(57)【要約】【課題】（１）対象物の変質又は損傷のおそれがなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能であり、（２）導電体以外の対象物にも適用でき、（３）小型センサや小型ディスクの場合でも計測が容易であり、かつ（４）加振時間の短縮が容易であり高周波の振動試験への対応ができ、（５）対象物のモード解析ができる振動試験装置とこれを用いたモード解析方法を提供する。【解決手段】互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極１１を有する放電プローブ１２と、電極間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる放電加振装置１４と、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する非接触式振動計測装置１６と、前記高電圧パルスによる加振力Ｆ（ｔ）を非接触で検出する非接触式加振力計測装置２０とを備え、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から衝撃波Ｓで加振し、加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する。【選択図】　　　図１
2004117323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極（１１）を有する放電プローブ（１２）と、該電極間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる放電加振装置（１４）と、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する非接触式振動計測装置（１６）と、前記高電圧パルスによる加振力Ｆ（ｔ）を非接触で検出する非接触式加振力計測装置（２０）とを備え、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から衝撃波Ｓで加振し、該加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する、ことを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】
前記非接触式加振力計測装置（２０）は、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）を計測する光強度検出器である、ことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
【請求項３】
互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極（１１）の間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる放電加振ステップ（Ａ）と、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する非接触式振動計測ステップ（Ｂ）と、前記高電圧パルスによる加振力Ｆ（ｔ）を非接触で計測する加振力計測ステップ（Ｃ）とを備え、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から衝撃波Ｓで加振し、該加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する、ことを特徴とするモード解析方法。
【請求項４】
前記加振力計測ステップ（Ｃ）において、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）を計測し、予め求めた加振力Ｆ（ｔ）との関係から加振力を求める、ことを特徴とする請求項３に記載のモード解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物を加振してその振動モードを解析するための振動試験装置とこれを用いたモード解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば航空機用のガスタービンエンジンでは、回転運動に起因して高圧圧縮機の動翼やタービン動翼などの回転部品が高周波の繰り返し応力を受ける。例えばこうした動翼は、直上流に配される静翼によって空力的な応力（加振力）を受け、この場合、静翼の枚数に回転数を乗じたものが加振力の振動周波数となる。振動周波数が動翼の固有振動数と一致すると動翼に共振が生じて大きな応力が作用してしまうため、ガスタービンエンジンでは一般に、定常運転時における振動周波数と動翼の固有振動数とが一致しないように設計が行われている。
【０００３】
こうした設計に基づいて製作された動翼の固有振動数を実際に確認したり、あるいは製作時のバラツキを調べたりすることを目的として、振動試験装置が用いられる。振動試験装置は、対象物を設置するための支持部、対象物を加振するための加振部、および対象物の応答を検出するための信号検出部を備えており、これらには対象物の特性や試験内容に応じて様々な方法のものが提案されている。
【０００４】
このうち加振部には、打撃試験によるものが採用されることが多い。打撃試験は、打撃ハンマで対象物を叩くことにより加振する方法で、加振系を対象物に取り付ける必要がなく、一度に低周波からある程度の高周波までのスペクトルを得ることでき、しかも短時間で行えて汎用性が広いといった利点を有する。特に上述した動翼など、比較的小さい構造物の振動試験では広く採用されている。
【０００５】
しかし打撃試験には、以下のような問題点があった。
