ einrichtung mit Prozessoren zur Fourier-Transformation und -Rücktransformation, einen Rauschgenerator, Digital/ Analogwandler und Analog/Digitalwandler, eine Vergleichs­ einheit und eine Einheit zur Vorgabe eines Bezugsspek­ trums enthalten.

Wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist, daß sie keine Prüfung durch zufällige und gleichzeitig durch harmo­ nische Schwingungen erlauben.

Die aus dem eingangs erwähnten Katalog bekannte Anordnung gestattet es, die Erzeugnisse zu­ gleich durch harmonische und zufällige Schwingungen zu prüfen. Beim automatischen Überstreichen des vor­ gegebenen Frequenzbereiches durch ein harmonisches Signal wird aber das umstimmbare Filter synchron um­ gestimmt, dessen Sperrausgang mit dem Eingang des Spektralanalysators für ein Zufallssignal verbunden ist, weshalb der mehrkanalige Spektralanalysator für ein Zufallssignal im n-ten Kanal keine wahre Dispersion D _n eines durch den Zufallssignalerzeuger im n-ten Kanal erzeugten Zufallssignals, sondern eine wegen einer erforderlichen Sperrung des harmo­ nischen Signals um einen Wert von D _n verringerte Dispersion mißt, der einen Fehler bei der Erzeugung eines Spektrums zufälliger Schwingungen im n-ten Band des vorgegebenen Frequenzbandes verursacht. Hierbei wird dieser Erzeugungsfehler erhöhte Schwingungsamplituden verursachen.

Ein anderer Nachteil der Anordnung ist eine großer Meß- und folglich auch Einstellfehler für den Pegel des harmonischen Signals wegen Überdeckung des Spektrums des Zufallssignals durch das Spektrum des harmonischen Signals, insbesondere bei Kommensura­ bilität und bei Überschreitung des Pegels des harmonischen Signals durch den Pegel des Zufallssignals. Außerdem wird der Pegel des Zufallssignals in den Kanälen des Zufallssignalerzeugers nach den Meßergebnissen für die Spektraldichte des Zufallssignals gesteuert, was einen statischen Analysen­ fehler ergibt:

Hierin steht

T für eine durch die Parameter des Spektralanalysators für ein Zufalls­ signal definierte Analysenzeit, Δ f für ein zu analysierendes Frequenz­ band.

Eine Verringerung von ε erfordert eine Vergrößerung der Analysenzeit, was eine größere Einstellungszeit für den Zufallssignalerzeuger notwendig macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen zu schaffen, die es gestattet, den Dynamikbereich der erzeugten Schwingungen wesentlich zu erweitern sowie die Genauigkeit und die Ein­ stellgeschwindigkeit für ein vorgegebenes Spektrum zufälliger Schwingungen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Anordnung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Erzeugung zufälliger Schwingungen durch Steuerung des regelbaren Verstärkers jedes Kanals des Zufallssignalerzeugers nach den Ergebnissen der Verarbeitung des harmonischen Signals zu erhöhen. Damit entfällt die Notwendigkeit einer hohen Stabilität, der Identität und der Recht­ eckigkeit der Amplitudenfrequenzkennlinien der gleichnamigen Kanäle des Zufallssignalerzeugers und des Spektralanalysators.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen enthält einen mehrkanaligen Zufallssignalerzeuger 1, dessen Kanäle je ein schmal­ bandiges Zufallssignal erzeugen und aus einer Reihen­ schaltung aus einem Generator 2 für weißes Rauschen, einem Bandfilter 3 und einem regelbaren Verstärker 4 bestehen. Die Ausgänge der regelbaren Verstärker 4 sind an je einen Eingang einer ersten Summierstufe 5 angeschlossen. In dem Blockschaltbild ist ein Zufallssignalerzeuger 1 wiedergegeben, der nur zwei Kanäle I und II aufweist. Der Ausgang der Summierstufe 5 ist über eine Reihenschaltung aus einem Sperrfilter 6, einer zweiten Summierstufe 7 und einem Leistungsverstärker 8 an einen Schwingungserzeuger 9 mit einem Schwingungsfühler 10 angeschlossen.

