СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ КОМБИНАЦИОННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ОБЩЕГО АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
METHOD TO DETECT SOURCES OF COMBINATION SPECTRAL COMPONENTS OF COMMON ACOUSTIC FIELD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выявления источников шумоизлучения объектов измерений - на автомобильном или железнодорожном транспорте, а также на судах различного назначения при их диагностическом обследовании.
Известен способ выявления источников, формирующих акустическое поле объекта измерений (см. А.К.Новиков. Статистические измерения в судовой акустике. - Л.: Судостроение, 1985, с.238).
В основе способа - сравнение спектров вибрации механизмов, расположенных на объекте измерений, и спектров создаваемого ими суммарного поля. Недостатком рассматриваемого способа является ограниченная разрешающая способность спектрального анализа при выявлении источников перекрывающихся по частотному диапазону дискретных спектральных составляющих.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ оценки статистической связи двух процессов, основанный на взаимно-спектральном анализе сигналов вибрации и общего акустического поля (А.К.Новиков. Статистические измерения и обнаружение сигналов. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2006, с.82-85) - он принят за прототип.
Сущность способа-прототипа для выявления источников общего акустического поля сводится к следующим операциям:
1) прием сигнала входного воздействия - вибрации контролируемого механизма;
2) прием сигнала общего акустического поля;
3) вычисление взаимного спектра между сигналами входного воздействия и общего акустического поля;
4) регистрация модуля взаимного спектра.
Недостаток способа-прототипа состоит в невозможности его применения для выделения источников, сигналы которых распространяются по нелинейным механическим системам. Вместе с тем известно, что во многих случаях механический тракт передачи акустических сигналов является существенно нелинейным, что используется для решения задач диагностики (М.Д. Генкин, А.Г.Соколова. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987).
К числу причин, обусловливающих эффекты нелинейности, относятся: наличие диссипативных элементов, амортизаторов, резьбовых и клеевых соединений, и т.д. В результате распространения вибрационного сигнала по нелинейным механическим трактам передачи формируются спектральные составляющие, которые отсутствуют в спектрах вибраций предполагаемых источников общего акустического поля. В этом случае невозможно применение традиционных методов выявления источников, основанных на оценке статистической связи сигналов воздействия и общего акустического поля.
Задачей изобретения является обеспечение возможности выделения комбинационных составляющих общего акустического поля, являющихся продуктом взаимодействия вибрационных сигналов источников с нелинейным трактом передачи.
Это достигается тем, что перед оценкой статистической взаимосвязи процессов путем взаимно-спектрального анализа дополнительно осуществляется полосовая фильтрация сигнала вибрации в окрестности узкополосного максимума спектра и последующее выделение огибающей отфильтрованного сигнала.
Сущность предложенного технического решения пояснена на фигурах, где представлены:
- структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ (Фиг.1);
- взаимный спектр сигналов, распространяющихся по модели линейного тракта передачи (Фиг.2);
- взаимный спектр сигналов, распространяющихся по модели нелинейного тракта передачи (Фиг.3);
- взаимный спектр сигнала натурной суммарной вибрации и общего шума (Фиг.4).
Устройство, реализующее предлагаемый способ (Фиг.1), содержит первый приемник А1, соединенный с входом анализатора статистической связи 2, и второй приемник Б3, подключенный через последовательно соединенные полосовой фильтр 4 и амплитудный детектор 5 ко второму входу анализатора статистической связи. Выход анализатора статистической связи соединен с входом регистратора 6.
С использованием описанного устройства предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Сигнал общего акустического поля в контролируемой точке принимается приемником А, а сигнал суммарной вибрации - приемником Б. Суммарная вибрация обусловлена суперпозицией нескольких колебаний в контролируемой точке механического тракта передачи. При взаимодействии суммарной вибрации с нелинейным трактом передачи в спектре общей вибрации формируются комбинационные спектральные составляющие на суммарных и разностных частотах и их гармониках. В результате фильтрации суммарной вибрации полосовым фильтром в окрестности узкополосного спектрального максимума, сформированного в результате суперпозиции нескольких сигналов вибрации и последующего выделения огибающей при помощи амплитудного детектора, в спектре огибающей также формируются комбинационные составляющие, идентичные комбинационным составляющим спектра общего акустического поля.
После указанной дополнительной операции обеспечивается возможность установления статистической связи исследуемых колебаний при помощи анализатора статистической связи, основанного на методах синхронного или когерентного спектрального анализа. Далее регистратором осуществляется регистрация идентичных спектральных составляющих, по результатам которой делается заключение о выявлении источников комбинационных спектральных составляющих.
Достоверность предлагаемого способа подтверждается результатами модельного эксперимента, в результате которого рассчитывались спектры сигналов, наблюдаемых на выходе линейного механического тракта передачи (Фиг.2) и на выходе нелинейного механического тракта передачи (Фиг.3). Сравнение представленных низкочастотных фрагментов спектров показывает, что взаимодействие сигнала вибрации с нелинейным трактом передачи приводит к появлению комбинационной составляющей разностной частоты. Комбинационные спектральные составляющие суммарной частоты в приведенном примере не представлены, так как при практических измерениях они претерпевают значительное затухание. Таким образом, в спектре выходного сигнала присутствуют составляющие, отсутствующие во входном вибрационном сигнале, и, следовательно, сопоставление их спектральных характеристик не позволяет установить их источники.
Выделение амплитудной огибающей сигнала суммарной вибрации в полосе частот приводит к формированию опорного сигнала, в котором присутствуют комбинационные спектральные составляющие, идентичные аналогичным составляющим сигнала общего акустического поля, и, следовательно, обеспечивается возможность сопоставления спектров общей вибрации и огибающей. Наличие общих спектральных составляющих свидетельствует об обнаружении источников общего акустического поля.
На Фиг.4 приведены результаты отработки метода выявления источников комбинационных составляющих с целью выявления их источников на натурных сигналах вибрации судовых конструкций и внешнего шума. В качестве суммарного сигнала рассматривался сигнал вибрации блока механизмов, измеряемой на несущей рамной конструкции. Приемник суммарной вибрации (акселерометр) устанавливался после амортизаторов первого каскада. Приемником сигнала общего акустического поля являлся гидрофон, расположенный за корпусом судна. На фрагменте взаимного спектра суммарной вибрации и общего акустического поля выделена полоса частот 7, в которой осуществлялось выделение амплитудной огибающей и расчет ее спектра. На этой же фигуре показаны обнаруженные комбинационные составляющие 8, обусловленные взаимодействием суммарной вибрации и нелинейного тракта передачи. При этом поиск источников суммарной вибрации осуществлялся методом синхронного спектрального анализа.
Рассмотренные спектрограммы показывают, что основное преимущество предлагаемого способа выявления источников комбинационных составляющих перед способом-прототипом заключается в обеспечении выявления источников акустического поля при отсутствии таких составляющих в спектрах вибрации предполагаемых источников.
Проведенное моделирование и опытная обработка натурного сигнала показали, что использование новых операций в соответствии с предлагаемым способом выявления источников общего акустического поля увеличивает эффективность поиска источников вибрации в условиях нелинейности механического тракта передачи.
Основное преимущество предлагаемого способа перед способом-прототипом состоит в том, что наличие выявленных комбинационных спектральных составляющих позволяет оценить степень нелинейности механического тракта распространения суммарного вибрационного сигнала и, следовательно, определить его характеристики, обусловливающие нелинейные свойства, что является важным при создании судовых конструкций на основе резьбовых, клеевых и сварных соединений. Дефекты таких конструкций являются причиной появления комбинационных составляющих общего акустического поля.