一種火箭橇試驗振動傳遞譜確定方法與流程
2023-10-08 22:22:29 2
本發明涉及一種火箭橇試驗振動傳遞譜確定方法，屬於力學環境試驗技術領域。
背景技術：
火箭橇是用火箭發動機作為推力，在軌道上高速運行的滑橇。由於火箭橇在運行過程中可產生大過載，因此，不同類型的產品都安裝在橇體上開展火箭橇試驗。
火箭橇試驗過程中，被試產品根據試驗要求有兩種安裝方式，第一種方式是被試產品直接安裝於橇體上；第二種方式是被試產品安裝於減振平板上，而減振平板通過金屬減振器安裝於橇體上。通過振動測試系統實時測量和記錄橇體和被試產品(第二種方式的話還包括減振平板)的振動和衝擊信號，待試驗結束後讀取記錄存儲的數據並進行數據處理。
振動測試系統由傳感器、數據採集記錄系統、觸發裝置和信號傳輸電纜等組成。測試系統中傳感器、數據採集系統和觸發裝置通過信號傳輸電纜連接，各部件在橇體上的安裝可採用壓條、螺栓緊固的方式，具體安裝部位包括：
a)在橇體和被試產品(第二種方式的話還包括減振平板)殼體上分別安裝不少於3個輸入軸正交的傳感器，分別測量安裝位置處的航向加速度、豎向加速度和側向加速度；
b)數據採集系統、觸發裝置直接安裝於橇體上；
c)信號傳輸電纜根據布線方式採用綑紮成束就近與橇體固連。
目前，在數據處理過程中存在以下問題：
(1)由於傳感器測量的加速度信息包括了低頻過載信息和高頻振動信息，為得到振動信息，首先採用低通濾波器對加速度信息進行濾波得到過載信息，然後，加速度信息減去過載信息得到振動信息。而缺少實現高頻振動信息的直接獲取方法；
(2)對各級振動信息只開展了周期功率譜分析，特點是噪聲大，缺少有效的降噪處理方法；
(3)只是定性分析各級的振動量級大小、有無諧振峰值等，不能對橇體至減振平臺、減振平臺至被試產品或橇體至被試產品的振動傳遞特性分析。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種火箭橇試驗振動傳遞譜確定方法，能夠直接獲取高頻振動信息，有效去除了噪聲，能夠對振動傳遞特性進行分析。
本發明的技術方案是：一種火箭橇試驗振動傳遞譜確定方法，步驟如下：
(1)在火箭橇試驗過程中，分別通過傳感器採集設備X和設備Y運行時的加速度值，得到設備X的加速度值序列aIx(k)和設備Y的加速度值序列aIy(k)，k為採樣時刻，k＝1,2,…,N，所述設備X和設備Y的加速度值均包含隨機振動信息和過載信息，所述傳感器採樣頻率fs滿足4KHz<fs<10KHz，採樣周期為Ts＝1/fs；
(2)採用高通濾波器對加速度值序列aIx(k)進行濾波，得到設備X的振動值序列adx(k)；採用高通濾波器對加速度值序列aIy(k)進行濾波，得到設備Y的振動值序列ady(k)；
(3)根據adx(k)得到設備X的振動功率譜密度序列Φx(fp)，根據ady(k)得到設備Y的振動功率譜密度序列Φy(fp)，p＝1,2,…,N/2；
(4)分別對步驟(3)得到的振動功率譜密度序列進行降噪處理，得到降噪後的振動功率譜密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；
(5)根據步驟(4)獲得的振動功率譜密度序列，利用公式確定設備X至設備Y的振動傳遞譜序列Φxy(fp)，所述設備X至設備Y的振動傳遞譜序列為橇體至被試產品的振動傳遞譜、橇體至減振平臺的振動傳遞譜或減振平臺至被試產品的振動傳遞譜。
所述步驟(2)中高通濾波器對加速度值序列進行濾波得到振動值序列的實現方法為：
(2.1)定義高通濾波器的轉折頻率為f，阻尼係數為ξ，則高通濾波器的係數為
(2.2)k＝1時，高通濾波器的狀態變量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(2.3)高通濾波器利用公式ad(k)＝(n1-d1)x1(k)+(n2-d2)x2(k)+b0aI(k)對第k個時刻的加速度值aI(k)進行濾波得到振動值ad(k)，進入步驟(2.4)；
(2.4)k的值加1，判斷k是否小於等於N，如果是，則利用公式
更新x1(k)和x2(k)，返回步驟(2.3)；否則，高通濾波器濾波結束，得到振動值序列。
