基于LabVIEW的冲击响应谱分析的实现方法

魏建波，孙志红，贺娜，韩福江

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 前言

冲击是指在短时间内作用装备上的高量级输入力脉冲，在装备上的响应通常以某几种物理量方式呈现出来，冲击参数可以定义为运动（例如位移、速度、加速度）或载荷（例如力、压力、应力或扭矩等），如图1所示，某型号冷发射弹射试验时某部位产生的冲击加速度响应曲线。

图1 某型号冷发射弹射时某部位产生的冲击加速度响应曲线

通常以运动或载荷参数的时间历程表示的冲击测量不能直接用于工程目的，所以需要转化成不同的形式，并且所应用的数据处理方法取决于数据的最终用途，工程中通常采用冲击响应谱处理。冲击响应谱反映了冲击作用于系统的效果，反映了冲击激励对系统的损伤势，可以用作衡量冲击作用效果的尺度。数字冲击响应谱的分析方法有直接积分法、FFT方法、递推法、递推数字滤波法等，比较好的方法有改进的递推数字滤波法和样条函数法，本文选择的方法是改进的递归数字滤波法。

现有的冲击谱处理软件，大都需要手动选取冲击有效持续时间，人机交流较多，操作步骤繁琐，需要数据处理人员具有较丰富的经验，数据处理的效率不高，极大地浪费人力。本文基于LabVIEW环境编写的冲击响应谱分析软件可以实现对采集到的冲击响应时间历程自动提取冲击有效持续时间，并按照冲击有效持续时间截取有效冲击响应时间历程，通过设置分析起始频率、截止频率、阻尼比(ξ)或品质因子（Q）及倍频程数等参数，软件自动计算冲击响应谱并生成数据处理报告，该软件操作极为简单，尤其适用于大批量数据处理。

1 冲击响应谱（SRS）的相关概念

1.1 冲击有效持续时间TE 和Te的概念

根据GJB150.18A-2009《军用装备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验》的规定，冲击的有效冲击持续时间有下列两种定义：

（1）冲击的有效持续时间TE是包含绝对值超过最大峰值Ap的所有时间历程幅值所对应的最小时间长度；

（2）冲击的有效持续时间T（e对处理复杂瞬态数据更合适）是包含至少90%以上的均方根RMS时间历程幅值超过最大均方根幅值10%的时间历程所对应最小时间长度。

在一般情况下，TE和Te相差不大，但对于复杂冲击时间历程，一般情况下Te近似为TE的2.5倍。对于Te的包含至少90%以上的技术要求防止了由于幅值超过10%RMS的噪声尖峰影响所导致的冲击持续时间过长，值得注意的是对RMS滑动平均估计时，平均的长度至少应为Te的 10%，在对任何测量的瞬态时间历程数据进行处理时，保存复杂瞬态过程的固有信息和最大限度地减少仪器噪声信息是非常重要的。本文选择Te作为冲击有效持续时间的概念。

1.2 冲击响应谱（SRS）的概念

根据GJB150.18A-2009《军用装备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验》的规定，在给定分析频率fn上的冲击响应谱值SRS定义为：一个无阻尼振动固有频率为fn的单自由度（SODF）系统上作用一个给定的基础输入时质量的最大响应。基础输入是在一个规定的持续时间内的实测冲击。通俗的讲单自由度系统受到冲击作用时，就会产生响应，并于某一时刻出现一最大响应峰值。如果改变系统的固有频率，其最大响应峰值一般有所变化，把各最大响应峰值与系统响应的固有频率对应关系以图示的形式表示，就是该冲击的冲击响应谱。单自由度系统的阻尼特性用Q（品质因子）表示，

其中ξ为阻尼比，Q为50表示1%的临界阻尼，Q为10表示5%的临界阻尼，通常情况下阻尼比ξ取为0.05，即品质因子Q选取10。

冲击响应谱曲线的横坐标是单自由度系统的固有频率，纵坐标是最大响应物理量（例如位移、速度、加速度/力、压力、应力或扭矩等），本文以加速度冲击响应谱为例。

2 基于LabVIEW的冲击响应谱（SRS）的实现

基于LabVIEW的冲击响应谱实现的总体流程图如图2所示。

图2 程序整体流程图

2.1 读取数据

LabVIEW提供了适用于多种文件类型的数据读写VI，如下图3所示，通常使用LabVIEW提供的读取数据VI读取单个小数据文件时比较轻松，但在读取数百兆的大数据块数据文件时，经常会出现报错甚至死机的问题，如使用“读取电子表格文件”VI读取258MB文本文件时，就会提示图4、图5的错误。

图3 LabVIEW文件I/O

图4 LabVIEW报错界面1

图5 LabVIEW报错界面2

本文采用位置标记的方法将大数据块数据分割成多个小数据块，通过多次读取方法可以解决大数据块数据文件的读取问题。实现大数据文件读取功能的后面板程序框图如图6所示。

图6 大数据文件读取程序框图

2.2 去除趋势项和中心化处理

趋势项是指周期大于采样长度T的频率成分。由于测量或者记录系统的零漂以及其他复杂原因，通常使测量信号中伴有一个缓慢变化的趋势项，它的存在对数据处理结果（尤其是谱的低频部分）有影响。高通滤波器通常不能满意地将趋势项消除，有时还会损伤信号的高频成分，所以需在采样后用数学方法消除，消除趋势项常用的方法包括最小二乘法、小波分析方法、高通滤波和滑动平均等方法。本文采用滑动平均的方法消除趋势项。

