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ISO 5344:2004 動電振動発生システム—性能特性 | ページ 6

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

3 用語と定義

この文書の目的上、ISO 2041, ISO 15261, および以下で与えられる用語と定義が適用されます。

3.1

動電振動発生器

バイブレーター

一定値の磁場と、それに含まれる適切な交流電流によって励起されるワイヤーのコイルとの相互作用から振動力を引き出す振動発生器。

[出典:ISO 2041:1990]

注記 1:振動機械の可動要素、本体およびベースに特に限定されない限り、これには、フレキシブルフィールド、制御および駆動ケーブル、冷却剤ホース、フィールド供給、および冷却、消磁、保護および安全システムが含まれます。

注記 2:この国際規格では、下付き文字「v」は、電気力学的振動発生器の略称であるバイブレーターを示すために使用されます。同じ意味のバイブレーターという言葉も業界でよく使われる用語です。

3.2

パワーアンプ

増幅器

バイブレーターの駆動に使用される電圧と電流を提供できるパワーエレクトロニクス デバイス

注記 1:特に指定のない限り、これには冷却、保護、安全システムが含まれます。

3.3

システム

振動力を提供するパワーアンプと動電振動発生器の組み合わせ

注記 1:以下はこの国際規格から除外されていますが、より包括的な電気力学的振動試験設備システムには含まれています。
  • 入力信号ソースと制御 (通常、制御された正弦波、ランダム、または衝撃シミュレーション信号を提供します)
  • 標本固定具および補助テーブル。
  • 測定機器（加速度計、調整および分析電子機器など）。
  • 主電源ケーブルと冷却ホース、またはパワーアンプ、バイブレータのフィールド電源、およびバイブレータとアンプの冷却電源との間の配管。
  • 冷却システムによって除去されなかった発生熱を除去するための空調。
  • 振動絶縁慣性ブロックが振動子から周囲への振動力の伝達を抑制します。

3.4

機器のソース

ソース

取得される、またはシステムで使用される機器の供給者

注記 1:システムが単一の供給元から購入される場合、その供給元は通常、製造元またはその代理店です。システムのコンポーネントが複数の供給元から購入される場合、その供給元は通常、個々のコンポーネントの製造元またはその代理店です。組織が既存のコンポーネント（組織の試験ラボのバイブレータなど）と組み合わせる新しいコンポーネント（スイッチングアンプなど）を入手したい場合、バイブレータの供給元は振動試験ラボです。

注記 2:振動試験研究所、またはその他の同様の非営利情報源は、結果として得られるシステムが所望のシステム仕様を達成することを保証するために必要なデータを取得することが困難な場合がある。

3.5

ドライブコイル

駆動コイル内の交流と静磁場の間の相互作用によって、駆動コイル電流に比例した振動力を提供するように設計された電気力学的振動発生器のコンポーネント。

注記 1:ほとんどの動電振動発生器では、駆動コイルが可動要素に取り付けられています。トランス結合されたバイブレータの場合、駆動コイルは固定されており、トランスの動作によって可動要素上の短絡されたリングに結合されます。

3.6

リニアパワーアンプ

入力に比例した出力を持つ電力増幅器

注記 1:通常、振動器を駆動するように設計された大型のリニア・パワー・アンプは、新品または適切にメンテナンスされている場合には低歪み (0.1% ～ 0.3%) ですが、内部消費電力が高いため、過剰な熱を処理する方法が必要で、スイッチング・パワー・アンプよりも高価です。

注記 2:小型バイブレータは、リニアオーディオパワーアンプまたはリニアオーディオパワーアンプのアレイによって駆動される場合があります。適度な価格のユニットの歪みは通常 0.1% で、より高性能で価格の高いユニットでは歪みが 0.01% になります。

3.7

スイッチングパワーアンプ

高周波で負の値と正の値の間で交互に切り替わる出力を持つ電力増幅器

注記 1:出力が高周波サイクルの負の部分よりも大きな部分で正の場合、平均出力は正になります。駆動コイルのインダクタンスや移動質量の影響を含むフィルタリングは、駆動コイルを流れる電流を平滑化するのに役立ちます。この技術により、内部消費電力が低くなります。スイッチング パワー アンプは通常、同じ出力能力のリニア パワー アンプよりも小型で安価ですが、歪みが大きくなる場合があります。

