一种基于频响函数的施工质量问题检测方法

技术领域

本发明涉及机械振动技术领域，具体是涉及一种基于频响函数的施工质量问题检测方法。

背景技术

在船舶的建造施工过程中，需要对船舶结构自身及表面的某些施工质量问题(如焊接缺陷检查、复合材料粘贴质量检查以及结构连接强度检查等)进行检测与识别。目前针对施工质量问题的检测多依赖耳听、目视等方法，或者借助仪器设备进行振动噪声检测。采用振动噪声检测方法时，首先在存在施工质量问题的位置获取外界激励的频响函数(Frequency Response Function，FRF)曲线，但随后进行数据分析时，通常直接根据频响函数曲线的频带均方根(Root Mean Square，RMS)值或者典型频率的幅值进行对比。在上述常规的振动噪声检测方法中，不但测试结果受到不同的操作人员施加激励所带来的人为因素影响，而且数据处理方法过分依赖数据分析人员的工程经验。因此，一般认为常规的测试及数据分析方法的误差在1dB左右，部分情况下可达2dB，导致常规的振动噪声检测方法仅可识别较大的施工质量问题，而对于细微的施工质量问题则不够敏感，难以评判是测量及分析误差还是施工质量问题，使得分析结果的一致性差，对施工质量问题的评价结论不统一，工程应用价值较低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于频响函数的施工质量问题检测方法，能够有效地降低由不同操作人员施加激励以及进行数据分析所带来的人为因素影响，使得分析结果具有较高的重复性和一致性。

本发明提供一种基于频响函数的施工质量问题检测方法，包括以下步骤：

确定待评价对象上可能存在施工质量问题的待检测区域；

对待评价对象和合格施工对象分别施加相同的激励以使其振动，分别获取原点和至少一个跨点的振动频响函数，并计算获得原点与每个跨点的振动频响函数比值的频带均方根，其中，每个跨点均通过待检测区域与激励作用的原点相连；

当待评价对象和合格施工对象的所述频带均方根的差值大于设定的阈值时，判定待评价对象存在施工质量问题。

在上述技术方案的基础上，施加激励的方法为锤击法或者激振器法。

在上述技术方案的基础上，所述振动频响函数为位移频响函数、速度频响函数或者加速度频响函数。

在上述技术方案的基础上，在原点采集激励方向上的振动信号以获取振动频响函数；

在每个跨点均布置多轴振动传感器，采集每个轴线方向的振动信号，根据响应最大的一个轴线方向的振动信号获取振动频响函数。

在上述技术方案的基础上，每个多轴振动传感器均具有三个互相垂直的轴线方向，其中一个轴线方向与激励方向相同，或者三个轴线方向均不同于激励方向。

在上述技术方案的基础上，原点与每个跨点的振动频响函数比值的频带均方根L_d-RMS的计算公式为：

其中，n是跨点和原点的振动频响函数的频带内选取的频点数目，每个频点代表一个频率数值，h_jk为第j个跨点的振动频响函数曲线中第k个频点的频响函数值，h_ik为原点的振动频响函数曲线中第k个频点的频响函数值，1≤k≤n。

在上述技术方案的基础上，所述频带根据待评价对象的动态特性确定。

在上述技术方案的基础上，所述频带为50Hz～1000Hz。

在上述技术方案的基础上，所述设定的阈值为1dB。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)根据原点与跨点的振动频响函数比值的频带均方根来判断待评价对象是否存在施工质量问题，能够有效地降低由不同操作人员施加激励以及进行数据分析所带来的人为因素影响，使得分析结果具有较高的重复性和一致性，满足实际工程需求。

(2)仅需要跨点和原点两个测点即可完成检测工作，测试数据量小，数据分析方法简单，而且直接对比合格施工对象进行评判，不过分依赖数据分析人员的工程经验，进一步提高分析结果的可靠性。

