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JP3335765B2 - Vibration characteristic analyzer - Google Patents
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JP3335765B2 - Vibration characteristic analyzer - Google Patents

Vibration characteristic analyzer

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JP3335765B2
JP3335765B2 JP14008194A JP14008194A JP3335765B2 JP 3335765 B2 JP3335765 B2 JP 3335765B2 JP 14008194 A JP14008194 A JP 14008194A JP 14008194 A JP14008194 A JP 14008194A JP 3335765 B2 JP3335765 B2 JP 3335765B2
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は振動特性解析装置に関
し、特にエンジンブロック等の被試験物を加振すること
により応答を得てその応答関数から被試験物のモード特
性を同定する振動特性解析装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration characteristic analyzing apparatus, and more particularly to a vibration characteristic analysis for obtaining a response by exciting a test object such as an engine block and identifying a modal characteristic of the test object from its response function. It concerns the device.

【0002】実際の機械構造物の動特性を解析するため
には、該構造物を加振試験することにより得られた振動
応答特性から該構造物の動特性を同定する必要がある
が、この場合、振動現象を直接表現するパラメータであ
り、現象を直接理解し易く、収束性が良好なモード特性
(固有振動数、モード減衰比、固有モード形状などのモ
ーダルパラメータ)を同定する手法が現在では主流とな
っている。
In order to analyze the dynamic characteristics of an actual mechanical structure, it is necessary to identify the dynamic characteristics of the structure from the vibration response characteristics obtained by performing a vibration test on the structure. In this case, it is a parameter that directly expresses the vibration phenomenon, and it is easy to understand the phenomenon directly, and the method of identifying modal parameters (modal parameters such as natural frequency, mode damping ratio, and natural mode shape) with good convergence is currently used. It has become mainstream.

【0003】[0003]

【従来の技術】図1は従来より知られている振動特性解
析装置の構成を概略的に示したもので、まず被試験物1
とこの被試験物1を加振するためのインパルスハンマー
2とを用意する。
2. Description of the Related Art FIG. 1 schematically shows the structure of a conventionally known vibration characteristic analyzing apparatus.
And an impulse hammer 2 for exciting the DUT 1 are prepared.

【0004】そして、ハンマー2には力検出用ロードセ
ル3を取り付け、また該被試験物1の任意の場所に該ハ
ンマー2による加振力の3次元(x,y,z)方向加速
度を検出するためのピックアップ4を取り付ける。
[0004] A load cell 3 for force detection is attached to the hammer 2, and a three-dimensional (x, y, z) acceleration of a vibrating force by the hammer 2 is detected at an arbitrary position on the DUT 1. Pickup 4 is installed.

【0005】そして、ピックアップ4の出力信号とロー
ドセル3の出力信号とを演算装置5に与えてFFT処理
を行い周波数応答関数(伝達関数:コンプライアンス)
を求めモード特性を計算して出力する構成を有してい
る。
[0005] The output signal of the pickup 4 and the output signal of the load cell 3 are supplied to an arithmetic unit 5 and subjected to FFT processing to perform a frequency response function (transfer function: compliance).
And calculates and outputs the mode characteristics.

【0006】この場合、加振実験は通常、ハンマー2に
よる被試験物1の加振場所を固定して行い、ピックアッ
プ4は逐次移動させて複数の応答関数を演算装置5に与
えるようにする。なお、被試験物1は柔らかいバネ(図
示せず)等により固定されている。
In this case, the vibration experiment is usually performed with the vibration place of the DUT 1 fixed by the hammer 2, and the pickup 4 is sequentially moved to give a plurality of response functions to the arithmetic unit 5. The DUT 1 is fixed by a soft spring (not shown) or the like.

【0007】このような振動特性解析装置の演算装置
(実験モード解析装置)5のアルゴリズムとしては今ま
で多くの手法が提案されているが、この中で周波数領域
における『偏分反復法』は精度の良さで現在最も広く使
用されている。
[0007] Many algorithms have been proposed as algorithms for the arithmetic unit (experimental mode analyzer) 5 of such a vibration characteristic analyzer. Among them, the "variation iterative method" in the frequency domain has a high accuracy. Currently the most widely used for its goodness.

【0008】この偏分反復法は簡単に言えば、実験デー
タと理論値の誤差を検定しながら反復計算を行い、最小
二乗法により最も確からしいモード特性を同定するもの
である。更に周波数領域で自由に重み付けすることがで
き、注目するモード特性以外のモード特性の影響を考慮
することができる。
[0008] In brief, this partial deviation iterative method is to perform an iterative calculation while testing an error between experimental data and a theoretical value, and identify a most probable mode characteristic by a least squares method. Furthermore, weighting can be freely performed in the frequency domain, and the influence of mode characteristics other than the mode characteristics of interest can be considered.

【0009】<偏分反復法>以下にこの偏分反復法につ
いて説明すると、まず、ハンマー2で被試験物1を加振
したときのピックアップ4から演算装置5へ与えられる
モード特性の応答関数(理論値)は振幅と位相を持つの
で、次式のように実部GR(ω)と虚部GI(ω)とから
成る複素数で表されることがよく知られている。
[0009] To explain <deviance iteration method> below the deviance iterative method, first, the response function of the modal properties imparted from the pickup 4 when the cuff DUT 1 by a hammer 2 to the calculating unit 5 ( Since the theoretical value has an amplitude and a phase, it is well known that it is represented by a complex number including a real part G R (ω) and an imaginary part G I (ω) as in the following equation.

