Способ измерения комплексных частотных характеристик колебательных систем

тОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл.2 С 01 Н 3/08 Государствеииый комитет СССР ио делам иэобретеиий и открытий(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ЧАСТОТВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Изобретение относится к области,виброиэмерительной техники и можетнайти применение при измерениикомплексных частотных характеристик .различных колебательных систем, , .например средств вибро- и звукоизоляции и звукопоглощения, йри изме-. .рении механических импедансов ит,д.Известен способ измерения вибрационных характеристик колебательных систем, заключающийся в том, что возбуждают указанные системы широкополосным сигналом, исследуют анализатором спектры сигналов на входе ивыходе колебательной системы, например цифровыМ методом, с усреднением периодограмм выборок конечной длительности после детектирования, Этот способ имеет малый динамйческий диапазон анализа, так как структурасигнала (белый шум) не отличается отструктуры собственных шумов аппара: туры, и недостаточное отношение сйгнал/шум при синусоидальной помехе, так как несмотря на то, что при сужении полосы анализирующего фильтра уровень шумового сигнала гадает, уровень синусоидадьной помехи остается неиэменньв 1)2С целью повышения точности измерения и увеличения динамического диапазона анализа, в качестве широкополосногосигнала используют периодический импульсный сигнал и синхронизируют иманализаторспектра.Кроме того, с целью повышенияпомехозащищенности измерений, усреднение производят до определения модулей спектральных составляющих путемкомплексного усреднения выборок,также с целью контроля отношения сигнал/помеха, длительность выборкианализируемыхсигналов выбирают вцелое число раз большей периода импульсного сигнала возбуждения,На чертеже изображена блок-схема". устройства, реализующая данный способ.Устройство состоит из генератора1 частоты дискретизации (во времени)анализируемых сигналов, являющегосясоставной частью цифрового анализатора спектров 2, выход генератора 1.через делитель 3 частоты соединенсо входом генератора 4 возбуждения,выход которого .соединен с устройством 5 возбуждения колебательнойсистемы б й с одним из входов схемы7 совпадения. На колебательнойсистеме 6 установлены входной и выходной датчики 8 и 9, выходы которыхсоединены со входами арифметического, устройства 10, выход которого подсоединен ко входу регистратора 11. Второй вход схемы 7 совпадения соединенс выходом источника 12 сигналов запуска анализатора, Выход схемы 7совпадения соединен со входом запускацифрового спектроанализатора 2.Предложенный способ заключается вследующем, 10Колебательную систему 6 возбуждаютустройством 5 возбуждения, возбуждение осуществляют широкополосным сигналом в виде периодической последовательности импульсов. 15КоЛебания в двух точках колебатель ной системы принимают с помощью датчиков 8 и 9, а затем анализируют цифровым анализатором спектров 2, причемцифровой анализатор спектра синхрони-рзируют с указанной периодическойпоследовательностью импульсов. Периодограммы.колебаний, полученные из выборок конечной длительности, усредняют, йричем усреднение производят доопределенйя модулей и фазы спектраль.ных составляющих путем комплексногоусреднения выборок, Длительностькаждой выборки анализируемых колебаний выбирают в целое число раз большей периода следования импульсов возбуждения.Эффективйость предложенного способа объясняется следующим.Цифровой. анализ спектра, осуществляющий дискретное преобразованиеФурье, можно уподобить анализаторупараллельного действияс числом эквивалентных фильтров, равным половинечисла отсчетов в выборке анализируе-.мого процесса. В результате такого 40анализа получается дискретная спектрограмма, обычно называемая периодограммой, отсчетные точки которой,Фт . е. частоты настройки эквивалентныхфильтров, расположены равномерно на 45частотной оси с шаром1 дь 1= - тКгде дй - шаг отсчетов но оси частот,йд - частота дискретизации анализируемых сигналов, В-число отсчетоввыборки сигнала, используемых приодном цикле анализаЕсли на спектральный анализ податьйерйодический"импульсный сигнал,обладающий дискретным спектром, составляющие которого расположены начастотах строго кратных 1 й, то этисоставляющие будут находиться точнона частотах настройки эквивалентныхФильтров. Следовательно, при любойширине йолосы эквивалентных фильтров и любой их частотной характеристике, симметричной относительно частоты настройки этих фильтров, для:такого сигнала не возникнут частот ные и фазовые искажений в процессе спектрального анализа.