注記 2:バイブレータの駆動に使用されていた初期のスイッチング電力増幅器は、スイッチング周波数が約 40 kHz, 歪みが約 5% ～ 15% でした。最新のスイッチング パワー アンプは、スイッチング周波数が約 150 kHz, 歪みが約 1.5% ～ 5% のものが入手可能です。より高速なスイッチング トランジスタが利用可能になると、より高いスイッチング周波数が可能になり、歪みはさらに減少します。スイッチング周波数がメガヘルツ領域に達すると、出力段付近で大きなフィードバックが発生する可能性があり、スイッチング アンプの歪みはリニア パワー アンプの 0.1% ～ 0.3% の範囲に達します。

3.8

力

定常磁場中での電流の変化によって生じる振動力で、可動要素の構造と取り付けられた試験片に加えられます。

注記 1:損失、共振、および移動制限のため、この力のすべてが可動要素および取り付けられた試験片の加速、および/または可動要素のサスペンション スプリングの偏向に利用できるわけではありません。力の大きさは、結果として生じる加速度によって定義されます。

F = ( m e + m t ) a

ここで、 m e とm t それぞれ可動要素と取り付けられた負荷の質量、 a は結果として生じる加速度です。この定義は、 a およびF のサイン関数、ランダム関数、およびインパルス関数に適用されます。

3.9

までの周波数範囲

変数の定格性能を最大限に達成できる周波数範囲

注記 1:ある変数の周波数範囲は別の変数の周波数範囲と異なるため、周波数範囲は変数ごとおよび負荷ごとに個別に指定する必要があります。

注記 2:力発生能力に関して、 f minとf maxの値は、振動子とシステムの質量m t ごとの定格正弦波、ランダム力、およびインパルス力の両方、および増幅器の定格正弦波、ランダム出力、およびインパルス出力に対して個別に指定する必要があります。力発生能力以外の要因によって動作周波数範囲が制限される場合は、それらを指定する必要があります。

例：

  • a)低周波数では、問題を引き起こす可能性のある領域の例は次のとおりです。
    • 体重と移動質量の比、
    • 台座と本体のサスペンションストローク制限、
    • ねじれ、
    • 横方向の動き、
    • 可動要素のストローク制限、
    • 可動要素側の負荷能力、および
    • 可動要素サスペンション加熱。

  • b)高周波では、問題を引き起こす可能性のある領域の例は次のとおりです。

    • 可動要素の機械的共振、
    • 可動要素テーブルの絞り効果（絞り）、
    • ねじれ、
    • 横方向の動きと、
    • 要素を負荷の剛性に合わせて移動します。

3.10

テストマス

m

システムおよび動電振動発生器のテストに使用される機械質量

注記 1:m 0の特殊な場合を除き、下付き文字「t」は、質量の大きさを、その質量で達成可能な正弦加速度の大きさで示します。
mこれはゼロ負荷の特殊なケースでありここで, 移動要素のみが駆動されます。
m10 m/s2 (≈ 1 g n ) が達成可能であることを意味します。
m40 m/s2 (≈ 4 g n ) が達成可能であることを意味します。
m 10100 m/s2 (≈ 10 g n ) が達成可能であることを意味します。
m 20200 m/s2 (≈ 20 g n ) が達成可能であることを意味します。
m 40は、400 m/s2 (≈ 40 g n ) が達成可能であることを意味します。

Φ ( f )=0f < 20 Hzの場合。
20 Hz ≤ f < 100 Hz の場合(10年あたり20dB)
Φ(f )= Φ0100 Hz ≤ f < 2,000 Hz の場合（絶え間ない）
または 10 −4Φ0f ≧2,000Hzの場合(許容されるこぼれ)

注記 1:Φ ( f ) は加速度スペクトル密度関数の大きさであり、Δ f 0 に近づくときの限界として定義されます。ここで, a n 、周波数f を中心とする帯域幅 Δ f の狭帯域ランダム加速度の二乗平均平方根値です。

3.14

衝動

試験片に衝撃励起を与えるために使用される短時間の波形

注記 1:この国際規格のインパルス条項を使用する前に、使用するインパルスの加速時刻歴について合意が必要である。

注記 2:力積は加速度時刻歴によって指定されます。電気力学システムの場合、加速度応答スペクトルの生成に使用される加速度時刻歴またはウェーブレットの周波数成分は、周波数範囲にわたって指定されます。

注記 3:通常、インパルス試験の高周波スピルオーバー問題は、ランダム振動試験よりも深刻です。これは、高いアンプ出力とクリッピングにより、より大きな歪み成分が生成されるためです。