【0010】[0010]

【数1】 (Equation 1)

【0011】この場合、角振動数をωで表し、注目する
角振動数範囲内の固有モ−ド数(自由度)をn(後述す
る図7の共振点を示す山の数に相当する)としている。
なお、Ur,Vrは、測定点に対するr番目の留数の実部
及び虚部を示している。
In this case, the angular frequency is represented by ω, and the number of eigenmodes (degrees of freedom) within the angular frequency range of interest is n (corresponding to the number of peaks indicating resonance points in FIG. 7 described later). And
Note that U r and V r indicate the real part and the imaginary part of the r-th residue with respect to the measurement point.

【0012】そして、この複素数とピックアップ4から
得られる実験データ(FFT演算処理した後の周波数を
横軸とし応答関数(コンプライアンス=変位/力)を縦
軸としたデータ)との誤差の二乗和(残差二乗和)が最
小になるように式(1) 中のパラメータ(定数)を決定
し、そのパラメータからモード特性を決定する。
The sum of squares of the error between the complex number and the experimental data obtained from the pickup 4 (data with the frequency after the FFT calculation processing as the horizontal axis and the response function (compliance = displacement / force) as the vertical axis) ( The parameters (constants) in equation (1) are determined so that the residual sum of squares is minimized, and the mode characteristics are determined from the parameters.

【0013】即ち、式(1) に対応する実験デ−タから最
も確からしいパラメータ{γ}T={‥,σrdr,Ur,
r,‥,C,D,E,F,‥}({‥}はベクトルを表示す
る)を求めるには、理論値に対する実験デ−タの誤差が
正規分布するとして残差二乗和Sが最小となるようにパ
ラメータ{γ}を初期値(これは図7の実験データEの
共振点の周波数を読み取った値)から順次修正して行け
ば、図7に示すように実験データE(実線)の周波数応
答特性に最も近い(確からしい)理論値T(一点鎖線)
が得られることとなる。この残差二乗和Sは次式で表さ
れる。
That is, from the experimental data corresponding to the equation (1), the most likely parameters {γ} T = {‥, σ r , ω dr , U r ,
To determine V r , ‥, C, D, E, F, ‥} ({‥} represents a vector), the residual square sum S is calculated assuming that the error of the experimental data with respect to the theoretical value is normally distributed. If the parameter {γ} is sequentially corrected from the initial value (this is a value obtained by reading the frequency of the resonance point of the experimental data E in FIG. 7) so as to be minimum, the experimental data E (solid line) as shown in FIG. ) Theoretical value T (likelihood) closest to (likelihood) frequency response characteristic
Is obtained. This residual sum of squares S is expressed by the following equation.

【0014】[0014]

【数2】 (Equation 2)

【0015】なお、複数の応答関数を同時に処理する場
合にはそれらの実部、虚部を各々直列に並べて考えれば
よく、応答関数の数(測定点の数)をm,1つの応答関
数(1回の加振)中のデータ数をNとするとp=m・N
となる。また、Wi は重みであり各々の実測データの分
散の逆数に比例する。
When a plurality of response functions are processed simultaneously, their real and imaginary parts may be arranged in series, and the number of response functions (the number of measurement points) is m and one response function ( Assuming that the number of data during one excitation) is N, p = mN
Becomes Wi is a weight and is proportional to the reciprocal of the variance of each measured data.

【0016】残差二乗和Sが最小となるパラメータ
{γ}を求めるには、パラメータ{γ}の中に式(2) に
おける応答関数(理論式)fの分母にσrdrなどの非
線形項を含むので、線形近似による簡略化された改良反
復法(ガウス−ニュートン法)を次式のとおり適用する
ことによりパラメータ{γ}を修正するための修正ベク
トル{△γ}を求めて残差二乗和Sが最小値に収束する
まで反復して計算を行えばよい。
In order to obtain the parameter {γ} that minimizes the residual sum of squares S, the denominator of the response function (theoretical expression) f in the equation (2) in the parameter {γ} includes σ r and ω dr . Since a nonlinear term is included, a modified vector {γ} for correcting the parameter {γ} is obtained by applying a simplified improved iterative method (Gauss-Newton method) based on linear approximation as follows: The calculation may be repeatedly performed until the sum of squared differences S converges to the minimum value.

【0017】[0017]

【数3】 {△γ}=([A]T[W][A])-1・[A]T[W]{yi−fi} ・・・式(3) ただし、Aij =∂fi /∂γj であり、これは理論式
(1) 中のγの一つを変化させたときに該理論式(1) がど
れだけ変化したかを示しているが、これにより非線形項
を含む分母を強制的に分子に変換する「線形近似」を実
現している。また、[W]はWiを対角成分とする対角行
列を示している。
{△ γ} = ([A] T [W] [A]) −1 · [A] T [W] {y i −f i・ ・ ・ (3) where A ij = ∂f i / ∂γ j , which is the theoretical formula
(1) shows how much the theoretical equation (1) changes when one of γ in (1) is changed, which forcibly converts the denominator including the nonlinear term into the numerator. "Approximation". Also it shows the [W] is a diagonal matrix with diagonal elements of W i.