（１）実際の打撃によって対象物に衝撃波を与えるため、打撃時間の短縮が困難であり、高周波の振動試験への対応が極めて難しい。
（２）実施者が打撃ハンマで対象物を叩くので、技能や経験に依存する度合が大きく、精度が実施者の技術や熟練度に大きく依存する。
（３）打撃試験の自動化に際して装置が複雑になる。
【０００６】
上述した打撃試験の問題点を解決するために、本発明の発明者は先に図４に模式的に示す「振動試験装置」を創案し出願した（特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５６５号公報
【０００８】
（特許文献１）の振動試験装置は、支持部１に設置された対象物Ｔを加振部２によって加振して、対象物Ｔ（供試体）の応答を信号検出部３で検出する振動試験装置であって、加振部２は、先端を対象物Ｔに近づけて配される放電プローブ４と、放電プローブ４と対象物Ｔとの間に電位差を与えて放電を発生させる放電コントローラ５とを備えたものである。この振動試験装置により、放電プローブと対象物との間で放電を発生させることで対象物に継続時間の極めて短い衝撃波を与えて対象物を加振することが可能となった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、（特許文献１）の振動試験装置では、対象物Ｔ（供試体）にアースを取り、供試体に直接スパークさせて衝撃波で加振し、振動応答データを取得していたため、対象物のスパークされるポイントが変質して供試体の強度低下を招くおそれがあった。
またそのため、実際に使用するジェットエンジンの実機部品には品質低下のおそれがあるため適用できなかった。
【００１０】
さらに、この方法では、導電性がある対象物に限られるため、セラミックス部品等の計測ができなかった。また、対象物が小型センサや小型ディスクの場合、隣接する別の部品にスパークが飛びやすく、目的とする小型部品の計測が困難であった。
【００１１】
また、得られるデータは対象物の応答波形だけであるため、対象物のモード解析ができなかった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）対象物の変質又は損傷のおそれがなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能であり、（２）導電体以外の対象物にも適用でき、（３）小型センサや小型ディスクの場合でも計測が容易であり、かつ（４）加振時間の短縮が容易であり高周波の振動試験への対応ができ、（５）対象物のモード解析ができる振動試験装置とこれを用いたモード解析方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極（１１）を有する放電プローブ（１２）と、該電極間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる放電加振装置（１４）と、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する非接触式振動計測装置（１６）と、前記高電圧パルスによる加振力Ｆ（ｔ）を非接触で検出する非接触式加振力計測装置（２０）とを備え、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から衝撃波Ｓで加振し、該加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する、ことを特徴とする振動試験装置が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極（１１）の間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる放電加振ステップ（Ａ）と、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で計測する非接触式振動計測ステップ（Ｂ）と、前記高電圧パルスによる加振力Ｆ（ｔ）を非接触で計測する加振力計測ステップ（Ｃ）とを備え、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から衝撃波Ｓで加振し、該加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で計測する、ことを特徴とするモード解析方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の方法及び装置によれば、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から放電プローブ（１２）の放電による衝撃波Ｓで加振するので、対象物は圧力波を受けるのみであり、その変質又は損傷のおそれがなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能である。
【００１６】
また、対象物Ｔには直接放電しないので、セラミックス部品等の導電体以外の対象物にもそのまま適用できる。さらに、対象物Ｔ自体には直接放電せず、非接触式振動計測装置（１６）で対象物Ｔの振動を非接触で計測するので、隣接する別の部品にスパークが飛ぶおそれもなく小型センサや小型ディスクの場合でも計測が容易である。
【００１７】
さらに、放電プローブ（１２）の放電時間は、容易に短縮できるので、加振時間の短縮が容易であり高周波の振動試験への対応ができる。また、放電の電圧と時間、電極間の放電間隙Ｇおよび対象物Ｔとの間隔を決めるだけで、常にほぼ同一の計測ができるので、技能や経験に依存する度合が少なく、かつ容易に自動化が可能である。
【００１８】