(3)针对结构焊接质量、结构的复合材料敷设、结构的连接质量等施工质量问题敏感度大，其分析结果的差异大于传统的测试误差范围，明确判定较小的施工质量问题。

附图说明

图1是本发明实施例基于频响函数的施工质量问题检测方法流程图；

图2是一个典型金属结构6的结构示意图，以及该金属结构6上原点、跨点1和跨点2的位置；

图3是原点和跨点1的振动加速度频响函数比值频谱图；

图4是图3的局部放大图(750Hz～800Hz)；

图5是原点和跨点2的振动加速度频响函数比值频谱图；

图6是图5的局部放大图(750Hz～800Hz)。

图中：

1-原点，2-跨点1，3-跨点2，4-第一待检测区域，5-第二待检测区域，6-金属结构。

具体实施方式

本方法的基本原理为：基于振动测试技术中的频响函数曲线，构建跨点频响函数比值及其频带均方根，依据上述理论，对于特定的结构对象，通过针对标准工艺及检测流程验收合格的产品同时进行激励所在的原点的频响函数测试以及待检测区域另一端的跨点的频响函数测试，计算得到标准施工状态下的频响函数比值及频带均方根值，以此作为该结构对象的标准样本。针对该结构对象的其它批次产品，在相同位置处布置测点，采用相同的激励测试及数据处理方法，通过对比频响函数比值及频带均方根值，判断是否存在施工质量问题。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于频响函数的施工质量问题检测方法，包括以下步骤：

S1.确定待评价对象上可能存在施工质量问题的待检测区域。

S2.对待评价对象和合格施工对象分别施加相同的激励以使其振动，获取原点和至少一个跨点的振动频响函数，并计算获得原点与每个跨点的振动频响函数比值的频带均方根，其中，每个跨点均通过待检测区域与激励作用的原点相连。即原点为激励点或者邻近激励点，跨点为响应点。

施加激励的方法为锤击法或者激振器法。振动频响函数为位移频响函数、速度频响函数或者加速度频响函数。

船舶等大型结构的待检测区域会有多个，而且可能互不相连，因此，针对不同的待检测区域的原点也可以不同。

获取原点和至少一个跨点的振动频响函数的方法为：在原点采集激励方向上的振动信号以获取振动频响函数，其中，当施加激励的方法为锤击法时，在邻近锤击点的位置布置振动传感器，采集激励方向上的振动信号以获取振动频响函数；当施加激励的方法为激振器法时，利用激振器采集激励方向上的振动信号以获取振动频响函数。在每个跨点均布置多轴振动传感器，采集每个轴线方向的振动信号，根据响应最大的一个轴线方向的振动信号获取振动频响函数。具体的，每个多轴振动传感器均具有三个互相垂直的轴线方向，其中一个轴线方向与激励方向相同，或者三个轴线方向均不同于激励方向。

对于单点激励的系统，某一测点处的响应可有下式计算得到：

F·H＝A，(1)

其中，F为频点矩阵，H为频响函数值矩阵，A为振动响应矩阵，当振动响应矩阵A分别为振动位移、速度或者加速度时，振动频响函数相应地分别为位移频响函数、速度频响函数或者加速度频响函数。其矩阵形式为：

n是振动频响函数的频带内选取的频点数目，每个频点代表一个频率数值，h_k为该振动频响函数曲线中第k个频点的频响函数值，a₁,...,a_n分别为该振动频响函数曲线中第1,...,n个频点的运动响应数值，1≤k≤n，因此，该系统在某一频点(频率数值为f)，第i个测点和第j个测点之间的振动频响函数比值l_d可表示为：

其中，第i个测点为原点，原点为激励点或者邻近激励点，第j个测点为激励的响应点，即跨点，在频率数值为f时，h_i为第i个测点的振动频响函数值，h_j为激励点至第j个测点的振动频响函数值，a_i为第i个测点的振动响应数值，a_j为第j个测点的振动响应数值。

根据上述分析可知，原点与每个跨点的振动频响函数比值的频带均方根L_d-RMS的计算公式为：

其中，n是跨点和原点的振动频响函数的频带内选取的频点数目，每个频点代表一个频率数值，h_jk为第j个跨点的振动频响函数曲线中第k个频点的频响函数值，h_ik为原点的振动频响函数曲线中第k个频点的频响函数值，1≤k≤n。频带根据待评价对象的动态特性确定，针对不同的施工对象，频带可能不同，通常情况下，频带可以为50Hz～1000Hz，但是，对于小型、刚度较大的结构，频带的上限频率可达到2000Hz或者以上，对于某些特殊结构，其频带的下限频率可能为5Hz。

S3.当待评价对象和合格施工对象的振动频响函数比值的频带均方根的差值大于设定的阈值时，判定待评价对象存在施工质量问题。设定的阈值为1dB。

根据原点与跨点的振动频响函数比值的频带均方根来判断待评价对象是否存在施工质量问题，能够有效地降低由不同操作人员施加激励以及进行数据分析所带来的人为因素影响，使得分析结果具有较高的重复性和一致性，满足实际工程需求。

仅需要跨点和原点两个测点即可完成检测工作，测试数据量小，数据分析方法简单，而且直接对比合格施工对象进行评判，不过分依赖数据分析人员的工程经验，进一步提高分析结果的可靠性。