【0018】[0018]

【発明が解決しょうとする課題】しかし、上記の偏分反
復法には次の2つの欠点がある。 特に応答関数が複数の場合、求めるパラメータ{γ}
も応答関数の増加に応じて増加するため、式(3) の逆行
列の計算時間が急増してしまう(図3の特性A参照)。 変数が増加するため反復計算が収束し難く発散し易く
なり、途中で計算不能になることがある(図8参照)。
However, the above-described partial deviation iteration method has the following two disadvantages. Especially when there are a plurality of response functions, the parameter {γ}
Also increases as the response function increases, so that the calculation time of the inverse matrix of equation (3) rapidly increases (see characteristic A in FIG. 3). Since the number of variables increases, iterative calculation is difficult to converge and diverges easily, and the calculation may not be possible on the way (see FIG. 8).

【0019】従って本発明は、被試験物を加振するため
のインパルスハンマーに取り付けられた力検出用ロード
セルと、該被試験物の任意の場所に取り付けられて該加
振力の3次元方向加速度を検出するためのピックアップ
と、該ピックアップの出力信号と該ロードセルの出力信
号とを受けて周波数応答関数を求めモード特性パラメー
タを計算することにより該被試験物のモード特性を同定
する演算装置とを備えた振動特性解析装置において、こ
の発散し易く計算時間がかかるというアルゴリズムの本
質に係わる改良を実現することを目的とする。
Accordingly, the present invention provides a load cell for force detection attached to an impulse hammer for exciting a test object, and a three-dimensional acceleration of the exciting force attached to an arbitrary position of the test object. And an arithmetic unit that receives the output signal of the pickup and the output signal of the load cell, obtains a frequency response function, calculates a mode characteristic parameter, and identifies a mode characteristic of the device under test. It is an object of the present invention to provide an improved vibration characteristic analyzing apparatus provided with the essential nature of an algorithm that is easy to diverge and takes a long time to calculate.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る振動特性解析装置は、演算装置が、実
測データとモード特性パラメータによる理論値との残差
が最小になるまで該パラメータを繰り返し変えて行く偏
分反復法を線形項と非線形項とに分けて計算すると共に
該線形項及び非線形項が変化しても該残差が発散しない
条件を設けることにより該モード特性を同定することを
特徴としたものである。
In order to achieve the above object, a vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention is arranged such that an arithmetic unit operates until the residual between the measured data and the theoretical value based on the mode characteristic parameter is minimized. The mode characteristic is identified by calculating the deviation iterative method in which parameters are repeatedly changed by dividing into a linear term and a non-linear term, and providing a condition that the residual does not diverge even when the linear term and the non-linear term change. It is characterized by doing.

【0021】また上記の演算装置は、該発散しない条件
が該残差に対する該線形項及び非線形項による偏微分が
ゼロとなることであり、このときの2次偏微分項を省略
することができる。
In the arithmetic unit, the condition that the divergence does not occur is that the partial derivative of the residual by the linear term and the nonlinear term becomes zero, and the second-order partial differential term at this time can be omitted. .

【0022】更に上記の演算装置は、上記の発散しない
条件として該偏分反復法を実行するときの該非線形項の
修正ベクトルに対して閾値以内の縮小条件を付加するこ
とが好ましい。
Further, it is preferable that the arithmetic unit adds a reduction condition within a threshold value to a correction vector of the nonlinear term when the deviation iterative method is executed, as the condition under which the divergence does not occur.

【0023】[0023]

【作用】本発明に係る振動特性解析装置においては、モ
ード特性パラメータ線形項と非線形項とに分割する。
In the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention, a mode characteristic parameter is divided into a linear term and a non-linear term.

【0024】即ち、非線形項パラメータの数が、応答関
数の数が増加しても図7に示す山の位置(周波数)が変
わらないため不変であり、応答関数の数の影響を受けな
いことが特徴であり、この非線形項が求まれば線形項を
容易に求めることができるからである。
That is, the number of nonlinear term parameters is invariant even if the number of response functions increases, because the position (frequency) of the peak shown in FIG. 7 does not change, and is not affected by the number of response functions. This is a feature, and if this nonlinear term is found, a linear term can be easily found.

【0025】そこで非線形項だけを先ず非線形パラメー
タの初期値(暫定値)を設定し、この初期値により線形
項パラメータを計算で求める。
Therefore, only for the nonlinear term, first, an initial value (temporary value) of the nonlinear parameter is set, and the linear term parameter is calculated by this initial value.

【0026】このようにして求めた線形項と初期値の非
線形項とを用いて式(1) により応答関数GR 及びGI
計算する。
The response functions G R and G I are calculated by the equation (1) using the linear term thus obtained and the nonlinear term of the initial value.

【0027】このようにして計算した応答関数GR ,G
I と実験値との残差二乗和Sを式(2) に従って計算し、
この残差二乗和Sが最小値(極小値)であると判ったと
きには、上記のようにして求めた線形項と非線形項を同
定したいモード特性の最終値であるとする。
The response functions G R , G thus calculated
The residual sum of squares S of I and the experimental value is calculated according to equation (2),
When the residual sum of squares S is found to be the minimum value (minimum value), it is determined that the linear term and the nonlinear term obtained as described above are the final values of the mode characteristics to be identified.