注記 4:トランスドライバコイルを備えたバイブレータは、高加速インパルスに使用されることがあります。通常、このようなバイブレータには、非常に強力な可動要素があるという利点があります。欠点として、小型のバイブレータでは特に深刻な変位制限があります。これらのバイブレータの最も強力なタイプの可動要素の冷却は困難であり、同じバイブレータをインパルス試験だけでなく正弦波およびランダム試験にも使用する場合に問題になる可能性があります。

3.15

こぼれる

指定された周波数範囲よりも高い周波数範囲での不要な振動 (または信号)

例：

2 000 Hz のみに指定された振動試験の場合、スピルオーバーは 2 000 Hz を超える振動励起です。

注記 1:通常、スピルオーバーは、可動要素または試験負荷の緩んだ要素、不適切なフィルタリング、または過剰な電流歪みによって引き起こされます。

3.16

ねじれ

波形の望ましくない変化

[出典:ISO 2041:1990]

注記 1:歪みは、この国際規格では別個に扱われるノイズおよびハムとは区別されます。

注記 2:優れた電気力学的振動生成システムの場合、歪みの存在は、何かが間違っていることを示す非常に敏感な兆候です。過度の歪みは、是正措置を求める信号です。ユーザーは、無効となる環境テストを実行する前に、問題を見つけて修正することをお勧めします。歪みの原因は、試験片をテーブルに取り付けているボルトの緩み、アンプの出力トランジスタの故障、冷却システムの障害物、アンプやバイブレータを限界を超えて駆動しようとする試みなど、どこにでもある可能性があります。

注記 3:適切に保守された電気力学的振動発生システムの場合、歪みの主な原因はパワーアンプの非線形性またはクリッピングです。 50 Hz ～ 100 Hz 未満の低周波歪みの一部は、通常、サスペンションの剛性の非線形性や磁気ギャップ内の磁界の不均一性によって引き起こされます。この周波数範囲では、これらの歪みはパワーアンプの非線形性による歪みを超える可能性があります。

注記 4: 歪み処理により、試料の高周波共鳴を励起する入力信号の高調波が生成されます。通常 20 Hz からf maxまでの動作帯域内の歪み積と、 f maxを超える励起を引き起こす歪み積の両方が問題になります (3.15 を参照)

注記 5:歪みは、システムの任意の変数 (電流、電圧、加速度、速度、変位) に対して指定できます。電流歪みは、振動試験システムの最も有用な歪み測定値です。システムの歪みや波及を予測するために使用されます。

注記 6:加速度歪みの測定値を直接指定したくなりますが、そのような測定値は、測定される特定の可動要素と荷重の組み合わせに固有のものであり、他のテーブル荷重の歪みの予測に役立つデータは提供されません。

3.17

重力による標準加速度

g n

ISO 2041 で衝撃および振動の使用に対して定義されている重力加速度の値

注記 1: ISO 2041 によれば、 g n 9.806 65 m/s 2に等しい。

注記 2:振動試験では、加速度の大きさはg n の倍数で表されることがよくあります。

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041, ISO 15261 and the following apply.

3.1

electrodynamic vibration generator

vibrator

vibration generator which derives its vibratory force from the interaction of a magnetic field of constant value, and a coil of wire contained in it which is excited by a suitable alternating current

[SOURCE:ISO 2041:1990]

Note 1 to entry: Unless specifically restricted to the moving element, body and base of the vibrator machine, this includes the flexible field, control and drive cables, coolant hoses, field supply, and cooling, demagnetizing, protective and safety systems.

Note 2 to entry: In this International Standard, the subscript “v” is used to indicate vibrator, short for electrodynamic vibration generator. The word vibrator, which has the same meaning, is the term commonly used in industry.

3.2

power amplifier

amplifier

power electronic device capable of providing the voltage and current used to drive the vibrator

Note 1 to entry: Unless otherwise specified, this includes the cooling, protective and safety systems.

3.3

system

combination of a power amplifier and an electrodynamic vibration generator to provide vibratory force

Note 1 to entry: The following are excluded from this International Standard, but are included in the more inclusive electrodynamic vibration test facility system:
  • the input signal source and control (typically providing controlled sinusoidal, random or shock simulation signals);
  • specimen mounting fixtures and auxiliary tables;
  • measuring instrumentation (e.g. accelerometers and conditioning and analysis electronics);
  • mains electrical power cables and coolant hoses, or piping to and between the power amplifier, vibrator field supply, and vibrator and amplifier cooling supplies;
  • air conditioning to remove generated heat not removed by the cooling systems;
  • a vibration-isolated inertia block to inhibit the transmission of vibratory forces from the vibrator to the surroundings.

