振動計測・解析:ハンマリング試験の基礎知識

ここでは、振動計測・解析の1つ「ハンマリング試験」に必要な基礎的な知識として、ハンマリングの利点・欠点や注意点などハンマリング試験について説明します。


はかせ
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ハンマリング試験について計測から簡易的な振動モード形の作成までを以下のページにまとめました。(2019.6.24)

バットのハンマリング試験で始めるモード解析入門(体験実習ガイド)
実験の経験が少ない新入社員などへの体験学習を想定し、金属バットを対象に振動の計測と可視化を体験して学ぶ内容をまとめています。ハンマリング試験によりバットの周波数応答をFFTアナライザで計測し、実験データから振動モード形を作成し考察します。

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ハンマリング試験とは

ハンマリング試験とは、打撃試験とも呼ばれ、

  • 対象物をインパルスハンマで加振する。
  • 加振の結果生じる振動を加速度センサーで検出する。
  • FFTアナライザで計測する。

試験方法です。

対象物の振動的な特性を調べたり、実験モード解析に使う伝達関数(周波数応答関数)の計測を行う場合に、広く使われている試験方法の1つです。

インパルスハンマによるハンマリング試験は、準備が簡単で手軽に行えるため、簡単そうに思われがちですが、実際には意外に奥の深い試験方法でもあります。簡単な方法であるがゆえに、計測者の技術・経験やデータ処理が計測データに大きな影響を及ぼすからです。

実験モード解析は、共振周波数(固有振動数)と振動モード形状(固有モード形状)を伝達関数(周波数応答関数)から求めます。したがって、計測する伝達関数の精度は、振動モードの形状に大きな影響を与えます。

プレテストやプレ解析のように、おおよその振動モード形状を把握するだけならまだしも、CAEと組み合わせて設計にも反映したいとなりますと、精度のよい計測データや実験解析データを得ることが必須となってきます。

次項から、ハンマリング試験や実験モード解析を始める前に必要な基本的な知識について説明します。

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ハンマリング試験の利点・欠点

ハンマリング試験の利点・欠点をまとめると次のようになります。

利点

  • 装置が簡単
    • インパルスハンマ、センサ(加速度センサー)、FFTアナライザがあればよい。
  • 方法が簡単
    • 加振器では必須となる加振点の固定が不要。
  • 応用範囲が広い
    • 基本的にインパルスハンマで加振できるものなら計測できます。
    • インパルスハンマは、大小様々なものが市販されています。

欠点

  • ガタや粘性などの非線形性を持つものには、基本的に適しません。
  • 計測データの精度が、実験者の技術に大きく影響を受けます。
    • 加振力の大きさ、周波数範囲などの調整がやりにくい(人に依存します)。
    • 計測者が加振の調整をするには熟練の技術が必要ですし、人が調整する(加減する)と加振の再現性(繰り返し精度よく加振できるか)が問題となります。
  • ハンマリングにより対象物に損傷を与える可能性があります。

実際にハンマリングする際のポイント、コツについては、以下の記事をご参照ください。

ハンマリングのコツについて振り返る。練習あるのみ?
ハンマリングはインパルスハンマ、センサ、FFTがあればできますが、やってみると奥が深く、ハンマリングのコツについて聞かれることも多いです。結局は量が質に転化するまで練習と経験なのでしょうが、ハンマリングのコツについて振り返りまとめました。
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インパルスハンマについて

一般的なインパルスハンマは、片手で軽くインパルス加振できる大きさですが、小型の対象物に対しては、全長10cm程度の小型のものから、大型機械や構造物などを加振できる大型のものまで様々な種類の製品が市販されています。

計測対象に当たる部分に使うインパクトチップは、対象物に合わせて各種材質のチップを使い分けます。

以下に、一般的なインパルスハンマのリンク先を紹介します。

リンク先は、表示されるまで時間がかかります。

インパクトハンマー PCB Piezotronics, Inc.