【0028】残差二乗和Sが最小値ではないと判ったと
きには残差二乗和Sは、この残差二乗和Sを最小値にす
るために新しい非線形項を求める。
When it is determined that the residual sum of squares S is not the minimum value, the residual sum of squares S finds a new nonlinear term in order to minimize the residual sum of squares S.

【0029】この非線形項だけを求めるには修正ベクト
ル{△β}を上記の式(3) と同様にして求め、収束する
まで反復計算を行うが、線形項のことを考慮するため
に、残差二乗和Sの極小点近傍において発散防止を図る
ための制約条件を設け、この制約条件により非線形項の
修正ベクトル{△β}が求められる。
In order to obtain only the nonlinear term, a correction vector {β} is obtained in the same manner as in the above equation (3), and iterative calculation is performed until convergence. A constraint condition for preventing divergence is provided near the minimum point of the sum of squared differences S, and the correction vector {β} of the nonlinear term is obtained by the constraint condition.

【0030】但し、修正ベクトル{△β}は求まるが、
このまま使用すると発散する場合もあるので更に側面制
約を設定する。
Note that the correction vector {β} is obtained,
If used as it is, divergence may occur, so a side constraint is further set.

【0031】このようにして求められた修正ベクトル
{△β}と前回の非線形項パラメータ{β}(最初は初
期値)とを加算して今回の新しい非線形項パラメーを計
算し、この新しい非線形項パラメータを用いて繰り返し
実行することにより、最適なモード特性を示す{α}と
{β}を決定することができる。
The correction vector {β} thus obtained and the previous nonlinear term parameter {β} (initial value are initially added) are added to calculate the new nonlinear term parameter, and this new nonlinear term By repeatedly executing using the parameters, it is possible to determine {α} and {β} showing the optimal mode characteristics.

【0032】[0032]

【実施例】本発明に係る振動特性解析装置の構成は上述
した図1に示した従来例と同様のものを用いることがで
きるが、従来例との差異は演算装置5における演算処理
である。以下にこの演算処理について図2に示したフロ
ーチャートに沿って説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention can be the same as that of the conventional example shown in FIG. 1 described above, but the difference from the conventional example is the arithmetic processing in the arithmetic unit 5. Hereinafter, this calculation process will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

【0033】(1) パラメータの分割:複数の応答関数を
同時に考慮する時、その応答関数の数をm,同定する固
有モ−ドの数を上記と同様にnとするとパラメータ
{γ}の数は2n+(2n+4)mである。そのパラメータ{γ}
のうち式(1) において分母中にある非線形項は2n、分
子中にある線形項は(2n+4)m である。このパラメータ
{γ}を次式のように線形項{α}と非線形項{β}と
に分割する。
(1) Parameter division: When considering a plurality of response functions simultaneously, if the number of the response functions is m and the number of eigenmodes to be identified is n as above, the number of parameters {γ} Is 2n + (2n + 4) m. The parameter {γ}
In Equation (1), the nonlinear term in the denominator is 2n, and the linear term in the numerator is (2n + 4) m. This parameter {γ} is divided into a linear term {α} and a nonlinear term {β} as in the following equation.

【0034】[0034]

【数4】 {γ}T={{α}T,{β}T} {α}T={‥,Ur,Vr,‥,C,D,E,F,‥} {β}T={‥,σrdr,‥} ・・・式(4) 4γ} T = {{α} T , {β} T } {α} T = {‥, U r , V r , ‥, C, D, E, F, ‥} {β} T = {‥, σ r , ω dr , ‥} ・ ・ ・ Equation (4)

【0035】ここで、非線形項{β}中のσr は各ピー
ク(n個存在し得る図7に示す山々)、つまり各モード
特性における減衰率を示し、ωdrは各ピーク、つまり各
モード特性における減衰固有角振動数を示す。この減衰
率と固有振動数は応答点(ピックアップ4の取付位置)
が変わっても変化しない。つまり非線形項のパラメータ
{β}の数2nは応答関数の数mが増加しても図7に示
す山の位置(周波数)が変わらないため不変であること
が特徴となっており、これにより応答関数の数の影響を
受けないことが分かる。そして、非線形項が求まれば線
形項だけは容易に求めることができる。
Here, σ r in the nonlinear term {β} represents each peak (n possible peaks shown in FIG. 7), that is, the attenuation rate in each mode characteristic, and ω dr is each peak, that is, each mode. The damped natural angular frequency in the characteristic is shown. This damping rate and natural frequency are the response points (the mounting position of the pickup 4).
Does not change even if changes. That is, the number 2n of the parameter {β} of the non-linear term is characterized in that the position (frequency) of the peak shown in FIG. It turns out that it is not affected by the number of functions. Then, if the nonlinear term is obtained, only the linear term can be easily obtained.

【0036】そこで非線形項だけを先ず求めることを工
夫する。このため、まず非線形パラメータ{β}の初期
値を設定する(図2のステップS1)。これは、図7に
示すような周波数応答のピークの周波数を読んでその値
をωdrとし、σrは適当な値を設定することにより行わ
れる。
Therefore, it is devised to obtain only the nonlinear term first. For this reason, first, an initial value of the nonlinear parameter {β} is set (step S1 in FIG. 2). This is performed by reading the peak frequency of the frequency response as shown in FIG. 7 and setting the value to ω dr, and setting σ r to an appropriate value.

