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技术与应用

PCIE高速声发射仪/千兆网络声发射仪

技术与应用

用于模态和NVH试验的三维数字化坐标仪

发布日期:2011-06-09 17:02    浏览次数:

作者:Richard W.Bono Micheal J. Dillon David L.Brown
摘要 声发射/接收技术用于测定模态试验三维坐标,比传统方法节省时间并提高精度。本文介绍声学数字化坐标仪的基本原理,并通过汽车整车振动模态实例对两种方法进行比较。
关键词 模态试验 三维坐标 声发射 数字化
在振动模态试验中,用人工量测传感器位置,确定测点三维坐标,形成振型动画显示所需的几何文件,需要耗费大量时间。这种人工方法用皮尺来量测各试验点距参考点的X,Y和Z三维坐标,然后按照整理好的测点坐标表输入计算机,形成几何文件,用于模态参数估计软件,以便显示振型动画。对于大型模态试验,这一过程至少需要好几个小时,而且对于复杂结构来说,其精度也不是很高。
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

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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。

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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。
控制器硬件和PC软件触发发射器,测量时延并计算探头顶端的位置,同时还计算出探头上两个发射器e1和e2之间的距离作为校核。实际距离经过测量校准,固定不变。将此距离与每次测量时由数字化坐标仪计算的结果相比较,如果不在预定容差范围内,该测量结果作废。

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几何数据一经测定(见图4),再将探头对准下一个测点,每个测点由4次测量值取平均。系统软件可以很方便地用于多次平均,只要在测量时操作人员重复触发开关即可。

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测得的全部数字化坐标数据都按试验前定好的坐标系形成文件。本次试验研究的原点选在汽车顶部的中央,X轴取汽车侧滚轴并指向前方,Y轴垂直向上,Z轴指向乘客座一侧的车门。原点位置所以选在中央是为了保证同样的坐标系可适用于探测器支架的不同位置。为了测量所有各点的坐标,探测器支架先后被放在4个不同位置,每次移动位置后,用同一原点来定义坐标系,这样就使得所有数据点都记录在相同数据文件中,无需用户进行坐标变换。
5 结果与比较
用上述两种方法测量,记录了全部135个点的坐标。将常规方法测得的坐标输入计算机,然后转换成通用文件(Universal File) Type 15格式,以满足振型动画软件的需要。数字化坐标仪的ASCⅡ文件输出则通过DOS转换程序变成通用文件Type 15格式。表1给出了两种测量方法所需的全部时间。

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正如预期的那样,声学数字化坐标仪比常规用皮尺量测要方便得多,除了能节省大量时间(见表1),测量结果的可靠性也比“目测”要高得多。另一个好处是,无需人工输入三维坐标。尽管在整车测量过程中移动探测器支架3次,比起手工测量方法仍然是效率更高、精度更好。
6 结 论
在本实例研究中,用三维数字化坐标仪测量节省了80%以上的时间,由软件支持的测量仪可以轻易实现用户定义坐标系统,并能进行实时自动声速校准。数字化坐标仪成功地取代了传统的皮尺量测方法,不论模态试验的试件几何尺寸大小,都可以大大提高工作效率。该技术在结构试验中还可用于有限元建模与相关研究,以及设备(结构)运行振型测试等领域。