JP3420243B2 - 物体の振動状態を測定する方法 - Google Patents

物体の振動状態を測定する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モード解析によって物体の振動状態を測定
する方法に関する。
モード解析の場合、物体の所定の個所での外部からの
励振に対する物体の動的な構造的反応が測定される。そ
のために、この個所に例えば加速度センサが取付けられ
る。この加速度センサ（トランスデューサ）の出力信号
は、少なくとも一つの加速方向におけるそれぞれの個所
の物体の加速度に関する情報を供給する。その後で行わ
れる算出方法は、それぞれの励振振動数についての物体
の振動状態を判定することができ、例えば振動系のモー
ド的な特性量の測定を可能にする。この特性量は、固有
振動数、固有の形、普遍化された質量およびモード的な
減衰である。
複雑な物体の振動状態を測定するときには、多数の測
定点に比較的に多数のセンサを設ける必要がある。セン
サとそれに所属する測定信号用伝送要素、すなわち電気
導体自体が質量と剛性を有するので、これが振動状態を
変更することになる。これは、測定点を多く設ければ設
けるほど、測定すべき物体が軽ければ軽いほど大きくな
る。従って、モード解析の使用分野には限界がある。
本発明の根底をなす課題は、物体の測定点の数を制限
しないでモード解析を行うことができる、冒頭に述べた
種類の方法を提供することである。
本発明は、請求項１記載の特徴によってこの課題を解
決する。
振動状態は干渉像によって光学的に測定される。この
測定は物体自体に害を及ぼさずに、特に何らかの測定値
トランスデューサを用いないで行われる。
所定の励振振動数に対する構造体の振動形状、振幅を
決定するための光学的な干渉像だけを生成させる方法と
は異なり、本発明においては、構造体の特性を系として
記述する数学的／物理学的モデルのパラメータを設定す
るための測定データとして干渉像を用いる。この数学的
／物理学的モデルは、任意の外力が作用する時間不変の
弾性力学的線形多自由度系の動力学的な力を表わす公知
の基礎方程式から導き出される。不連続なＮ自由度のこ
の構造体が、連結解除されたＮモードの自由度を有する
連鎖振動ユニットによって表すことができることから出
発する。
干渉像から検出された物体のいろいろな個所の振動
と、励起された力との間の伝達状態から、モード解析に
よる評価によって、物体のモード特性量を少なくとも部
分的に検出することができる。
本発明の具体的な実施はいろいろな形態で可能であ
る。干渉像を得るために、（コヒーレント）レーザー技
術を用いると有利である。それによって、振幅がレーザ
ーの波長の半分よりも大きい限り、振動を検出すること
ができる。更に、モアレ方法によって干渉像を得ること
ができる。
コヒーレントな光を使用する場合には、各々の干渉像
自体をいろいろな方法で得ることができる。例えば二重
パルスまたは多重パルスホログラムの形をしたホログラ
ムが有利である。このホログラムは評価のために適当に
再構成可能である。
ホログラムの代わりに、干渉像はホログラフィー干渉
方法またはレーザードップラー振動方法によっても得る
ことができる。ホログラフィー干渉方法の場合には、物
体の（全体の）振動状態が所定の時点で光学的な干渉像
の形で記録される。レーザードップラー振動方法の場合
には、物体の振動状態がその表面に速度分布の形で記録
される。この場合、速度の測定は単色レーザー光線の周
波数移動を介して行われる（ドップラー効果）。上記の
すべての方法について、完成した像処理プログラムが存
在する。
本発明の範囲内において特に重要なことは、２つの異
なる振動状態において干渉像をストロボ照明して撮影す
ることにより参照位相（たとえば力または加速度）に関
連した位相を測定することである。この位相測定を用い
て各像点に振幅と位相或いは実部分と虚部分とを割り当
てることにより個々の像点の振動状態を表わす物理学的
パラメータを完全に決定させるのが前記数学的／物理学
的モデルである。