【0037】非線形項パラメータ{β}が初期設定され
れば、次式により線形項パラメータ{α}を1回の計算
で求めることができる(ステップS2)。
When the nonlinear term parameter {β} is initialized, the linear term parameter {α} can be obtained by one calculation using the following equation (step S2).

【0038】[0038]

【数5】 {α}=([D]T[W][D])-1[D]T[W]{yi} ・・・式(5) ただし、Dij=∂fi/∂αj (i=1〜2p,j=1〜(2
n+4)m)
{Α} = ([D] T [W] [D]) −1 [D] T [W] {y i式 (5) where D ij = ∂f i / ∂ α j (i = 1 to 2p, j = 1 to (2
n + 4) m)

【0039】ここで、式(4) に示したように、{α}T
={‥,Ur,Vr,‥,C,D,E,F,‥}であるので、Dij
は次のようになる。
Here, as shown in equation (4), {α} T
= {‥, U r , V r , ‥, C, D, E, F, ‥}, so that D ij
Is as follows.

【0040】まず、i=1〜pのときは、fi=G
Ri) であるので、Dij=∂GRi)/∂αj とな
り、各線形項について次式が得られる。
First, when i = 1 to p, f i = G
It is the R (ω i), D ij = ∂G R (ω i) / ∂α j , and the following equation is obtained for each linear terms.

【0041】[0041]

【数6】 (Equation 6)

【0042】また、上記式(6) におけるar,r も式
(1) で示した通り非線形項σr,ωdrで表すことができ、
非線形項σr,ωdrが上記のとおり初期設定されているの
で、それらの初期値を入れ且つωi を入れることにより
ijが計算できる。
Further, a r and b r in the above equation (6) are also expressed by the following equations.
As shown in (1), it can be expressed by nonlinear terms σ r, ω dr ,
Since the nonlinear terms σ r and ω dr are initialized as described above, D ij can be calculated by inserting their initial values and ω i .

【0043】同様に、i=p+1〜2pのときは、f
i=GIi) であるので、Dij=∂GIi)/∂αj
なり、各線形項について次式が得られる。
Similarly, when i = p + 1 to 2p, f
Since i = G Ii ), D ij = ∂G Ii ) / ∂α j , and the following equation is obtained for each linear term.

【0044】[0044]

【数7】 (Equation 7)

【0045】この式においても、非線形項の初期値を入
れ且つωi を入れることによりDijが計算できる。
Also in this equation, D ij can be calculated by inserting the initial value of the nonlinear term and ω i .

【0046】このようにして求めた線形項{α}と非線
形項{β}とを用いて式(1) により応答関数GR 及びG
I を計算する(ステップS3)。
Using the linear term {α} and the nonlinear term {β} obtained in this manner, the response functions G R and G
I is calculated (step S3).

【0047】このようにして計算した応答関数GR ,G
I と実験値との残差二乗和Sを式(2) に従って計算する
(ステップS4)。
The response functions G R , G thus calculated
The residual sum of squares S of I and the experimental value is calculated according to equation (2) (step S4).

【0048】そして、この残差二乗和Sが前回求めた値
より小さくなっているか否かを判定する(ステップS
5)。なお、この場合の最初の残差二乗和Sは適当な値
を設定しておけばよい。
Then, it is determined whether or not the residual sum of squares S is smaller than the value obtained last time (step S).
5). In this case, the initial residual sum of squares S may be set to an appropriate value.

【0049】この結果、残差二乗和Sが前回の値より小
さくなっていないときには残差二乗和Sが最小値に達し
たことになるので、上記のようにして求めた線形項
{α}と非線形項{β}を同定したいモード特性の最終
値であるとして出力し(ステップS6)、このルーチン
を終了する。
As a result, when the residual sum of squares S is not smaller than the previous value, it means that the residual sum of squares S has reached the minimum value. The nonlinear term {β} is output as the final value of the mode characteristic to be identified (step S6), and this routine ends.

【0050】残差二乗和Sが前回の値より小さくなって
いるときには残差二乗和Sはまだ最小値に達していない
ことになるので、この残差二乗和Sを最小値にするため
の次の非線形項パラメータ{β}を以下のとおり求め
る。
When the residual sum of squares S is smaller than the previous value, it means that the residual sum of squares S has not yet reached the minimum value. Is obtained as follows.

【0051】即ち、非線形項だけを求めるには次式によ
り修正ベクトル{△β}を上記の式(3) における{γ}
と同様にして求め、収束するまで反復計算を行う。
That is, in order to obtain only the nonlinear term, the correction vector {β} is calculated by the following equation using {γ} in the above equation (3).
And iterative calculation is performed until convergence.

【0052】[0052]

【数8】 {△β}=([C]T[W][C])-1[C]T[W]・{yi−fi} ・・・式(8) ただし、Cij=∂fi/∂βj (i=1〜2p,j=1〜2
n)
{△ β} = ([C] T [W] [C]) −1 [C] T [W] · {y i −f i } (8) where C ij = ∂f i / ∂β j (i = 1 to 2p, j = 1 to 2
n)

【0053】しかしながら、このままでは線形項{α}
のことを考慮していないので、線形項{α}を考慮する
ために次のように工夫する。
However, as it is, the linear term {α}
Since this is not taken into account, the following is devised in order to consider the linear term {α}.

【0054】残差二乗和Sの極小点において次式が成立
する。
The following equation is satisfied at the minimum point of the residual sum of squares S.