所述步驟(3)中根據adx(k)得到設備X的振動功率譜密度序列Φx(fp)的實現方式為：
(i)基於正頻域，利用如下公式計算設備X振動數據的線譜序列：
其中fp為頻率，fp＝(p-1)/T, p＝1,2,…,N/2；
(ii)根據線譜序列計算設備X的振動值功率譜密度序列：
其中T為N個採樣周期的持續時間；F(k)為離散傅立葉變換；
根據ady(k)得到設備Y的振動值功率譜密度序列Φy(fp)的實現方式為：
(i)利用如下公式計算設備Y的振動數據的線譜序列：
(ii)根據線譜序列計算設備Y的振動值功率譜密度序列：
所述步驟(4)中對振動功率譜密度序列進行降噪處理的實現方法為：
(4.1)定義低通濾波器的截止頻率為f'，阻尼係數為ξ'，N個採樣周期的持續時間為T，則有低通濾波器的係數為
n1′＝2；
n′2＝1；
(4.2)p＝1時，低通濾波器的狀態變量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(4.3)低通濾波器利用公式Φ′x(fp)＝(n1′-d1′)x1(p)+(n′2-d2′)x2(p)+b0Φx(fp)對第p個時刻的加速度值aI(p)進行濾波得到降噪後的功率譜密度，進入步驟(4.4)；
(4.4)p的值加1，判斷p是否小於等於N/2，如果是，則利用公式
更新x1(p)和x2(p)，返回步驟(4.3)；否則，降噪處理結束，得到降噪後的功率譜密度序列。
本發明與現有技術相比的有益效果是：
(1)本發明給出了一種精確描述火箭橇試驗振動傳遞譜的方法，克服了以前各級之間的振動傳遞定性描述的不足，實現了對橇體至減振平臺、減振平臺至被試產品、橇體至被試產品的振動傳遞特性的量化描述，精度高。
(2)本發明傳感器採集的加速度值通過高通濾波器濾波後，實現了對高頻振動信息的直接提取，相對於先提取過載再求差的方法，提高了數據的轉換效率。
(3)相對傳統的周期功率譜具有噪聲大的特點，本發明通過低通濾波器進行降噪處理，有效減小了振動的噪聲。
附圖說明
圖1為本方法的流程圖；
圖2為火箭橇試驗中減振平板安裝的航向傳感器採集記錄的加速度信息；
圖3為本發明的高通濾波器提取的火箭橇試驗振動數據；
圖4為採用傳統的基於周期譜的振動功率譜密度計算結果；
圖5為本發明的振動功率譜密度計算結果；
圖6為火箭橇試驗中橇體的振動功率譜密度；
圖7為火箭橇試驗中減振平板的振動功率譜密度；
圖8為火箭橇試驗中被試產品上的振動功率譜密度；
圖9為火箭橇試驗中減振平板在橇體振動激勵下的振動傳遞譜分布；
圖10為火箭橇試驗中被試產品相對減振平板振動激勵下的振動傳遞譜分布；
圖11為火箭橇試驗中被試產品在橇體振動激勵下的振動傳遞譜分布。
具體實施方式
火箭橇試驗振動傳遞譜包括橇體至被試產品的振動傳遞譜、橇體至減振平臺的振動傳遞譜或減振平臺至被試產品的振動傳遞譜。因此，如圖1所示，本發明提出一種火箭橇試驗過程中，設備X至設備Y的振動傳遞譜確定方法，步驟如下：
(1)在火箭橇試驗過程中，分別通過傳感器採集設備X和設備Y的加速度值，得到設備X的加速度值序列aIx(k)和設備Y的加速度值序列aIy(k)，k為採樣時刻，k＝1,2,…,N，所述設備X和設備Y的加速度值均包含隨機振動信息和過載信息，其中採集設備X加速度值的傳感器和採集設備Y加速度值的傳感器採樣頻率一致，其採樣頻率fs滿足4KHz<fs<10KHz，採樣周期為Ts＝1/fs；
以橇體至被試品的振動傳遞譜為例，安裝於橇體的傳感器在每個採樣周期採樣橇體運行時的激振源加速度值，得到橇體運行時的激振源加速度值序列aIx(k)；同時，安裝於被試品的傳感器在每個採樣周期採樣被試品運行時的加速度值，得到被試品運行時的加速度值序列aIy(k)。
(2)採用高通濾波器對加速度值序列aIx(k)進行濾波，得到設備X的振動值序列adx(k)；採用高通濾波器對加速度值序列aIy(k)進行濾波，得到設備Y的振動值序列ady(k)；
高通濾波器的計算過程為：
(2.1)定義高通濾波器的轉折頻率為f，阻尼係數為ξ，則高通濾波器的係數為
