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Análisis de espectro de multiresolución en pruebas modales

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Múltiples pasadas de FFT dan una resolución mucho más fina en la región de frecuencia más baja.

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Un método eficaz para estudiar la dinámica estructural es la realización de una prueba modal. Para analizar las propiedades mecánicas de una estructura, es importante medir con precisión la frecuencia y el amortiguamiento. Con un algoritmo regular de FFT que se utiliza para transformar las señales del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia, se necesitaría un tamaño de bloque elevado para obtener características modales precisas de la unidad sometida a prueba. Sin embargo, esto aumentaría el tiempo de experimentación y de cálculo

La última versión 8.1 del software EDM Modal del Crystal Instrument presenta una tecnología de espectro de multiresolución implementada en el conjunto de pruebas MIMO FRF. Múltiples pasadas de FFT dan una resolución mucho más fina en la región de frecuencia más baja. Esto proporciona la ventaja de una mejor estimación del factor de calidad (o amortiguamiento) y la amplitud de las funciones de respuesta de frecuencia en las frecuencias resonantes

Para comparar el efecto del espectro de resolución múltiple y el de resolución única, se ejecuta una prueba modal. La estructura que se está probando es una placa de plexiglás que se sostiene mediante cuerdas elásticas para producir una condición de límite libre. Se utilizan dos agitadores modales para proporcionar una excitación de ruido blanco para excitar la placa de plexiglás. La respuesta de la placa se captura con unos pocos acelerómetros uniaxiales.

Los detalles de la configuración de la prueba se describen aquí. Se utiliza una frecuencia de muestreo de 5,1 kHz para el rango de frecuencia de análisis interesado de 2,3 kHz. El tamaño del bloque de 2048 produce 900 líneas espectrales, lo que da una resolución de frecuencia de 2,5 Hz. Una ventana de Hann se utiliza para reducir la fuga de la excitación y la respuesta del ruido blanco. Se utiliza un modo de promedio lineal de 32 para calcular el espectro lineal.

Se obtiene una resolución 8 veces más fina de 0,31 Hz en el rango de baja frecuencia utilizando el espectro de multiresolución. Esto se logra utilizando un gran tamaño de bloque que no es necesario en la región de alta frecuencia debido a la dinámica de la estructura de prueba. Esta aplicación de diferentes resoluciones produce mejores resultados sin que aumente el tiempo del bucle. La frecuencia de corte que divide el rango de frecuencias bajas y altas es de 281,25 Hz. En esta región de baja frecuencia, los resultados de las pruebas de multiresolución son mejores debido a la resolución de frecuencia más fina. Después de esta frecuencia de corte, el espectro de resolución múltiple y el de resolución única darían resultados comparables ya que tienen la misma resolución de frecuencia. Todos los demás ajustes, configuraciones y configuraciones son los mismos tanto para las pruebas de resolución múltiple como para las de resolución única.

Los diagramas de estabilidad anteriores muestran que los polos (frecuencia y amortiguación) reconocidos con el espectro de resolución múltiple son más precisos debido a su resolución de frecuencia más fina.

También se llevó a cabo una prueba modal MIMO FRF similar en una placa de acero de factor de calidad para investigar las ventajas del espectro de multiresolución en el cálculo del factor de calidad y la amplitud máxima de los FRF. Los resultados se muestran a continuación.

Al hacer un zoom en la región de alta resolución del espectro de multi-resolución y compararlo con la resolución simple, se produce el siguiente gráfico del espectro

La imagen muestra que en la región de frecuencia de corte, donde la resolución de la frecuencia es mucho más fina con el espectro de multiresolución (verde), los picos en varias frecuencias de resonancia están muy claramente identificados. Esto se debe al tamaño mucho mayor del bloque, que en última instancia produce líneas espectrales más altas. Por lo tanto, la curva de la Función de Respuesta de Frecuencia es mucho más suave y nítida

Esto también facilita un cálculo más exacto del factor de calidad y la amplitud máxima del FRF como se muestra en la tabla siguiente. La tabla muestra que las cuatro primeras frecuencias de resonancia presentes en la región de corte de baja frecuencia tienen un Q y una amplitud de pico mucho más altos con el espectro de multiresolución implementado. Además, en la región de alta frecuencia, la resolución de frecuencia para los espectros de resolución única y múltiple son las mismas y por lo tanto el Q y la amplitud de pico para estas resonancias también están muy cerca.

Estimación de la amortiguación de la frecuencia de resonancia utilizando la amortiguación de la MR Estimación utilizando la FFT regular Q Estimación utilizando la MR Q Estimación utilizando la FFT regular FRF Estimación de la amplitud utilizando la MR (g/LBF)

960.94 Hz 0,0016074 0,01245702 311,069 40,138 12,269 2,832

1418.75 Hz 0,001596 0,00415103 313,292 120,452 10,687 3,274

1789.06 Hz 0.0051316 0.00955548 97.435 52.326 9.993 5.823

2453.13 Hz 0,0010845 0,0055879 461,059 89,479 60,277 18,42

5350 Hz 0,0039583 0,00396228 126,317 126,19 33,72 34,74

8462.5 Hz 0,002902 0,00269208 172,296 185,73 32,08 31,47

12725 Hz 0,0052911 0,00562019 94,498 88,965 186,23 187,72

La tabla anterior muestra que la amortiguación, la amplitud y la estimación del factor Q utilizando los métodos habituales de FFT están alejados de sus verdaderos valores por un orden de magnitud de decenas o centenas. Si las personas utilizan estos valores erróneos para sacar sus conclusiones sobre la estructura y realizar nuevos análisis, como la modificación y optimización de la estructura, los resultados serían inexactos.

Para saber más sobre el software EDM Modal, visite: www.crystalinstruments.com/edm-modal-testing-and-analysis-software/

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