基于能量譜的時(shí)域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)方法研究論文
引言
航空航天器發(fā)射、飛行過程中存在瞬態(tài)振動(dòng)環(huán)境.十幾年來，對(duì)這種瞬態(tài)環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)M一直是以沖擊響應(yīng)譜峰值等效為原則.但沖擊的破壞機(jī)理較復(fù)雜，沖擊譜相同的脈沖時(shí)域波形并不一定引起相同的破壞.因此為了更真實(shí)地模擬瞬態(tài)振動(dòng)環(huán)境，除了滿足沖擊譜的要求之外，必須使模擬波形盡量接近瞬態(tài)環(huán)境.
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這類瞬態(tài)振動(dòng)環(huán)境的地面模擬有快速正弦掃描、窄帶隨機(jī)掃描、隨機(jī)振動(dòng)、時(shí)域波形再現(xiàn)和能量譜等方法，幾種模擬方法各有特點(diǎn).目前查到關(guān)于瞬態(tài)振動(dòng)的模擬試驗(yàn)方法的資料主要是英美兩國(guó)的軍用標(biāo)準(zhǔn).美軍標(biāo)MIL STD-8106 (2008版)將瞬態(tài)振動(dòng)的模擬試驗(yàn)方法從MIL STD-810E的“炮擊振動(dòng)”一章中獨(dú)立出來，單獨(dú)列為一章，稱為“時(shí)域波形再現(xiàn)”.本文介紹一種基于能量譜密度平均幅值信息與典型外場(chǎng)數(shù)據(jù)相位信息經(jīng)傅里葉反變換的時(shí)域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)方法.
1能量譜密度
能量譜密度或稱為瞬態(tài)自譜.對(duì)具有隨機(jī)特性的瞬態(tài)信號(hào)，可以用能量譜密度來描述其頻率分布:式中n為平均次數(shù);F切表示第i個(gè)平均數(shù)據(jù)段的傅里葉譜;能量譜密度是對(duì)n個(gè)統(tǒng)計(jì)上等效的瞬態(tài)信號(hào)的傅立葉譜的平方平均，單位9zgsec / Hz.它與功率譜密度計(jì)算方法相同.
在不能獲得多個(gè)瞬態(tài)信號(hào)樣本時(shí)，可對(duì)單次瞬態(tài)信號(hào)傅立葉譜進(jìn)行譜線平均(按等間隔或倍頻程間隔).
2基于能量譜反變換的時(shí)域波形再現(xiàn)方法
2. 1隨時(shí)間變化的ESD幅值信息
本文以某型號(hào)外場(chǎng)彈射試驗(yàn)獲得的大量瞬態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)為例.為瞬態(tài)振動(dòng)典型時(shí)間歷程，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間歷程必須有一定的波形一致性.為波形變化趨勢(shì)一致的三組外場(chǎng)瞬態(tài)振動(dòng)時(shí)間歷程.由于瞬態(tài)振動(dòng)的非平穩(wěn)性對(duì)這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分段ESD估計(jì)(傅里葉變換FFT點(diǎn)數(shù)1024ESD估計(jì)點(diǎn)數(shù)1024，平均次數(shù)5，信號(hào)采樣頻率Sk)，并對(duì)每段ESD進(jìn)行幅值最大包絡(luò)，如圖3所示.圖中大量黑色曲線為外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)ESD估計(jì)曲線，紅色線為最大包絡(luò)曲線.為不同時(shí)間分段平均ESD估計(jì)，可以看出ESD隨時(shí)間變化譜值發(fā)生變化體現(xiàn)出瞬態(tài)振動(dòng)的非平穩(wěn)特征.最后，通過最大包絡(luò)ESD譜值通過公式(1)獲得傅里葉譜幅值信息.本文ESD包絡(luò)方法采用最大包絡(luò)，也可參照隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度包絡(luò)方法.
2. 2典型外場(chǎng)瞬態(tài)振動(dòng)相位信息
在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取幅值最大的時(shí)間歷程，按與2. 1節(jié)譜變化相同的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行FFT變換獲得典型相位.這里相位不能進(jìn)行平均處理.將獲得的相位信息與通過ESD最大包絡(luò)獲得的傅里葉譜幅值信息經(jīng)FFT反變換得到振動(dòng)臺(tái)開環(huán)控制的時(shí)域波形，反變換得到的時(shí)域波形與具有典型相位信息的外場(chǎng)時(shí)間歷程比較圖.該方法流程圖.特別指出若外場(chǎng)數(shù)據(jù)為產(chǎn)品自身響應(yīng)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)與產(chǎn)品之間的傳遞標(biāo)定，詳細(xì)步驟見MIL STD-8106附錄A;若外場(chǎng)數(shù)據(jù)為產(chǎn)品安裝處響應(yīng)，則直接應(yīng)用此方法在振動(dòng)臺(tái)上應(yīng)用時(shí)域波形再現(xiàn)模塊將反變換的時(shí)域波形輸入即可.
3與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法比較
傳統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)方法來模擬瞬態(tài)振動(dòng)環(huán)境的不足.本文著重說明本文提出的方法與美軍標(biāo)直接時(shí)域波形再現(xiàn)方法的比較.域波形作為直接時(shí)域波形再現(xiàn)的開環(huán)波形;紅色曲線為反變換方法得到的時(shí)域波形.能量譜反變換均方根值時(shí)間歷程與典型波形均方根值時(shí)間歷程比較.反變換后沖擊響應(yīng)譜與典型波形沖擊響應(yīng)譜比較.可以看出經(jīng)過平均統(tǒng)計(jì)能量譜反變換的RMS以及SRS基本包絡(luò)直接波形再現(xiàn)典型波形的RMS以及SRS.在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)及頻率點(diǎn)出現(xiàn)的超差是由于ESD譜變換過程中參與譜變換的點(diǎn)數(shù)較多以及平均次數(shù)過多.降低變換點(diǎn)數(shù)以及平均次數(shù)可以減少超差，但增加計(jì)算量.
4結(jié)論
本文介紹了一種基于能量譜密度平均幅值信息與典型外場(chǎng)相位信息經(jīng)傅里葉反變換的時(shí)域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)方法.經(jīng)過與直接時(shí)域波形再現(xiàn)方法的比較發(fā)現(xiàn)反變換的時(shí)域波形保持了外場(chǎng)數(shù)據(jù)最大沖擊響應(yīng)譜值的特性，且時(shí)域波形趨勢(shì)特征與外場(chǎng)數(shù)據(jù)一致.由于其采用統(tǒng)計(jì)平均能量譜對(duì)大量外場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行最大包絡(luò)，其時(shí)域均方根值包絡(luò)覆蓋直接時(shí)域波形再現(xiàn)方法，此方法更具統(tǒng)計(jì)意義，具有工程應(yīng)用價(jià)值.該方法為今后直接使用能量譜控制的瞬態(tài)振動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法及振動(dòng)控制方法提供技術(shù)支撐.
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