【0055】[0055]

【数9】 ∂S/∂αj=0 (j=1〜(2n+4)m ) ・・・式(9) 9S / ∂α j = 0 (j = 1 to (2n + 4) m) Expression (9)

【0056】この近傍において次式が成立すれば発散防
止を図ることができる。
If the following equation is satisfied in this vicinity, divergence can be prevented.

【0057】[0057]

【数10】 ∂2S/∂αj∂βk=0 (j=1〜(2n+4)m,k=1〜2n) ・・・式(10)10 2 S / ∂α j ∂β k = 0 (j = 1 to (2n + 4) m, k = 1 to 2n) Expression (10)

【0058】即ち、この式(10)の意味は、∂S/∂αj
が線形項を変えると残差二乗和Sがどれだけ変わるかを
示し、これを更に∂βkで偏微分することにより非線形
項を変えても∂S/∂αjが変化しないということを示
し(右辺が0のため)、以て線形項{α}を考慮した発
散防止を図るための制約条件となっている。
That is, the meaning of the equation (10) is expressed as ∂S / ∂α j
Shows how much the residual square sum S changes when the linear term is changed, and shows that ∂S / ∂α j does not change even if the nonlinear term is changed by partially differentiating this with ∂β k. (Because the right side is 0), this is a constraint for preventing divergence in consideration of the linear term {α}.

【0059】上記の式(10)の数は、2n×(2n+4)m であり
線形項{α}を消去するには多過ぎるが、ここでは式(1
0)を全て成立させるのではなく変数を縮小するのが狙い
であるので、式(10)の下での応答関数fのβk による微
分係数をHk とすると、この微分係数Hk は次式のよう
に表される計算される(ステップS7)。
The number in the above equation (10) is 2n × (2n + 4) m, which is too large to eliminate the linear term {α}.
Since the objective is to reduce the variables rather than satisfying all the conditions of (0), if the derivative of the response function f by β k under the equation (10) is denoted by H k , the derivative H k becomes A calculation represented by an equation is performed (step S7).

【0060】[0060]

【数11】 [Equation 11]

【0061】この微分係数Hk を求めるためには、∂α
j/∂βk(j=1〜(2n+4)m,k=1〜2n)を計算する必要
がある。
[0061] In order to determine the differential coefficient H k is, ∂α
It is necessary to calculate j / ∂β k (j = 1 to (2n + 4) m, k = 1 to 2n).

【0062】このため、まず式(10)に式(2) の残差二乗
和Sを代入すると、次式のようになる。
Therefore, the following equation is obtained by substituting the residual sum of squares S of equation (2) into equation (10).

【0063】[0063]

【数12】 (Equation 12)

【0064】この式(12)の左辺第1項の∂fi/∂βk
代わりに式(11)のHk を代入し、更に整理して行列表示
すると次式のようになる。
Substituting H k of equation (11) for ∂f i / ∂β k in the first term on the left side of equation (12), and further rearranging and displaying the matrix, the following equation is obtained.

【0065】[0065]

【数13】 (Equation 13)

【0066】従って、式(13)を変形して、{a}=
{b}[B]-1とすることにより、∂αj/∂βkを求める
ことができる。
Therefore, by transforming equation (13), {a} =
By setting {b} [B] −1 , ∂α j / ∂β k can be obtained.

【0067】また、[B]は(2n+4)m ×(2n+4)m の正方
行列であるが、Bstにおいて、s,tが異なる応答関数
に属する時には[B]は次式に示すようにBst=0とな
るので(2n+4)×(2n+4)の行列m個に分割できる。
[B] is a square matrix of (2n + 4) m × (2n + 4) m. When s and t belong to different response functions in Bst , [B] becomes As shown, since B st = 0, it can be divided into m (2n + 4) × (2n + 4) matrices.

【0068】[0068]

【数14】 [Equation 14]

【0069】従って、{a}を求めるための上記の逆行
列[B]-1の大きさは応答関数の数mに無関係となる。
Therefore, the magnitude of the inverse matrix [B] -1 for obtaining {a} is independent of the number m of the response functions.

【0070】そして、式(11)の微分係数Hk が求まれば
式(3) と同様に次式から非線形項の修正ベクトル{△
β}が求められる(ステップS8)。
Then, if the differential coefficient H k of the equation (11) is obtained, the correction vector 非 線形
β} is obtained (step S8).

【0071】[0071]

【数15】 {△β}=([C]T[W][C])-1[C]T[W]・{yi−fi} ・・・式(15) ただし、Cij=Hj(f=fi) (i=1〜2p,j=1〜2
n)
{△ β} = ([C] T [W] [C]) −1 [C] T [W] · {y i −f i } (15) where C ij = H j (f = f i ) (i = 1 to 2p, j = 1 to 2)
n)

【0072】<側面制約の設定>式(15)により非線形項
の修正ベクトル{△β}が求まるが、上記の式(10)の制
約条件にも関わらずこのまま使用すると発散する場合が
あるので、更に側面制約を設定する。
<Setting of Side Constraint> Although the correction vector {β} of the nonlinear term is obtained by the equation (15), it may diverge if used as it is despite the constraint of the above equation (10). Further, side constraints are set.

