用于模态和NVH试验的三维数字化坐标仪

　　在为提高模态试验水平的不断努力中,声学数字化定位技术被用来有效、精确地获取试验件物理坐标,形成电子数据表格。在本研究中,采用3个超声发射器、4个拾音器用来测量时延,确定三维坐标。

　　1　工作原理

　　声学数字定位的基础是:声音在一定介质中的传播速度是已知的。如能测定声发射脉冲和接收器之间的时延,即可精确确定二者之间的距离。一个点和三个参考位置之间的距离一旦确定,该点在三维空间的位置也就随之而定。

　　两个发射器e1和e2独立地安装在探头上,放电发射出具有一定超声能量的短时强烈脉冲。四个拾音器r1,r2,r3和r4固定在探测器上,用来接收同步时间历程信号,由此计算出发射器和接收器之间的时延(典型的时间历程信号见图1)。

　　然后将时延按下式转换为距离

　　其中:下标e和r分别表示发射器和接收器。声速c通过安装在探测器上的第三个发射器e3在实际工作环境中不断自行进行校准。以xer为半径绕各接收器画圆弧(见图2),即可确定各个发射器的空间坐标。发射器位置一旦确定,那么手持探头顶端的位置即可由已知长度计算出来。

2　试验结构

　　福特公司Mustang1989型汽车整车被用来作为模态试验实例,以演示声学数字化坐标仪的有效性。该型汽车在辛辛那提大学结构动力学研究所就有一辆可供使用。总共有135个模态试验测点,分布在整个车身外部,从前面防撞杆,直到汽车尾部挡板。

　　3　常规试验方法

　　由两个人用皮尺来测量各测点坐标的的几何数据,各测点的坐标中一般有一个方向是可以用皮尺测量的。通常以先前测点为参考来确定后一个测点的坐标,垂直方向的距离就只好用目测来估计了。测点先后沿着结构四周进行,同时参考先前位置和原点坐标。测完汽车左半边的几何数据后,再对称映射到右半边,由此完成全部整车几何坐标数据。

　　4　声学数字定位方法

　　图3为用于本研究的数字化坐标测量仪的示意图。该仪器由发射器探头、带拾音器的菱形探测器支架、控制器硬件和PC机软件组成。探测器支架由强度高、重量轻的铝合金制成,易于固定在便携式三角架上。探测器上还装有第三个发射器e3,与第一个拾音器保持确定的距离,这对发射器/拾音器组合用于在每次测量时对声速进行校准。所有拾音器用来对探头进行三角定位。其实,理论上只要3个拾音器就够了,但是采用4个以便于测量体积更大的试件。

　　手持发射器探头上装有一根长20 cm的延伸竿,以便够得着较远的位置。发射器通过高压、高阻抗电弧产生超声脉冲,可传递到各个拾音器,所有发射器都在探头部用按键触发。