興味のある振動数範囲にわたって物体を詳細に検査す
るためには、本発明による方法を物体のいろいろな励振
振動数のために適用する必要がある。互いに無関係な不
連続な振動数でもよいし、所定の同じ振動数差を有する
振動数でもよい。更に、物体のモード的な特性量を、モ
ード解析を基礎として求めることができる。更に、物体
を統計学的に励振し、これに基づいて干渉像を発生する
ことができる。この干渉像は上述のようにモード解析を
基礎とすることができる。
モード解析は、物体の振動状態の実験的な検出を所定
の方法で行う必要があるので、（光学的に）検出された
物体振動と外部の物体励振との間の伝達状態を測定する
ことができる。この伝達状態は例えば振動数の範囲にお
いて振動数経過曲線の形で、時間範囲において時間的な
減衰曲線（崩壊曲線）あるいは過度的な伝達曲線の形で
示すことが可能である。
実験による方法で検出された物体のこの伝達状態は、
後続の算出方法の基礎となる。この算出方法を用いて、
物体の構造的なモード特性値が数値で検出可能である。
この算出方法に基づく数学的モデルは一般的に、複数の
自由度を有する時間的に不変の弾性力学的な線形の系の
運動方程式を含む。この系は外部の励振作用を受ける。
図に示した実施の形態に基づいて本発明を更に説明す
る。
図１は装置の構造を概略的に示している。この装置に
よって、物体の振動状態を測定するための本発明による
方法が実施される。物体は金属製の板１であり、この金
属製の板は加振機２によって例えば100Hzの所定の振動
数で励振される。加振機２は板１の角に作用している。
板に生じる振動形状の干渉像を得るために、板１は
（アルゴン−イオン−連続波）レーザ３によって照射さ
れる。レーザ３の光線の経路内には、２個の反射鏡4,5
と、音響−光学的変調器６と、ビームスプリッタ７と、
レンズ８として略示した照明レンズ系が設けられてい
る。カメラ９が干渉像を撮影する。板の像が参照光線10
と共に適当なレンズ系を経てカメラに供給される。この
参照光線はビームスプリッタと他の反射鏡11,12とピエ
ゾ鏡13によって得られ、ホログラフィー−光学的−要素
を経て物体反射光線15に挿入される。
コンピュータの支援の評価の出発点は干渉縞模様であ
る。この干渉縞模様の明るさの分布がカメラ９によって
撮影される。この模様の強さは次の式によって簡単化さ
れて表される。
Ik（ｘ）＝ａ（ｘ）・（１＋ｍ（ｘ）・cos ［ψ（ｘ）＋Ψｋ］）,k＝1,2,3 ここで、 ｘ ＝個々の像点を示す位置ベクトル ａ（ｘ）＝局部的な平均強さ ｍ（ｘ）＝縞コントラスト、そして Ψｋ ＝相対的な固定位相 物理的に重要な量である干渉位相ψ（ｘ）はａ（ｘ）
やｍ（ｘ）とは無関係に任意の像点ｘで検出しなければ
ならない。干渉位相を測定するために、ここでは例えば
移相方法が用いられる。３つの値ｌ（ｘ）から、上記式
の３つすべての未知数ａ（ｘ）,m（ｘ），ψ（ｘ）を求
めることができる。
この３つの値を得るために、相対的な干渉位相が光学
的な経路長さの変更によって移動させられる。そのため
にピエゾ鏡13が役にたつ。その際、レーザ波長の半分の
鏡の変位は、２πの位相の変更に相当する。レーザー波
長が知られているので、これから、それぞれの像点での
物体の変位を算出することができる。
振動状態を調べるためには、物体１のストロボ照明が
選択される。そのために、連続するレーザ光線が変調器
６によってパルス化される。変調器６を運転するパルス
周波数は物体１の励振振動数、すなわち加振機の出発振
動数に同期されている。それによって、物体の励振振動
数と同期した物体のストロボ照明が行われる。
各々の像点の発生した力に関する振動の実部分と虚部
分を算出できるようにするために、振動状態が互いにず
れた少なくとも２個の干渉像を撮影することが合目的で
ある。各々の像点の振動が励振振動数で行われると仮定
すると、瞬時の両変位から像点の振動の振幅と位相を検
出することができる。
励振力に関する所定の点Ｐでの変形の実部分と虚部分
は、次式によって生じる。
所定の重要な振動数帯域内での励振力の適応な数の異