【0073】発散防止の側面制約としては修正ベクトル
に縮小因子をかけてその方向は同じで大きさを縮小する
方法があるが、この場合、モ−ドが異なれば非線形項相
互の影響は少なくなるので、非線形項各々に次式の制約
を設定する(ステップS9)。
As a side constraint of the divergence prevention, there is a method of reducing the size by applying a reduction factor to the correction vector and keeping the direction the same, but in this case, if the mode is different, the influence of the non-linear terms is reduced. Therefore, the following constraint is set for each nonlinear term (step S9).

【0074】[0074]

【数16】 |△ωdr/ωdr|≦ K1 |△σr /σr |≦ K2 , σr >0 ・・・ 式(16)| △ ω dr / ω dr | ≦ K 1 | △ σ r / σ r | ≦ K 2 , σ r > 0 Equation (16)

【0075】今回、この係数K1 は0.05、K2 は0.8 を
使用した。K2 <1で且つσr の初期値が正であればσ
r は繰り返し計算後も正となる。
In this case, the coefficient K 1 is 0.05 and the coefficient K 2 is 0.8. If K 2 <1 and the initial value of σ r is positive, σ
r remains positive after repeated calculations.

【0076】このようにして求められた修正ベクトル
{△β}と前回の非線形項パラメータ{β}(最初は初
期値)とを加算して今回の新しい非線形項パラメータ
{β*}を計算する(ステップS10)。
The correction vector {β} thus obtained is added to the previous nonlinear term parameter {β} (the initial value is an initial value) to calculate a new nonlinear term parameter {β * } this time ( Step S10).

【0077】[0077]

【数17】 {β*}={β}+{Δβ} ・・・式(17)17β * } = {β} + {Δβ} (17)

【0078】このようにして求めた新しい非線形項パラ
メータ{β*}を用いて上記のステップS3以降を繰り
返し実行することとなり、最適なモード特性を示す
{α}と{β}を出力する(ステップS6)こととな
る。
Using the new non-linear term parameter {β * } obtained in this way, the above-mentioned step S3 and subsequent steps are repeatedly executed, and {α} and {β} indicating the optimal mode characteristics are output (step S3). S6).

【0079】なお、本発明では、式(12)の第2項目であ
る応答関数fの2階偏微分項を無視して同様に展開する
事もできる。
In the present invention, the second expansion of the response function f, which is the second item of the equation (12), can be similarly ignored and expanded.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る振動
特性解析装置によれば、実測データとモード特性パラメ
ータによる理論値との残差が最小になるまで該パラメー
タを繰り返し変えて行く偏分反復法を線形項と非線形項
とに分けて計算すると共に該線形項及び非線形項が変化
しても該残差が発散しない条件を設けることにより該モ
ード特性を同定するように構成したので、次に示す如
く、従来技術に対する効果が得られる。 (1)計算時間について:計算時間の比較を図3と下記
の表1に示す。同定するモ−ド数nは5で1つのコンプ
ライアンス中のデータ数は573である。単点参照にお
いては従来例によるほうが計算機使用時間が少ないが、
従来例では、周波数応答関数のmが増加すると計算機使
用時間は急増する。これは解くべき逆行列の大きさが
(2n+4)mとなる為である。改良型は逆行列の大き
さは2nで一定であり、これを使用する計算回数が増加
するだけなのでほぼ直線的に増加している。
As described above, according to the vibration characteristic analyzing apparatus of the present invention, the deviation is repeatedly changed until the residual between the measured data and the theoretical value based on the mode characteristic parameter is minimized. The mode characteristic is identified by calculating the iterative method separately for a linear term and a non-linear term and providing a condition that the residual does not diverge even if the linear term and the non-linear term change. As shown in FIG. (1) Calculation time: A comparison of the calculation time is shown in FIG. 3 and Table 1 below. The number n of modes to be identified is 5, and the number of data in one compliance is 573. In single point reference, the computer use time is shorter in the conventional example,
In the conventional example, when m of the frequency response function increases, the computer use time rapidly increases. This is because the size of the inverse matrix to be solved is (2n + 4) m. In the improved type, the size of the inverse matrix is constant at 2n and increases almost linearly because the number of calculations using the inverse matrix only increases.

【0081】[0081]

【表1】 [Table 1]

【0082】(2)収束性について:収束性を比較する
為に計算で作成したコンプライアンスを使用する。モデ
ルは5質点、5バネで1番バネの端を固定している。諸
元と不減衰固有振動数を下記の表2に示す。同定するモ
ード特性数は5で、データは50〜950Hz までの1Hz置き
で 901個である。モード特性減衰比は全モード特性で1
%とした。
(2) Convergence: The compliance created by calculation is used to compare the convergence. In the model, the end of the first spring is fixed with five mass points and five springs. Table 2 shows the specifications and the undamped natural frequency. The number of mode characteristics to be identified is 5, and the data is 901 at every 1 Hz from 50 to 950 Hz. The modal attenuation ratio is 1 for all modal characteristics.
%.

【0083】[0083]

【表2】 [Table 2]

【0084】本発明と従来例における収束性を比較する
為に非線形項パラメータωdrの初期値を変えて繰り返し
計算を行った。モード特性減衰比の初期値は正解値の1
/ 10である0.1 %である。
In order to compare the convergence between the present invention and the conventional example, an iterative calculation was performed by changing the initial value of the nonlinear term parameter ω dr . The initial value of the modal damping ratio is the correct value of 1.
/ 10 is 0.1%.