また、加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で計測するので、対象物の伝達関数Ｈを求めることができ、これを用いて対象物のモード解析ができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記非接触式加振力計測装置（２０）は、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）を計測する光強度計測器である。また、前記加振力計測ステップ（Ｃ）において、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）を計測し、予め求めた加振力Ｆ（ｔ）との関係から加振力を求める。
この構成により、予め求めた更正データを基にスパーク光の強度Ｉ（ｔ）から加振力Ｆ（ｔ）を求めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２１】
図１は、モード解析の説明図である。モード解析とは、総合的な振動解析法であり、構造体の各部がその固有振動数でどのように振動するか、すなわち、構造体の振動モードを調べることによりその構造体の動的な特性を解析するものである。
モード解析の方法は、ある構造物を伝達関数のマトリックスとしてモデル化し、振動方程式がその伝達関数のマトリックスを最も適切に表せるようなモーダル・パラメータ（固有振動数、減衰比、モード・シェープ等）を決定する。
その結果、対象となる構造物は、振動方程式と実測した伝達関数の双方に基づいて得られたモーダル・パラメータに従って計算され、求められた伝達関数のマトリックスにより完全にモデル化されることになる。
なお、伝達関数Ｈは、Ｈ（ｔ）＝変位Ｘ（ｔ）／外力Ｆ（ｔ）で定義される。
【００２２】
図２は、モード解析の一般的な実行手順を示すフロー図である。この図に示すように、モード解析は、形状定義、自由度の定義、伝達関数の測定、カーブ・フィット、モード・アニメーションの順で行われる。
「形状定義」は、対象となる構造物の形状を有限個の点およびそれらを結ぶ線からなるワイヤ・フレーム形状で置き換えることによって行われる。「自由度の定義」は、形状定義で定義した各点に対し、その点における応答ないしは入力の測定方向を定義する。
「伝達関数の測定」は、構造物中のある１点を加振し、その際に作用した外力Ｆ（ｔ）と構造物の特定点における応答振動（変位）Ｘ（ｔ）を測定する。
「カーブ・フィット」では、実際に測定した伝達関数と、固有振動数、減衰比、モード・シェープ等のモーダル・パラメータを組み合せて理論的に構成した伝達関数とを比較し、両者が最も近くなる場合のモーダル・パラメータを求める。「モード・アニメーション」では、得られたモーダル・パラメータに基づいて、各共振周波数での振動モードを時間軸に沿って動画的に表示させ、構造体各部が連成して振動するようす表す。
なお、図２に示すように、モード解析によって得られたモーダル・パラメータに基づいて、各種のシミュレーションを行うことができる。
【００２３】
図３は、本発明による振動試験装置の実施形態を示す構成図である。この図に示すように、本発明の振動試験装置１０は、放電プローブ１２、放電加振装置１４、非接触式振動計測装置１６、振動分析装置１８、および非接触式加振力計測装置２０を備える。
【００２４】
試験する対象物Ｔは、例えば動翼であり支持機構９で支持される。支持機構９は、例えば動翼Ｔが設置されるタブテイル形状の溝を有する。また、この溝に装着された動翼Ｔを油圧やエア圧などを利用して所定の力で保持・固定するようにするのがよい。
【００２５】
また対象物Ｔの交換機構（図示せず）を備え、支持機構９への動翼Ｔの取り付け・取り外しを自動的に行うようにするのがよい。交換機構は、図示しない駆動手段を有しており、外部から供給される動翼Ｔを支持機構９まで自動搬送して支持機構９の溝に動翼Ｔを装着するとともに、試験後の動翼Ｔを溝から抜き出して外部へ送るように構成されている。
【００２６】
放電プローブ１２は、互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極１１を有する。電極１１は、電極間に安定した放電ができるように導電性の高い金属（銅、銅合金、金等）又はカーボンからなる。
また、放電時間及び加振力を調整するために、放電間隙Ｇを変更できるように構成されている。電極１１の先端は放電位置を一定にするために尖っているのが好ましいが、半球状または平面状であってもよい。また、１対の電極１１の間に絶縁部材１１ａを設け、その部分での放電を防止するようになっている。
【００２７】
放電加振装置１４は、振動分析装置１８からのトリガー信号１３により、単一または複数の高電圧パルスを印可する高電圧直流パルス電源であり、電極１１の間に高電圧パルスを印可してその間（放電間隙Ｇ）で放電させ衝撃波Ｓを発生させるようになっている。
【００２８】
一般に、大気中で放電を発生させるにあたっては、放電間隙Ｇと電極形状とに応じた所定の電圧が必要とされる。例えば、平行板間での放電は、球形同士の間での放電に比べて高い電圧が必要である。本実施形態では、１対の電極１１の放電間隙Ｇが数ｍｍ程度の所定値に予め定められており、放電加振装置１４により、放電間隙Ｇ間が放電に要する電圧よりも十分高い電圧となるように、高電圧パルスを印可するようになっている。この電圧は、例えば１５００Ｖ以上であるのがよい。
【００２９】
なおこの電圧によって生じる放電により動翼Ｔを加振する衝撃波Ｓが発生するが、対象物Ｔは圧力波を受けるのみであり、その変質又は損傷のおそれは全くなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能であることが予め確認されている。