3.4

equipment source

source

supplier of the equipment being acquired or to be used in the system

Note 1 to entry: When a system is purchased from a single source, that source usually is the manufacturer or his agent. When the components of a system are being purchased from more than one source, the sources are usually the manufacturers of the individual components or their agents. When an organization wishes to acquire a new component (e.g. a switching amplifier) to be combined with an existing component (e.g. a vibrator in the test laboratory of the organization), the source of the vibrator is the vibration test laboratory.

Note 2 to entry: The vibration test laboratory, or other similar non-commercial source, may have difficulty acquiring the data needed to assure that the resulting system achieves the desired system specifications.

3.5

drive coil

component of the electrodynamic vibration generator, designed to provide, by means of interaction between the alternative current in the drive coil and the static magnetic field, the vibratory force proportional to the drive coil current

Note 1 to entry: For most electrodynamic vibration generators, the drive coil is attached to the moving element. For transformer coupled vibrators, the drive coil is stationary and is coupled by transformer action to a shorted ring on the moving element.

3.6

linear power amplifier

power amplifier having an output proportional to the input

Note 1 to entry: Typically, the large linear power amplifiers designed to drive vibrators have low distortion (0,1 % to 0,3 %) when they are new or well maintained, but have high internal power dissipation, so necessitate a way of disposing of the excess heat, and are more expensive than switching power amplifiers.

Note 2 to entry: Small vibrators are sometimes driven by linear audio-power amplifiers or arrays of linear audio-power amplifiers. Moderately priced units typically have 0,1 % distortion, and higher performance and price units are available with 0,01 % distortion.

3.7

switching power amplifier

power amplifier having an output that switches alternately between a negative value and a positive value at a high frequency

Note 1 to entry: If the output is positive for a greater fraction of the high frequency cycle than it is negative, the mean output is positive. Filtering, including the effects of the drive coil inductance and the moving mass, serves to smooth the current through the drive coil. The technique results in low internal power dissipation. Switching power amplifiers typically are smaller and less expensive than linear power amplifiers of the same output capability, but may have higher distortion.

Note 2 to entry: The earlier switching power amplifiers used to drive vibrators had switching frequencies around 40 kHz and distortions of about 5 % to 15 %. Modern switching power amplifiers are available with switching frequencies of about 150 kHz and distortion of about 1,5 % to 5 %. As faster switching transistors become available, higher switching frequencies will be possible, and the distortion will be reduced further. When switching frequencies reach the megahertz region, substantial feedback around the output stage is possible, and the switching amplifier distortion will reach the 0,1 % to 0,3 % range of the linear power amplifiers.

3.8

force

vibratory force resulting from a varying current, in a steady magnetic field, which is applied to the structure of the moving element and the attached specimen

Note 1 to entry: Due to losses, resonances and travel limitations, not all of this force is available to accelerate the moving element and attached specimen and/or to deflect the moving element suspension springs. The magnitude of the force is defined by the resulting acceleration:

F = (me + mt) a

where me and mt are the masses of the moving element and attached load, respectively, and a is the resulting acceleration. This definition applies to sine, random and impulse functions of a and F.

3.9

frequency range to

frequency range over which the full rated performance of a variable can be achieved

Note 1 to entry: Since the frequency range for one variable differs from the frequency range of another variable, the frequency range should be separately specified for each variable and for each load.

Note 2 to entry: With regard to the force-generating capability, the values of fmin and fmax should be individually specified for both vibrator and system rated sine, random and impulse forces for each of the masses mt, and for the amplifier rated sine, random, and impulse output. If factors other than the force-generating capability limit the frequency range of operation, they should be specified.

EXAMPLE:

  • a) At low frequencies, examples of areas that may cause problem are
    • ratio of body mass to moving mass,
    • the pedestal-body suspension stroke limitations,
    • distortion,
    • transverse motion,
    • the moving element stroke limitations,
    • moving element side load capability, and
    • moving element suspension heating.

  • b) At high frequencies, examples of areas that may cause problems are

    • moving element mechanical resonance,
    • diaphragmatic effect of the moving element table (diaphragming),
    • distortion,
    • transverse motion, and
    • moving element to load stiffness.