(2.2)k＝1時，高通濾波器的狀態變量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(2.3)高通濾波器利用公式ad(k)＝(n1-d1)x1(k)+(n2-d2)x2(k)+b0aI(k)對第k個時刻的加速度值aI(k)進行濾波得到振動值ad(k)，進入步驟(2.4)；
(2.4)k的值加1，判斷k是否小於等於N時，如果是，則利用公式
更新x1(k)和x2(k)，返回步驟(2.3)；否則，高通濾波器濾波結束，得到振動值序列。
(3)根據adx(k)得到設備X的振動功率譜密度序列Φx(fp)，根據ady(k)得到設備Y的振動功率譜密度序列Φy(fp)，p＝1,2,…,N/2；
(i)基於正頻域，利用如下公式計算設備X振動數據的線譜序列：
其中fp為頻率，fp＝(p-1)/T, p＝1,2,…,N/2；
(ii)根據線譜序列計算設備X的振動功率譜密度序列：
其中T為N個採樣周期的持續時間；F(k)為離散傅立葉變換；
根據ady(k)得到設備Y的振動功率譜密度序列Φy(fp)的實現方式為：
(i)利用如下公式計算設備Y的振動數據的線譜序列：
(ii)根據線譜序列計算設備Y的振動功率譜密度序列：
(4)分別對步驟(3)得到的振動功率譜密度序列進行降噪處理，得到降噪後的振動功率譜密度序列Φ′x(fp)、Φ′y(fp)；
降噪處理過程為：
(4.1)定義低通濾波器的截止頻率為f'，阻尼係數為ξ'，N個採樣周期的持續時間為T，則有低通濾波器的係數為
n1′＝2；
n′2＝1；
(4.2)p＝1時，低通濾波器的狀態變量x1(1)＝0、x2(1)＝0；
(4.3)低通濾波器利用公式Φ′x(fp)＝(n1′-d1′)x1(p)+(n′2-d2′)x2(p)+b0Φx(fp)對第p個時刻的加速度值aI(p)進行濾波得到降噪後的功率譜密度，進入步驟(4.4)；
(4.4)p的值加1，判斷p是否小於等於N/2時，如果是，則利用公式
更新x1(p)和x2(p)，返回步驟(4.3)；否則，降噪處理結束，得到降噪後的功率譜密度序列。
(5)根據步驟(4)獲得的振動功率譜密度序列，利用公式確定設備X至設備Y的振動傳遞譜序列Φxy(fp)。
實施例1：
以減振平板安裝的航向傳感器為例來驗證本發明對振動值功率譜密度的降噪能力。
用本發明方法從原始加速度信號中提取振動信號，其中設定條件如下：在火箭橇試驗中，採用多級安裝方式，即：被試產品安裝於減振平板上，再由減振平板通過隔振器安裝於橇體。傳感器採樣頻率為9.6kHz。在開始運行至停止的過程，採集記錄的加速度數據如圖2所示，採用本發明的高通濾波器濾波後得到的振動數據如圖3所示。採用傳統的基於周期譜的振動功率譜密度計算結果如圖4所示，可以看出，噪聲較大。利用本發明方法對功率譜密度序列進行低通濾波降噪，得到的振動功率譜密度曲線如圖5所示，可以看出，振動功率譜密度曲線更清晰，噪聲幅值大幅度衰減。
實施例2：
從火箭橇試驗中根據多傳感器的振動信息計算各級之間的振動傳遞譜，實現振動傳遞特性分析。
設定條件如下：在火箭橇試驗中，採用多級安裝方式，即：被試產品安裝於減振平板上，再由減振平板通過隔振器安裝於橇體。傳感器採樣頻率為9.6kHz。在開始運行至停止的過程，由橇體安裝的航向傳感器、減振平板安裝的航向傳感器以及慣性平臺(被試產品)安裝的航向傳感器分別採集記錄對應的加速度值信息，經過高通濾波器得到振動數據，並進一步得到功率譜密度。橇體的振動功率譜密度信息如圖6所示、減振平板的振動功率譜密度信息如圖7所示、慣性平臺(被試產品)的振動功率譜密度信息如圖8所示。根據本發明的振動傳遞譜計算方法，可分別計算出：
(1)減振平板至橇體(減振平板在橇體振動激勵下)的振動傳遞譜分布，如圖9所示；
(2)慣性平臺(被試產品)至減振平板(慣性平臺(被試產品)在減振平板振動激勵下)的振動傳遞譜分布，如圖10所示；
(3)慣性平臺(被試產品)至橇體(慣性平臺(被試產品)在橇體振動激勵下)的振動傳遞譜分布，如圖11所示。
從圖中可以看出，慣性平臺(被試產品)相對於減振平板的振動量級放大，由於減振平板的衰減作用有限，從而造成橇體振動激勵時慣性平臺(被試產品)的振動量級也放大。
以上所述，僅為本發明一個具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。