【００３０】
非接触式振動計測装置１６は、放電ノイズの影響を低減するためにノイズカットトランス（図示せず）を介して電源供給されたレーザドップラ振動計１６ａとそのセンサーヘッド１６ｂからなり、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で計測する。ここで振動Ｘ（ｔ）とはレーザドップラ振動計より計測された応答速度を積分した変位Ｘと加振時からの経過時間ｔの関係である。
【００３１】
レーザドップラ振動計１６ａは、対象物にレーザ光を照射して反射光のドップラーシフト周波数から速度の時間応答を求める装置である。このレーザドップラ振動計１６ａは、他の可動機構と干渉しない少し離れた場所から、例えば対象物の自由端側といった応答の検出に適切な箇所に向けてレーザ光を照射および反射光を受光するように配設される。
なお、非接触式振動計測装置１６には、このレーザドップラ速度計のほか、渦電流やレーザ光、静電容量等を利用した変位計を用いることもできる。
【００３２】
振動分析装置１８は、好ましくはＦＦＴアナライザまたは信号処理ソフトを内蔵するコンピュータであり、計測した振動Ｘ（ｔ）から固有振動数と伝達関数を演算する。
【００３３】
非接触式加振力計測装置２０は、この例では光強度計測器（例えばフォトダイオード）であり、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）から加振力Ｆ（ｔ）を非接触で計測する。ここでスパーク光の強度Ｉ（ｔ）は加振時からの経過時間ｔとの関係である。
光強度計測器によるスパーク光の強度Ｉ（ｔ）と加振力Ｆ（ｔ）との関係は、予め予備試験で求めることができる。この予備試験は、例えば、一定重量ｍの錘りを糸等で吊るし、所定位置からのスパーク光強度Ｉ（ｔ）による錘りの加速度αを振れ角または加速度計で計測し、Ｆ＝ｍ・αの関係式から、スパーク光の強度Ｉ（ｔ）と加振力Ｆ（ｔ）の関係を予め求めることができる。
【００３４】
上述した装置を用い、本発明のモード解析方法は、放電加振ステップ（Ａ）、非接触式振動計測ステップ（Ｂ）及び加振力計測ステップ（Ｃ）を有する。
放電加振ステップ（Ａ）では、互いに放電間隙Ｇを隔てた１対の電極１１の間に高電圧パルスを印可してその間で放電させ衝撃波Ｓを発生させる。
非接触式振動計測ステップ（Ｂ）では、対象物Ｔの振動Ｘ（ｔ）を非接触で検出する。
加振力計測ステップ（Ｃ）では、高電圧パルスによる放電時のスパーク光の強度Ｉ（ｔ）を計測し、予め求めた加振力Ｆ（ｔ）との関係から加振力Ｆ（ｔ）を非接触で計測する。
【００３５】
上述した本発明の方法及び装置によれば、対象物Ｔを間隔を隔てた位置から放電プローブ１２の放電による衝撃波Ｓで加振するので、対象物は圧力波を受けるのみであり、その変質又は損傷のおそれがなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能である。
【００３６】
また、対象物Ｔには直接放電しないので、セラミックス部品等の導電体以外の対象物にもそのまま適用できる。さらに、対象物Ｔ自体には直接放電せず、非接触式振動計測装置１６で対象物Ｔの振動を非接触で計測するので、隣接する別の部品にスパークが飛ぶおそれもなく小型センサや小型ディスクの場合でも目的とする小型部品の計測が容易である。
【００３７】
さらに、放電プローブ１２の放電時間は、容易に短縮できるので、加振時間の短縮が容易であり高周波の振動試験への対応ができる。また、放電の電圧と時間、電極間の放電間隙Ｇおよび対象物Ｔとの間隔を決めるだけで、常にほぼ同一の計測ができるので、技能や経験に依存する度合が少なく、かつ容易に自動化が可能である。
【００３８】
また、加振力Ｆ（ｔ）と対象物の振動Ｘ（ｔ）を非接触で計測するので、対象物の伝達関数Ｈを求めることができ、これを用いて対象物のモード解析ができる。
従って、ターボポンプのインデューサ等の小型で３次元構造部のモード計測も本発明により高周波域までモード形状を含む振動特性を把握することが可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができる。
【００４０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の振動試験装置とこれを用いたモード解析方法は、（１）対象物の変質又は損傷のおそれがなく、実機部品にも品質低下のおそれなく適用可能であり、（２）導電体以外の対象物にも適用でき、（３）小型センサや小型ディスクの場合でも計測が容易であり、かつ（４）加振時間の短縮が容易であり高周波の振動試験への対応ができ、（５）対象物のモード解析ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】モード解析の説明図である。
【図２】モード解析の一般的な実行手順を示すフロー図である。
【図３】本発明による振動試験装置の実施形態を示す構成図である。
【図４】先行出願による振動試験装置の模式図である。
【符号の説明】
Ｔ　動翼（対象物、供試体）、Ｓ　衝撃波、Ｇ　放電間隙（放電間隙）
１　支持部、２　加振部、３　信号検出部、４　放電プローブ、
５　放電コントローラ、９　支持機構、
１０　振動試験装置、１１　電極、
１２　放電プローブ、１３　トリガー信号、
１４　放電加振装置、１６　非接触式振動計測装置、
１６ａ　レーザドップラ振動計、１６ｂ　センサーヘッド、
１８　振動分析装置、２０　非接触式加振力計測装置（光強度計測器）
【図１】
2004117323.tif 000003
【図２】
2004117323.tif 000004
【図３】
2004117323.tif 000005
【図４】
2004117323.tif 000006