Die Anordnung enthält einen in Form eines Analysators für ein harmonisches Signal ausgeführten Spektralana­ lysator für ein Signal, der sich aus einem Steuerkreis für ein harmonisches Signal und einem Steuerkreis für ein Zufallssignal zusammensetzt.

Der Ausgang des Schwingungsfühlers 10 ist über eine Reihenschaltung aus einem Anpassungsverstärker 11, einem zweiten, innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches umstimmbaren Filter 12 mit einer der Amplitudenfrequenzlinie des Sperrfilter 6 reziproken Amplitudenfrequenzkennlinie, einem ersten, innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches umstimmbaren Filter 13, einem Amplitudendetektor 14 und einer ersten Vergleichseinheit 15 an den Steuerein­ gang eines steuerbaren Teilers 16 geführt, an dessen anderen Eingang über eine dritte Summierstufe 17 ein Generator 18 zur Erzeugung eines harmonischen Signals variabler Frequenz angeschlossen ist, die mit der Abstimmfrequenz des umstimmbaren Filters 13 synchron umgestimmt wird. An den anderen Eingang der ersten Vergleichseinheit 15 ist ein Pegeleinsteller 19 für harmonische Schwingungen geschaltet. Der Steuerkreis für ein harmonisches Signal enthält den Amplitudendetektor 14, die erste Vergleichseinheit 15, einen Pegeleinsteller 19 für harmonische Schwingungen und den steuerbaren Teiler 16. Der Ausgang für eine Wechselkomponente des Ausgangssignals des steuerbaren Teilers 16 ist an den zweiten Eingang der zweiten Summierstufe 7 und an den ersten Eingang einer zweiten Vergleichseinheit 20 an­ geschlossen, an deren anderen Eingang der Ausgang für ein Summensignal des steuerbaren Teilers 16 geschaltet ist. Der Ausgang der zweiten Vergleichseinheit 20 ist über eine Reihenschaltung aus einem steuerbaren Verstärker 21, einer Quadrierstufe 22 und einer Recheneinheit 23 an den regelbaren Verstärker 4 jedes Kanals des Zufalls­ signalerzeugers 1 angeschlossen. Hierbei ist an den zweiten Eingang der Recheneinheit 23 eine Einheit 24 zur Vorgabe eines Spektrums zufälliger Schwingungen angeschlossen.

Die Bezugssignalquelle 25 ist an den zweiten Eingang der dritten Summierstufe 17 und an den zweiten Eingang des steuerbaren Verstärkers 21 geschaltet. An den Ausgang der Quadrierstufe 22 ist ein Anzeiger 26 für ein Spektrum zufälliger Schwingungen angeschlossen. Der Steuerkreis für ein Zufallssignal umfaßt die zweite Vergleichseinheit 20, den steuerbaren Verstärker 21, die Quadrierstufe 22, die Recheneinheit 23, die Einheit 24 und den Anzeiger 26.