3.10

test mass

mt

mechanical mass used for the testing of systems and electrodynamic vibration generators

Note 1 to entry: Except for the special case of m0, the subscript “t” indicates the magnitude of the mass by the magnitude of the sinusoidal acceleration achievable with the mass:
m0is the special case of zero load ここで, only the moving element is driven;
m1means that 10 m/s2 ( ≈ 1 gn) is achievable;
m4means that 40 m/s2 ( ≈ 4 gn) is achievable;
m10means that 100 m/s2 ( ≈ 10 gn) is achievable;
m20means that 200 m/s2 ( ≈ 20 gn) is achievable;
m40means that 400 m/s2 ( ≈ 40 gn) is achievable.

Φ(f)=0for f < 20 Hz;
for 20 Hz ≤ f < 100 Hz(20 dB per decade)
Φ(f)=Φ0for 100 Hz ≤ f < 2 000 Hz(constant)
or 10−4Φ0for f ≥ 2 000 Hz(allowable spill-over)

Note 1 to entry:Φ(f) is the magnitude of the acceleration spectral density function, defined as the limit as Δf approaches 0 of ここで, an is the root-mean-square value of a narrow-band random acceleration of bandwidth Δf centred about the frequency f.

3.14

impulse

short-duration waveform used to provide a shock excitation to the specimen

Note 1 to entry: There should be agreement on the acceleration time history of the impulse to be used before any of the impulse clauses of this International Standard may be used.

Note 2 to entry: An impulse is specified by an acceleration time history. For electrodynamic systems, the frequency components of the acceleration time history or of the wavelets used to produce an acceleration response spectrum are specified over the frequency range.

Note 3 to entry: Typically, the high frequency spill-over problems of impulse testing are more severe than for random vibration testing because the high amplifier output, and clipping, generate larger distortion components.

Note 4 to entry: Vibrators with transformer driver coils sometimes are used for high acceleration impulses. Typically, such vibrators have the advantage of very strong moving elements. As a disadvantage, they have displacement limits that are particularly serious for the smaller vibrators. Moving element cooling of the strongest types of these vibrators is difficult, which may be a problem if the same vibrator is to be used for sine and random testing as well as for impulse testing.

3.15

spill-over

undesired vibration (or signal) in the frequency range higher than the specified frequency range

EXAMPLE:

For vibration tests specified only to 2 000 Hz, spill-over is vibration excitation above 2 000 Hz.

Note 1 to entry: Typically, spill-over is caused by loose elements of the moving element or test load, inadequate filtering, or by excessive current distortion.

3.16

distortion

undesired change in the waveform

[SOURCE:ISO 2041:1990]

Note 1 to entry: Distortion is distinguished from noise and hum, which are dealt with separately in this International Standard.

Note 2 to entry: For a good electrodynamic vibration generating system, the presence of distortion is a very sensitive indication that something is wrong. Excessive distortion is a signal calling for corrective action. The user is advised to find the problem, and correct it, before running an environmental test that would be invalid. The cause of the distortion may be anywhere, including a loose bolt mounting the specimen to the table, a failed amplifier output transistor, an obstruction in a cooling system, or an attempt to drive the amplifier or vibrator beyond its limits.

Note 3 to entry: For properly maintained electrodynamic vibration generation systems, a major cause of distortion is non-linearity or clipping in the power amplifier. Some of the low frequency distortion, below 50 Hz to 100 Hz, is typically caused by suspension stiffness non-linearity and/or the non-uniformity of the field in the magnetic gap. In this frequency range, these distortions can exceed those due to power amplifier non-linearity.

Note 4 to entry: The distortion process generates harmonics of the input signal which excite higher frequency resonances of the specimen. Both distortion products in the operating band, typically 20 Hz to fmax, and distortion products which cause excitation above fmax are troublesome (see 3.15).

Note 5 to entry: Distortion may be specified for any variable of the system: current, voltage, acceleration, velocity or displacement. Current distortion is the most useful distortion measure for vibration test systems. It is used to predict system distortion and spill-over.

Note 6 to entry: It is tempting to specify the measurement of acceleration distortion directly, but such a measurement is unique to the particular moving element/load combination being measured, and does not provide data that are useful for the prediction of distortion with other table loads.

3.17

standard acceleration due to gravity

gn

value for the acceleration due to gravity as defined for shock and vibration use in ISO 2041

Note 1 to entry: According to ISO 2041, gn equals 9,806 65 m/s2.

Note 2 to entry: In vibration testing, acceleration magnitude is often expressed as a multiple of gn.

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