Форма огибающей спектра сигнала возбуждения не имеет значения, т,к. измеряемая частотная характеристика есть отношение спектров. Важно то, что положения составляющих спектра. возбуждающего сигнала на частотной оси и частоты настройки эквивалентных фильтров спектроанализатора совпадают благодаря синхронизации цифрового спектрального анализа и импульсного возбуждения.С помощью комплексного усреднения комплексных спектров достигнуто повышение помехозащищенности измерения, такое усреднение комплексных спектров позволяет сузить полосу эквивалентного фильтра.Можно показать, что в результате комплексного усреднения М комплекс- ных спектров; полученных при синхронном возбуждении, результирующая полоса эквивалентного фильтра сужается в М раз, Однако, если анализируемые выборки не синь 11 онизированы, то усредняемые фазовые спектры выборок различны, и усреднение может не дать накопления полезного сигнала, Благодаря синхронизации сигнала возбуждения с началом выборки для спектрального анализа, спектры фаз и амплитуд полезногосигнала, измеренные спектроанализатором, постоянны.Поэтому комплексное усреднение спектров .позволяет повысить помехоустойчивость измерения за счет синхронного накопления, Перестановка операций усреднения и спектрального анализа позволяет значительно сократить. время анализа, причем выигрыш во. временИ анализа тем больше, чем выае число осредняемых выборок, Предлагается выбирать период следования возбуждающих импульсов в целое число раз. К (К 12) меньше длительности выборки цифрового спектроанализатора, . При этом составляющие спектра возбуждения будут расположены на частотной оси через К отсчетных точек спектрального анализа. Это позволяет непосредственно во время измерения контролировать результирующее отношение сигнал/помеха путем сравнения отсчетов амплитуд на частотах, совпадающих с частотамй составляющих спектра возбуждения, и отчетов амплитуд на соседних частотах, которые определяются только помехами.Таким образом предложенный способ позволяет повысить помехозащищенность измерения комплексных частотных характеристик как поотношению к синусоидальным помехам, частоты которых не кратны частоте дискретизации, так и по отношению к помехам со сплошным спектром.Одним из важных преимуществ предлагаемого способа является возможэ 2685/44 ЦНИИПИ Госуда по делам из 113035, Москва, Тираж 7рственнобретен3-35,: Подписио комитета СССРи открытийушская наб., д.4/ Филиал ППГПатент ф , г.ужгород, ул,йроектн 5ность использования в нем .одноканального цифрового спектроанализатора, что обусловлено стационарностью колебательной системы и детерминированным . характером ее возбуждения, синхронизированного со спектральным анализом. При этом спектры сигналов с выходов датчиков могут быть определены в разное время с учетом имеющейся возможности контроля отношения сигнал/помеха. Формула и з обретения1 О1. Способ измерения комплексных частотных характеристик колебательных систем, заключающийся в том, что возбуждают указанные системы широкополосным сигналом, исследуют аналиэато ром спектры сигналов на входе и на выходе колебательной системы, например цифровым методом,с усреднением периодограмм выборок конечной длительности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что., 20 с целью повышения точности измерения и увеличения динамического диапазонаанализа, в. качестве широкополосногосигнала используют периодическийимпульсный сигнал и синхронизируютим анализатор спектра.2, Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения помехоэащищенности измерений,усреднение производят до определениямодулей спектральных составляющихпутем комплексного усреднения выборок.3. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью контроля отношения сигнал/помеха, длительность выборки. анализируемых сигналоввыбирают в. целое число .раэ большейпериода импульсного сигнала возбуждения,Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1. Патент США 9 3504531,кл. С 01 М 7/00, 1970,