Die Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen arbeitet wie folgt:
Ein breitbandiges Zufallssignal mit einem in einem vor­ gegebenen Frequenzbereich gleichmäßigen Spektrum gelangt vom Ausgang jedes Rauschgenerators 2 auf den Eingang des Bandfilters 3, von dessen Ausgang ein schmalbandiges Zufallssignal über den regelbaren Ver­ stärker 4 auf den Eingang der ersten Summierstufe 5 ge­ liefert wird. Vom Ausgang der Summierstufe 5, d. h. vom Ausgang des mehrkanaligen Zufallssignalerzeugers 1, trifft ein breitbandiges Zufallssignal, das ein Spektrum zufälliger Schwingungen bestimmt, denen ein Prüfling (nicht gezeigt) ausgesetzt wird, am Eingang des umstimmbaren Sperrfilters 6 ein. Das Signal vom Ausgang des umstimmbaren Sperrfilters 6 gelangt auf den Eingang der zweiten Summierstufe 7, an deren anderem Eingang ein Signal vom Ausgang des Generators 18 zur Erzeugung eines harmonischen Signals über die dritte Summierstufe 17 und den regelbaren Teiler 16 ankommt. Vom Ausgang der zweiten Summierstufe 7 gelangt ein Summensignal aus dem breitbandigen Zufallssignal und dem harmonischen Signal über den Leistungsverstärker 8 auf den Eingang des Schwingungsfühlers 10. Das Signal kommt vom Schwingungsfühler 10 über den Anpassungs­ verstärker 11 am Eingang des zweiten umstellbaren Schmalbandfilters 12 mit einer der Amplitudenfrequenz­ kennlinie des umstimmbaren Sperrfilters 6 inversen Amplitudenfrequenzkennlinie an. Vom Ausgang des zweiten umstimmbaren Filters 12 trifft ein Signal, dessen Spektrum ein breitbandiges Zufallssignal und eine um ein Vielfaches verstärkte Harmonische darstellt, am Eingang des ersten umstimmbaren Filters 13 ein, das vom Eingangssignal eine harmonische Komponente abtrennt, die dann dem Eingang des Amplitudendetektors 14 zuge­ führt wird. Hierbei werden die Sperrfilter 6, die umstimmbaren Filter 12 und 13 synchron zum Generator 18 zur Erzeugung eines harmonischen Signals variabler Frequenz umge­ stimmt. Das demodulierte Signal gelangt auf den ersten Eingang der ersten Vergleichseinheit 15, an deren zweiten Eingang eine Spannung vom Ausgang des Pegelein­ stellers 19 für harmonische Schwingungen eingespeist wird. Vom Ausgang der ersten Vergleichseinheit 15 trifft ein Abweichungssignal am Steuereingang des steuerbaren Teilers 16 ein, an dessen Haupteingang (Signaleingang) ein Summensignal vom Ausgang der dritten Summierstufe 17 ankommt, auf dessen ersten Eingang ein harmonisches Signal vom Ausgang des Generators 18 trifft, während dessen zweiten Eingang eine Eich-Gleichspannung U₀ vom Ausgang der Bezugssignal­ quelle 25 zugeführt wird. Vom ersten Ausgang des steuer­ baren Teilers 16 gelangt ein Summensignal aus der Harmonischen und der Gleichspannung, deren Amplituden durch das Teilerverhältnis des steuerbaren Teilers 16 in Abhängigkeit vom Abweichungssignal am Ausgang der ersten Vergleichseinheit 15 bestimmt werden, auf den ersten Eingang der zweiten Vergleichseinheit 20. Vom zweiten Ausgang des steuerbaren Teilers 16 gelangt ein eine harmonische Komponente des Ausgangssignals darstel­ lendes Signal an die zweiten Eingänge der zweiten Summierstufe 7 und der zweiten Vergleichseinheit 20, wobei der steuerbare Teiler 16 derart geregelt wird, daß der Pegel der harmonischen Schwingungen des Schwingungserzeugers 9 dem Sollpegel gleich ist. Das eine Gleichkomponente des Summensignals am ersten Ausgang des steuerbaren Teilers 16 darstellende Signal vom Ausgang der zweiten Vergleichseinheit 20 ändert sich ebenso wie die Wechselkomponente am zweiten Ausgang des steuerbaren Teilers 16. Der Wert dieses Signals ändert sich nach dem Gesetz S₁(ω), das durch den Ausdruck gegeben ist:

Hierin sind

a (ω) die Amplitudenfrequenzkennlinie des Schwingungserzeugers 9, β ein vom Unterdrückungsverhältnis für ein Zufallssignal am Ausgang des Mehrkanalformers bei Vorhan­ densein des umstellbaren Sperr­ filters 6 abhängiger konstanter Koeffizient.