对于冲击信号进行处理时，通常假设其均值为零，但是通常所测得信号的均值可能不为零，对于此类信号，在数据处理之前应先将数据做中心化处理，使其均值为零。本文中取冲击信号起始前的背景均值为中心值。

2.3 冲击有效持续时间Te的自动提取

依据1.1中冲击有效持续时间Te的概念，首先我们要对获取的时间历程进行RMS滑动平均估计，RMS滑动平均估计时，平均的长度至少应为Te的 10%，但Te相对于我们来说是未知的，是需要从时间历程中提取的，因此平均长度必须事先估计，通常情况下冲击响应的持续时间不超过1.0s，因此平均长度我们可以估计为采样频率的1/10，RMS滑动平均估计后，我们对超过RMS幅值最大值的10%做统计，然后依次滑动时间窗口，直到找到超过90%的均方根RMS时间历程幅值超过最大均方根幅值10%的时间历程，此时对应的时间既为包含至少90%以上的均方根RMS时间历程幅值超过最大均方根幅值10%的时间历程所对应最小时间长度，也就是冲击有效持续时间Te。实现此功能的LabVIEW后面板部分程序框图见图7。应用冲击有效持续时间Te的自动提取功能对图1时间历程进行冲击有效持续时间Te提取，并依据Te截取了有效冲击持续时间历程曲线见图8所示。

图7 提取冲击有效持续时间Te 程序框图

图8 提取冲击有效持续时间截取后的冲击加速度响应曲线

2.4 倍频程的实现

根据GB/T 321-2005《优先数和优先数系》、GB/T 19763-200《5优先数和优先数系的应用指南》和GB/T 19764-2005《优先数和优先数化整值系列的选用指南》，我们知道倍频程的计算公式为：

式中，f上为倍频程的上限频率，f下为倍频程的下限频率，N为倍频程数。

中心频率为：

对于任意起始频率和截止频率，定义倍频程数（通常为1/6倍频程）后，由式（2）和式（3）可以得到一组计算 SRS的单自由度系统的固有频率fn。

2.5 冲击响应谱（SRS）的计算

本文采用计算冲击响应谱的方法是改进的递归数字滤波法。下述计算公式仅适用于加速度输入与加速度响应。设单自由度系统基础加速度输入U(t)的采样值为：

系统绝对加速度响应为：

对给定的f值，按上述递归公式计算出系统绝对加速度响应的最大值，即为冲击响应谱图上相应于f的冲击谱值。当f按一定频率间隔在整个分析频域改变时，则可获得冲击响应谱。

对于任意获得的一组计算SRS的单自由度系统的固有频率fn，由3.2冲击响应谱SRS的计算公式（4）即可获得基于fn的SRS，实现本功能的LabVIEW后面板部分程序框图见图9，应用计算SRS功能对图3的冲击响应有效时间历程进行冲击SRS计算，计算后的SRS曲线见图10所示。

图9 计算SRS程序框图

图10 冲击响应谱（SRS）曲线

2.6 生成数据处理报告

LabVIEW提供了用于生成Microsoft Office格 式 的 报告生成套件LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office。生成Word报告的程序框图如图11所示。该部分程序首先将导入的文件路径拆分并提取文件名称，自动获取数据处理时间，并将文件名称及时间打印到Word 中，视需要可以添加数据处理人员等信息，然后依次将各通道冲击时间历程曲线、冲击有效持续时间时间历程曲线和冲击响应谱SRS曲线打印到Word报告中，然后将各通道冲击有效持续时间、冲击时间历程幅值极值、SRS极值及其对应频率等特征值表格打印到Word中，最后将生成的报告以导入文件的文件名添加“冲击响应谱结果”为名自动保存到指定的文件夹中。

图11 生成报告程序框图

2.7 批处理功能

通过文件对话框和for循环可以很方便地实现大批量数据的自动处理，如图12所示，将文件对话框的“仅限于单向选择”取消选择，在运行软件时就可以使用Shift键和鼠标选择多个文件进行处理。在完成分析起始频率、截止频率、阻尼比(ξ)或品质因子（Q）及倍频程数等参数的设置后，该软件可以无人值守自动完成事先指定的试验数据冲击响应谱的计算并自动保存处理结果，大大降低了试验数据处理人员的工作强度。

图12 冲击响应谱处理程序后面板

3 冲击响应谱处理结果验证

根据中国运载火箭技术研究院院标准Q/Y196-2007《动力学数据处理准则》附录B冲击响应谱的验证方法，通过对输入峰值为1V，持续时间为T的半正玄脉冲输入数据进行冲击响应谱处理，其冲击响应谱图在频率为0.85/T（Hz）处的峰值为1.65V，计算中取ξ为0.05，如图13所示，可以验证该程序处理结果准确无误。

图13 冲击响应谱的验证

4 结论

本文提出了一种基于LabVIEW的冲击响应谱分析的实现方法，并依据此方法开发了基于LabVIEW的冲击响应谱处理程序，该软件操作简单，实现了自动提取冲击有效持续时间并截取有效数据的功能，实现了无人值守自动处理、保存结果的功能，尤其适用于大批量冲击响应数据的处理，在处理某型号20个状态数百次多通道冲击试验数据时，数据处理时间节省了90%，大大提高了试验数据处理的工作效率，大大降低了试验数据处理人员的工作强度，取得了良好的效果。