虚拟振强分析仪设计

　　0　引　　言

　　振强定义为在定点通过单位宽度的结构截面机械能净流量,可采用单点双传感器技术测量[1, 2, 3, 4]。振强的测量对于研究结构中振动的传递路径,进而提出减振降噪措施具有重要作用。传统的振强分析仪多为具有振强测量和分析功能的声强分析仪,造价较高,致使振强技术的实际应用受到一定的限制。虚拟仪器技术是一种以PC为核心,外加必要的功能模块(硬件和软件)进行测量和控制的技术[5, 6, 7]。虚拟仪器技术将信息的采集控制、分析处理、指示表达这三大功能模块集成在计算机上,充分利用计算的软、硬件优势,进而实现数据的自动采集、分析和处理。虚拟仪器不但能达到传统仪器的效果,而且还为设计者提供更大的创造空间。

　　本文基于振动强度理论和声强测量原理,推导出用于平板结构振动强度测量的计算公式和通道相位补偿公式;采用图形化编程语言LabVIEW,设计了虚拟振动强度分析仪。

　　1　振强及其测量理论

　　1. 1　振强理论

　　平板结构强矢量表示为

　　其中,Wx、Wz分别为在x、z方向的分量。由弯曲波理论和文献[2]可知

　　其中为平板的弯曲刚度,ω=2πf为弯曲波角频率，分别为使用振强传感器测得的平板法向加速度。借助于声强测量理论,可推得x及y方向的振强Wx及Wy为

　　1.2　相位失配的补偿

　　振强测量用探头如图1所示,由两个相位差很小的加速度计组成,两传感器中间的距离Δr由测量频率上限决定,可通过选择不同的固定支架调节。

　　尽管在配置振强用探头时要求两加速度传感器的相位差尽量小,但实际上很难完全消除,因此在测量时要求对两通道(包括传感器)的相位失配进行补偿。

　　设经过A和B两个通道进入虚拟振强分析仪的时间信号分别为x(t)和y(t),相应的傅立叶变换分别为X(f)、Y(f),又假定通道A相对通道B超前时间t0。则相对信号x(t)的实际信号为

　　x′(t)的傅立叶变换为

　　其中,T为信号时间区间,X*(f)为X(f)的共轭复数。

　　考虑到两通道有相位差,实际输入信号的互谱虚部为

　　(8)式表明,考虑到相位差后的结果可以通过测得信号的互谱的虚部和实部与相差运算获得。

　　2　虚拟振强仪设计

　　虚拟振强仪软件设计使用LABVIEW语言,采用模块化的设计方法。仪器共分六大功能模块:灵敏度校准模块、通道补偿模块、数据采集模块、信号分析模块、振强可视化模块和帮助系统模块。

　　2.1　校准模块的设计

　　校准模块由信号控制、信号采集、校准控制、数据显示、数据管理五个子模块组成。以虚拟信号发生器为核心的信号控制子模块可产生不同频率的正弦波信号或白噪声信号,作为振动台的激励信号,振动台的加速度响应信号由信号采集子模块获取。校准控制子模块是整个校准模块的核心,它通过测量不同激励频率下标准传感器和待校传感器的电压输出值,自动完成待校传感器的灵敏度校准。各激励频率下的灵敏度校准值通过数据显示子模块列在表里,数据管理子模块完成各灵敏度的平均,并进行存储以备调用。