Vom Ausgang der zweiten Vergleichseinheit 20 gelangt das Signal auf den ersten Eingang des steuerbaren Ver­ stärkers 21, an dessen zweitem Eingang ein Signal vom Ausgang der Bezugssignalquelle 25 eingespeist wird. Der Verstärkungsfaktor des steuerbaren Verstärkers 21 ändert sich umgekehrt proportional zum Teilerverhältnis des steuerbaren Teilers 16. Am Ausgang des steuerbaren Verstärkers 21 ändert sich das Signal nach dem Gesetz S₂(ω):

Das Signal am Ausgang des steuerbaren Verstärkers 21 definiert also eindeutig die Amplitudenfrequenzkenn­ linie des Schwingungserzeugers 9 beim Abtasten eines harmonischen Signals am Ausgang des Generators 18. Das Signal vom Ausgang des steuerbaren Verstärkers 21 gelangt über die Quadrierstufe 22 auf den Eingang der Recheneinheit 23, an deren anderem Eingang von der Einheit 24 zur Vorgabe eines Spektrums zufälliger Schwingungen Vorgabewerte q _i der Spektraldichte von Beschleunigungen zufälliger Schwingungen auf den Sollfrequenzen des vor­ gegebenen Frequenzbereiches zugeführt werden. In die Recheneinheit 23 wird vorher eine Information über die Amplitudenfrequenzkennlinie ϕ _n (ω) jedes Kanals des Zufallssignalerzeugers 1 in Form von Werten der Amplitudenfrequenzkennlinie ϕ _n (ω _i ) bei den genannten Frequenzen eingetragen. Dann löst die Recheneinheit 23 ein Gleichungssystem der Art

auf.
Hierin sind

k _n der Verstärkungsfaktor des regel­ baren Verstärkers 4 eines n-ten Kanals des Zufallssignalerzeugers 1,N₀die Spektraldichte eines Zufalls­ signals am Ausgang jedes Rauschgenerators 2.

Die Signale vom Ausgang der Recheneinheit 23 legen die Verstärkungsfaktoren der regelbaren Verstärker 4 gemäß den Rechenwert k _n fest, die die Pegel der schmalbandigen Zufallssignale in den Kanälen des Zufallssignalerzeugers 1 bestimmen, deren Summe ein breitbandiges Zufallssignal bildet, mit dessen Hilfe zufällige Schwingungen mit den Vorgabewerten q _i der Spektraldichte der Beschleuni­ gungen der zufälligen Schwingungen auf den Soll­ frequenzen ω _i des vorgegebenen Frequenzbereiches erzeugt werden.

Die Bestimmung der Verstärkungsfaktoren k _n der regel­ baren Verstärker 4 der Kanäle des Zufallssignalerzeugers 1 durch Verarbeitung eines harmonischen Signals, das zugleich zur Prüfung eines Erzeug­ nisses durch harmonische Schwingungen ausgenutzt wird, gestattet es, die Genauigkeit und die Leistungsfähigkeit der durchgeführten Prüfungen zu erhöhen.

Die Bestimmung der Verstärkungsfaktoren der regelbaren Verstärker 4 jedes Kanals des Zufallssignalerzeugers 1 die ein Spektrum von auf einen Prüf­ ling einwirkenden zufälligen Schwingungen festlegen, gestattet es, durch Auflösung des Gleichungssystems der Art (1) unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der Bandfilter 3 der genannten Kanäle Bandfilter niedrigerer Ordnung, d. h. mit einem geringen Rechteckigkeitsfaktor ihrer Amplitudenfrequenz­ kennlinien ϕ _n (ω), einzusetzen.

