ハンマリング試験:インパルスハンマによる加振方法

ここでは、「振動計測(ハンマリング試験)」に必要な基礎的な知識として、

  • インパルスハンマによる加振方法

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。

インパルスハンマによる加振方法

実験モード解析に使う伝達関数(周波数応答関数)を計測するため、インパルスハンマを使った加振試験について説明します。

対象物をインパルスハンマで加振し、その結果生じる振動を加速度センサーで計測します。

インパルスハンマによる計測手順は、加振点移動法と応答点移動法の2つの方法があります。

以下、下図を使って説明します。

加振点移動法と応答点移動法の説明図

加振点移動法と応答点移動法の説明図

図1 加振点移動法と応答点移動法の説明図

加振点移動法

計測点の1箇所にセンサーを固定し、他の計測点を順次加振(ハンマリング)します。

加振点(ハンマリングする計測点)を移動していく方法です。

例えば、図において点①にセンサを取り付け、インパルスハンマで、点①から②、③、・・・、⑨と、順次ハンマリングを行います。

応答点移動法

加振点を計測点の1箇所に固定し、センサーを他の計測点に順次移動させます。

加振点(ハンマリングする計測点)を固定、つまり同じ計測点をハンマリングし、センサを移動させていく方法です。

例えば、図において加振点を点①に定め、センサ設置点を点①から②、③、・・・、⑨と、順次ハンマリングを行います。

インパルスハンマの選定・調整(サイズ、チップ)

インパルスハンマによる衝撃力(加振エネルギー)は、幅広い周波数範囲にわたり、ほぼ一定の力からなるため、その周波数範囲にあるすべての共振を起こすと考えられます。

衝撃力の振幅と周波数範囲(波形)はハンマのサイズ、長さ、材料および衝撃時の速度によって決まります。一般に加振できる周波数範囲は、衝撃キャップ(チップ)の材料によって決まり、加振エネルギーの大きさはハンマの質量と衝撃時(加振時)の速度によって決まります。

実験モード解析における加振力の周波数帯域の調整手順とポイントについて説明します。

  1. ハンマで試験対象を叩き(ハンマリングし)、FFTアナライザで平均化処理を行います。
    • ノイズの影響を減らすため、必ず数回の平均化処理を行います。
  2. 計測結果を見て、以下の項目について確認します。
    • 信号が適切であったか(SN比が十分かどうか)。
    • 飽和現象(FFTの入力オーバーレンジや、ピークが一定時間平らになる)がないか。
    • 計測中に、ときどきチップなどの接続部をチェックします。接続部が緩むと、センサーの信号が不安定になったり、ノイズが増加することがあります。
  3. 加振周波数帯域を確認します。
    • インパルス波形の周波数波形(パワースペクトラム)が、対象物の共振周波数をカバーしているか。
  4. 必要に応じチップを変更します。
    • チップは衝撃力をセンサーに伝えるとともに、センサー面を保護します。
    • 剛性の異なるチップを使用することにより加振力を調整することができます。
      • より高い周波数の応答が必要な場合、より硬いチップを使用します。
      • 低い周波数の応答をより良くするには、より柔らかいチップを使用します。
  5. 必要に応じインパルスハンマのサイズを変更します。
    • ハンマリングによる加振エネルギーを大きくするには、衝撃の速度かハンマの質量を大きくします。

チップによるインパルスハンマの感度調整

インパルスハンマによる加振力の周波数は、ハンマ先端のチップの材質によりおおまかな調整することができます。主なインパルスハンマのチップと特長を列挙します。

  • ハード・チップ(金属製)
    • インパルスの立ち上がり方が急峻で、高い周波数まで加振することができます。
    • ダブルハンマリング(二度叩き)しやすくなり、パワースペクトル密度は小さくなります。
  • ミディアム・チップ(プラスチック製)
    • 金属製チップとビニール製チップの間の特性を持ちます。
  • ソフト・チップ(ビニール製)
    • パワースペクトル密度が大きく、加振エネルギーは低周波数域に集中します。
    • 数Hz以下の加振を行うことは困難です。

インパルスハンマの使い方

ハンマリング試験は、計測実施者がインパルスハンマで対象物を加振します。つまり、加振系に人が含まれているため、加振器を使う場合に比べると人の技量や経験が加振の良否に大きく影響を与えます。

以下にハンマリング時のポイントを列挙します。

はかせ
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ハンマリングのポイントは、実際にやりながらでないと伝わりにくいものです。

加振時

  • ハンマはやわらかく軽く支える(握らない)。
  • 人の力で叩くのではなく、ハンマの質量を利用して加振することが重要です。
  • 叩き方は、できるだけ一様に一定にし、力の調節はハンマ側(大きさ、チップ等)で行います。
  • 手はハンマに初速度を与えるだけとする(手で力を加えると加振が乱れ同じような加振ができません)。

加振点及び方向

  • チップの先端は面積がある(点ではない)ので、チップ中心を加振点に一致させるようにする。
  • 加振点の位置決めを事前にきちんとしておく(加振点のマーキング)。
  • 加振方向は、ハンマの力センサの向きと一致させます。
  • ハンマが、対象物表面の法線方向から10度以上傾かないようにします(計測点に対しハンマを垂直に当てるイメージです)。
  • 手を含めた加振系で回転運動とならないようにします。

加振の瞬間

  • 加振の瞬間、ハンマが浮いた状態にあること。手で拘束しない(握らない)。
  • インパルスハンマが対象物を叩くのと同時にすばやく引くイメージです。
  • 当てるよりも引く方に意識を集中します。

加振エネルギーを叩き方で調整する場合

  • 人が力の大きさを変えると、熟練者でも再現性を保つのが難しいので極力避けます。
  • 単に衝突速度を変えるだけとし、叩く手の力を変えないようにします。

2度叩き(ダブルハンマリング)

2度叩き(ダブルハンマリング)とは、1度目の加振で振動を始めた対象物が、最初の反動で戻ってきたときにハンマと再度衝突してしまう現象のことです。

初心者では2度叩きとなってしまうことがよく見受けられます。これは、ハンマを手で拘束してしまうことに原因があることが多いです。

計測者の練度が十分でない場合には、結局何度叩いても平均化ができない状態になってしまいます。このため、計測の効率を上げるためには、2度叩きをしないハンマリングの技術を習得することが必須となります。

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、インパルスハンマによる加振方法について、以下の内容について説明しました。

  • インパルスハンマによる加振方法
  • インパルスハンマの選定・調整(サイズ、チップ)
  • チップによるインパルスハンマの感度調整
  • インパルスハンマの使い方
  • 2度叩き(ダブルハンマリング)
はかせ

振動制御を学ぶことで実験・計測とCAE、モデリングに制御と幅広く学び、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体験が必要だと考えています。

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