【0085】これらの結果を結果を図4〜図6に示す。
縦軸は基準化された残差Zであり、次式で表される。
The results are shown in FIGS. 4 to 6.
The vertical axis is the normalized residual Z, which is represented by the following equation.

【0086】[0086]

【数18】 (Equation 18)

【0087】これらの図の内、図4は式(12)の左辺第
2項の2次微分項を省略した場合に対応し、図5はこ
の2次微分項を省略しない場合に対応し、そして、図
6は2次微分項を省略せず且つ式(16)による側面制約を
考慮した場合の特性をそれぞれ示しており、この順に収
束性が改善されて行き、図6の場合が従来例から大幅に
改善されていることが判る。
FIG. 4 corresponds to the case where the second derivative term of the second term on the left side of the equation (12) is omitted, and FIG. 5 corresponds to the case where the second derivative term is not omitted. FIG. 6 shows the characteristics in the case where the second-order differential term is not omitted and the side constraint by the equation (16) is taken into consideration. The convergence is improved in this order, and the case of FIG. It can be seen from FIG.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明及び従来例に共通な振動特性解析装置を
示したブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a vibration characteristic analyzer common to the present invention and a conventional example.

【図2】本発明に係る振動特性解析装置における演算装
置に格納され且つ実行される演算アルゴリズムを示した
フローチャート図である。
FIG. 2 is a flowchart showing a calculation algorithm stored and executed in a calculation device in the vibration characteristic analysis device according to the present invention.

【図3】本発明と従来例の演算時間を比較するためのグ
ラフ図である。
FIG. 3 is a graph for comparing the operation time of the present invention with that of a conventional example.

【図4】本発明に係る振動特性解析装置の収束性(その
1)を示したグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing convergence (1) of the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention.

【図5】本発明に係る振動特性解析装置の収束性(その
2)を示したグラフ図である。
FIG. 5 is a graph showing convergence (No. 2) of the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention.

【図6】本発明に係る振動特性解析装置の収束性(その
3)を示したグラフ図である。
FIG. 6 is a graph showing convergence (3) of the vibration characteristic analyzing apparatus according to the present invention.

【図7】被試験物を加振したときのコンプライアンス
(応答関数)の測定結果と理論値を周波数に対して示し
たグラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing a measurement result and a theoretical value of compliance (response function) when a test object is vibrated with respect to a frequency.

【図8】従来例の収束性を示したグラフ図である。FIG. 8 is a graph showing convergence of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 被試験物 2 インパルスハンマー 3 ロードセル 4 加速度ピックアップ 5 演算装置 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DUT 2 Impulse hammer 3 Load cell 4 Acceleration pickup 5 Arithmetic unit In a figure, the same numerals show the same or corresponding parts.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01H 13/00 G01M 7/08 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01H 13/00 G01M 7/08 JICST file (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被試験物を加振するためのインパルスハ
ンマーに取り付けられた力検出用ロードセルと、該被試
験物の任意の場所に取り付けられて該加振力の3次元方
向加速度を検出するためのピックアップと、該ピックア
ップからの実測データと該ロードセルの出力信号とを受
けて周波数応答関数を求めモード特性パラメータを計算
することにより該被試験物のモード特性を同定する演算
装置と、を備えた振動特性解析装置において、 該演算装置が、該実測データと該パラメータによる理論
値との残差が最小になるまで該パラメータを繰り返し変
えて行く偏分反復法を線形項と非線形項とに分けて計算
すると共に該線形項及び非線形項が変化しても該残差が
発散しない条件を設けることにより該モード特性を同定
することを特徴とした振動特性解析装置。
1. A load cell for force detection attached to an impulse hammer for exciting an object to be tested, and a three-dimensional acceleration of the exciting force to be installed at an arbitrary position on the object to be tested. And a calculation device that receives the measured data from the pickup and the output signal of the load cell, determines a frequency response function, calculates a mode characteristic parameter, and identifies the mode characteristic of the device under test. In the vibration characteristic analyzing apparatus, the arithmetic unit divides a deviation iterative method in which the parameter is repeatedly changed until a residual between the measured data and a theoretical value based on the parameter is minimized into a linear term and a nonlinear term. A vibration characteristic characterized by identifying the mode characteristic by providing a condition in which the residual does not diverge even if the linear and nonlinear terms change. Gender analysis device.
【請求項2】 該演算装置が、該発散しない条件が該残
差に対する該線形項及び非線形項による偏微分がゼロと
なることであり、このときの2次偏微分項を省略したこ
とを特徴とする請求項1に記載の振動特性解析装置。
2. The arithmetic unit according to claim 1, wherein the non-divergence condition is that partial differentiation of the residual by the linear and nonlinear terms becomes zero, and the second-order partial differential term at this time is omitted. The vibration characteristic analysis device according to claim 1.
【請求項3】 該演算装置が、該発散しない条件として
該偏分反復法を実行するときの該非線形項の修正ベクト
ルに対して閾値以内の縮小条件を付加することを特徴と
した請求項1又は2に記載の振動特性解析装置。
3. The method according to claim 1, wherein the arithmetic unit adds a reduction condition within a threshold value to a correction vector of the nonlinear term when executing the partial repetition method as the non-divergence condition. Or the vibration characteristic analyzer according to 2.
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