(当ブログでは、インパルスハンマと呼んでいます)

窓関数(ウィンドウ)

ハンマリング試験(伝達関数の計測で使う)代表的な窓関数を下表に示します。

種類周波数分解能用途
レクタンギュラインパルス波形などの過渡信号
ハニング普通一般的な連続信号
フォースインパルス波形などの過渡信号
指数減衰信号

表 代表的な窓関数

  • レクタンギュラウィンドウは、方形窓または矩形窓とも呼ばれます。
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ハンマリング試験の注意点(対象物の特性による影響)

対象物の非線形性

ハンマリング試験は、ガタなどの非線形を含む対象物には適しません。

ガタなどの非線形性を含む対象物を加振した場合、均一な加振や再現性のある計測が困難なためです。

対象物の減衰

対象物の減衰が大きい場合、応答がすぐに消えてしまい周波数分解能が低下してしまいます。

また、加振エネルギーが加振点周辺で吸収され、対象物全体を加振するのが難しくなります。

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計測データの確認方法(よい計測データがとれたかどうかの確認)

ハンマリング試験は簡単に行えるので、良い計測結果も簡単に得られるように思われがちです。しかし、加振系に人が加わり実験者の技術の影響を受けてしまうため、良い結果を得ることは意外に難しいものです。

結果の有効性や計測精度を検証するための指標を以下に列挙します。

コヒーレンス関数(関連度関数)

コヒーレンス関数は、系の入力と出力の因果関係の度合を示すもので、0から1の間の値をとります。

  • 1の場合は、その周波数における系の出力がすべて計測入力に起因していることを示しています。
  • 0の場合、その周波数における系の出力は、計測入力にまったく関係ないということになります。
  • 0~1の場合は、計測とは無関係な信号、系内部で発生しているノイズ、系の非直線性または系の時間遅延などがあると考えられます。

コヒーレンス関数が低下する原因には、以下のようなものがあります。

  • 加振信号の中に検出できないノイズの混入
  • 応答信号の中にノイズの混入(加振の再現性を向上させる)
  • ハンマリングを平均化のために繰り返す中で、加振位置や方向がばらつくこと
  • がたなどの非線形性の存在

応答信号のノイズ対策には、打撃の再現性を向上させて、平均化回数を増やすことで対応します。

加振信号のノイズは、同じ加振をしていないことになり、正しい平均化にならないため、フォースウィンドウを使用します。

反共振点近傍ではコヒーレンス関数が低下しますが、これは単に応答が小さく信号が誤差に埋もれているためなので、あまり気にする必要はありません。ただし、このような場合の反共振点近傍のデータは、モード特性を求めるためには使用しないほうが良いと考えています。

再現性(ハンマリング試験で同じように加振できたか?)

ハンマリング試験終了後、少なくとも1点は、試験時と同じ加振を繰り返し、結果を比較して再現性を確認します。

例えば、計測点が1~100点まである場合、計測点1から順に加振していき、計測点100まで計測が終わった後、もう1度計測点1で計測し最初の計測点1のデータと比較します。

比較した結果、加振中に対象物の構造などが変化していないか、一様に加振できたかどうかを判断し、違いが大きいと判断すれば最初からやり直しとなります。

線形性(加振力の振幅依存性)

加振力の大きさ(ハンマリングの強さ)で周波数応答関数が違ってくる場合、加振力の大きさを何通りか変えて周波数応答関数(伝達関数)を計測します。

周波数応答関数が異なる場合、対象物には振幅に依存する性質があると考えられます。(振幅依存性と呼ばれています。)

他の方法との比較

「結果がおかしい」、「何かおかしい」と経験的に感じる場合には、加振器を使うなど、他の方法と比較してみます。

大変抽象的ですが、直感が正しいことも実際には結構ありました。

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はかせ

何かおかしいと感じるのは実験でも、シミュレーションでも経験を重ねることで磨かれる感覚なのではないかと考えています。

まとめ

ここでは、ハンマリング試験に必要な基礎的な知識として、ハンマリング試験について、以下の内容について説明しました。

  • ハンマリング試験とは
  • ハンマリング試験の利点・欠点
  • インパルスハンマについて
  • 窓関数
  • ハンマリング試験の注意点(対象物の特性による影響)
  • 計測データの確認方法(よい計測データがとれたかどうかの確認)
はかせ

振動制御を学んだおかげで、モデリングと制御系設計、実験・計測、CAEと幅広く学び、出会いとチャンスにも恵まれ工学博士になりました。
CAEが珍しくない今だからこそ、実験やリアルなモノづくりの体験がより重要になっていると考えています。

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