なる周波数（ω）によって上述のように検査すると、構
造体の変形の変換関数を決定することができる。
従って、このようにして得られた、個々の像点の運動
に関する情報、すなわち特に加振機２に励振力に関連す
るこの運動の振幅および位相に関する情報は、物体１の
個々の測定点の振幅と位相の変位または変化に関する情
報を供給する。普通のモード解析の場合に不連続な加速
度トランスデューサによって供給される情報に一致する
この情報は、数値モード解析検査によって、物体の振動
状態の測定および解析のために用いられる。それによっ
て、不連続な測定トランスデューサによって物体がいか
なる影響も受けることなく、モード解析を行うことがで
きる。更に、質量を有する測定トランスデューサの誤差
によって、構造体変形を反作用なしに検査することがで
きるという利点がある。測定点の密度は制限を受けな
い。不連続な測定トランスデューサによる公知のモード
解析と異なり、構造体の高い固有振動数も測定すること
ができる。
フロントページの続き (72)発明者 ヴィンター フランツ ドイツ連邦共和国 デー・80637 ミュ ンヘン ダンテシュトラーセ ８ (72)発明者 シュタインビヒラー ハンス ドイツ連邦共和国 デー・83115 ノイ ボイエルン アム バウホフ ４ (56)参考文献 Ｍ．Ｗｅｃｋ，Ｈ．Ｏｓｔｅｎｄａｒ ｐ ＆ Ｍ．Ｓｅｌｌｈｏｒｓｔ，Ｔｅ ｃｈｎｉｓｃｈｅｓ Ｍｅｓｓｅｎ, 1993年，60（６），ｐ．228−234 Ａ．Ｂａｙｏｎ，Ｆ．Ｇａｓｃｏｎ ＆ Ａ．Ｖａｒａｄｅ，ＩＥＥＥ ＴＲ ＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲ ＡＳＯＮＩＣＳ，1993年，40（３），ｐ 265−269 三浦 他，自動車技術，1981年，35巻 11号，1293−1302 中野，自動車技術，1982年，36巻12 号，1311−1316 ＧＡＳＰＥＲ，Ｂ．Ｃ．，ＧＯＲＤＯ Ｎ，Ａ．Ｌ．，ＮＤＴ 85，1982年, 135−161

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】モード解析によって物体の振動状態を測定
    するための方法において、複数の異なる振動数（ω）の
    励振力で物体を所定の振動数帯域の範囲内で振動させ、
    物体の互いに異なる振動状態の少なくとも２つの光学的
    干渉像を撮影し、撮影の際物体のストロボ照明を励振振
    動数と同期させて行ない、外部から励振作用を受けてい
    て複数の自由度をもっている線形的な時間不変性の弾性
    力学系の運動方程式を含んだ数学的／物理的なモデルを
    基礎として、所定の個所の振動状態に関する干渉像を解
    析し、この所定の個所における変形の実部分と虚部分の
    解析から得られる、励振力に関連する振幅および位相に
    よって決定される変位状態についての情報を、測定値ト
    ランスデューサを用いないでモード解析することを特徴
    とする方法。
  2. 【請求項２】光学的な干渉像がレーザ技術によって得ら
    れることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】干渉像がホログラムであることを特徴とす
    る請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】干渉像がスペックル干渉計によって得られ
    ることを特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】ホログラムが二重パルス干渉計によって得
    られることを特徴とする請求項３記載の方法。
  6. 【請求項６】励振振動数が規則正しく変更されることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
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