针对结构焊接质量、结构的复合材料敷设、结构的连接质量等施工质量问题敏感度大，其分析结果的差异大于传统的测试误差范围，明确判定较小的施工质量问题。

以下通过金属结构6对上述方法具体说明：

参见图2所示，该金属结构6的上表面和垂直表面均为施工面，施工表面采用胶黏剂粘贴橡胶材料在金属本体上进行敷设。

具体操作步骤如下：

1)以该金属结构6作为评价对象，明确可能存在施工质量问题的待检测区域：上表面作为第一待检测区域4，垂直表面作为第二待检测区域5，因此，选择上表面的两端以及垂直面的下端作为测点位置，其中，原点1和跨点2位于上表面的两端，此时，跨点2与原点1都位于第一待检测区域4内，跨点3位于第二待检测区域5内。

2)依据《GB/T 11349.3-2006振动与冲击机械导纳的试验确定第3部分：冲击激励法》完成原点1、跨点2和跨点3的振动加速度频响函数测试，其中，在原点1进行锤击激励，激励方向垂直于上表面并向下，同时采集并得到原点1、跨点2和跨点3的振动加速度频响函数。

在原点1布置加速度传感器，采集激励方向的加速度信号以获取振动加速度频响函数，在跨点2和跨点3均布置多轴振动传感器，采集每个轴线方向的振动信号，根据响应最大的一个轴线方向的振动信号获取振动频响函数。具体的，每个多轴振动传感器均具有三个互相垂直的轴线方向，由于原点1和跨点2位于上表面的两端，跨点3位于垂直表面，因此，跨点2和跨点3的多轴振动传感器的三个轴线方向可以与激励方向相同。通常情况下，在跨点2和跨点3所采集的三个加速度信号中，与激励方向相同的轴线方向的加速度信号最大，在图2中，该轴线方向垂直向下。

当跨点的特殊位置特殊时，例如原点和跨点通过不规则的曲面相连时，跨点的多轴振动传感器的三个轴线方向可能不同于激励方向。

共进行三次锤击测试，其中两次测试为橡胶材料完全粘合状态下，即合格的施工对象，由两个不同的试验人员在原点1进行锤击测试，其测试结果记为标1和标2，第三次锤击测试时，分别对第一待检测区域4和第二待检测区域5的部分橡胶材料进行脱胶处理(即上表面和垂直表面各脱胶半块)，其测试结果记为改1。因此，标1和标2的测试结果都是基于合格的施工对象，改1的测试结果基于待评价对象。

3)根据每次测试所获取的振动加速度频响函数，依据公式(3)计算频带内原点1与跨点2的振动加速度频响函数比值，以及原点1与跨点3的振动加速度频响函数比值，其频谱图分别如图3到图6所示。

4)依据公式(4)计算每次测试的振动加速度频响函数比值的频带均方根。

5)对比3次测试所得到的振动加速度频响函数比值及其频带均方根，评判该金属结构6的施工质量是否存在问题。

具体的，下列表1为3次测试所得到的原点1与跨点2的振动加速度频响函数比值的均方根的对比结果，表2为3次测试所得到的原点1与跨点3的振动加速度频响函数比值的均方根的对比结果。

表1

表2

从表1、表2以及图3和图5的结果可知：对比标1和标2的测试结果，其振动加速度频响函数比值的频带均方根的差值均小于1dB，即由两个不同的试验人员分别在合格的施工对象的原点1进行锤击测试，两次测试结果非常接近，说明本方法有效地降低了由不同操作人员施加激励所带来的人为因素影响。

本方法所需数据可以通过锤击法或者激振器法激励获得，仅需依据国标标准操作即可，不因测试人员差异性导致的输入源特性改变而产生分析结果差异。数据后处理人员仅需依据公式(3)和(4)进行数据处理及分析，降低人为干预程度，分析结果可信度高，处理方法简单，不受数据测试及后处理人员的差异而产生结论差异。因此，该方法具有较高的重复性和分析结果的一致性，可满足工程使用。

对比标1和标2的测试结果与改1的测试结果，标1与改1以及标2与改1的振动加速度频响函数比值的频带均方根的差值均达到3～4dB。一般认为常规测试及数据分析方法的误差在1dB左右，部分可达2dB。因此，针对同一施工质量问题，本方法的误差识别可以达到1dB，即可识别出的测试结果差值为1dB，常规测试及数据分析方法受人为因素影响，其可出的测试结果差值显著高于1dB，当测试结果差值为1dB时，其数据评价意义已丧失。因此，本方法的分析结果差异明显，对施工质量问题的评价可信度高。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。