Claims (3)

1. Anordnung zur Prüfung von Erzeugnissen durch zufällige und harmonische Schwingungen, mit

• - einem mehrkanaligen Zufallssignalerzeuger (1), dessen Kanäle je eine eigene Amplitudenfrequenzkennlinie auf­ weisen und einen Generator (2) für weißes Rauschen, ein Bandfilter (3) und einen regelbaren Verstärker (4) umfassen, wobei der Ausgang jedes Kanals an einen der Eingänge einer ersten Summierstufe (5) angeschlossen ist und
• - einem an den Ausgang des Zufallssignalerzeugers (1) über eine zweite Summierstufe (7) und einen Leistungs­ verstärker (8) angeschlossenen Schwingungserzeuger (9) mit einem Schwingungsfühler (10) zur Umwandlung von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Signal wobei
• - der Ausgang des Schwingungsfühlers (10) über einen Anpassungsverstärker (11) an den Eingang eines ersten, innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches umstimmbaren Filters (13) angeschlossen ist, dessen einen Sperrausgang darstellender erster Ausgang über einen Spektralanalysator mit einer Einheit (24) zur Vorgabe eines Spektrums zufälliger Schwingungen an den regelbaren Verstärker (4) jedes Kanals des Zufalls­ signalerzeugers (1) und dessen zweiter Ausgang an einen Generator (18) zur Erzeugung eines harmonischen Signals mit variabler, mit der Abstimmfrequenz des ersten umstimmbaren Filters (13) synchron umstimmbarer Frequenz und dessen Aus­ gang an den zweiten Eingang der zweiten Summierstufe (7) angeschlossen ist,

gekennzeichnet durch

• - ein mit dem ersten umstimmbaren Filter (13) synchron umstimmbares und zwischen der ersten und der zweiten Summierstufe (5 bzw. 7) liegendes Sperrfilter (6), und
• - ein zweites, mit dem ersten umstellbaren Filter (13) synchron umstimmbares, eine der Amplitudenfrequenz­ kennlinie des Sperrfilters (6) reziproke Amplituden­ frequenzkennlinie aufweisendes und zwischen dem Anpassungsverstärker (11) und dem ersten umstimmbaren Filter (13) liegendes Filter (12), wodurch eine Über­ deckung der Spektren des harmonischen und des Zufalls­ signals beseitigt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralanalysator für ein Signal in Form eines Analysators für ein harmonisches Signal ausgeführt ist und folgende Bestandteile aufweist: einen Steuerkreis für ein harmonisches Signal mit einer Reihenschaltung aus einem Amplitudendetektor (14), einer Vergleichseinheit (15), an deren anderen Eingang ein Pegeleinsteller (19) für harmonische Schwingungen geführt ist, und einem steuerbaren Teiler (16), der einen Summensignal-Ausgang und einen an die zweite Summierstufe (7) angeschlossenen Ausgang für eine Wechselkomponente des Ausgangssignals aufweist, wobei der Eingang des Amplitudendetektors (14) an den Ausgang des ersten umstimmbaren Filters (13) an­ geschlossen ist, während der andere Eingang des steuer­ baren Teilers (16) über eine dritte Summierstufe (17), an deren anderen Eingang eine Bezugssignalquelle (25) ange­ schlossen ist, mit dem Ausgang des Generators (18) für ein harmonisches Signal variabler Frequenz verbunden ist, und einen Steuerkreis für ein Zufallssignal mit einer Reihenschaltung aus einer zweiten Vergleichseinheit (20), deren einer Eingang an den Ausgang für ein Summensignal des steuerbaren Teilers (16) und deren anderer Eingang an den Ausgang für eine Wechselkomponente des Ausgangs­ signals des steuerbaren Teilers (16) angeschlossen ist, einem steuerbaren Verstärker (21), einer Quadrierstufe (22) und einer Recheneinheit (23), an deren anderen Eingang die Einheit (24) zur Vorgabe eines Spektrums zufälliger Schwingungen angeschlossen ist, wobei der Ausgang der Rechen­ einheit (23) an den regelbaren Verstärker (4) jedes Kanals des Zufallssignalerzeugers (1) angeschlossen ist, wobei die Bezugssignalquelle (25) ferner an den zweiten Eingang des steuerbaren Verstärkers (21) angeschlossen ist, und wobei an den Ausgang der Quadrier­ stufe (22) ferner ein Anzeiger (26) für ein Spektrum zufälliger Schwingungen angeschlossen ist.