[发明专利]一种用于提高结构模态参数识别精度的方法

说明书

本发明公开了一种用于提高结构模态参数识别精度的方法，涉及一种用于结构模态参数识别的可调幂指窗函数，属于结构损伤识别领域。其特征是，将原始信号加该窗后作傅里叶变换，通过得到的频域响应对结构的模态进行识别。该方法能使频谱图中的峰值位置更加明显，进而提高频率识别和幅值识别的精度。对比加其他窗函数的方法具有操作简单，精度高，可调节性强等优点，因此具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于质量结构监测技术领域，涉及一种用于结构模态参数识别的可调幂指窗函数，具体的说是采用对时域响应加可调幂指窗函数以提高模态频域识别精度的方法。

背景技术

结构健康监测(SHM)是土木工程中的研究热点，损伤识别为结构的监测、预警和安全评定提供可靠的理论依据，是结构健康监测的重要理论基础部分。近些年，基于模态特别是频率信息的频域识别方法被广泛应用于土木结构的损伤识别中。因此，模态识别的精度直接影响着损伤识别的准确性。

在信号处理过程中，由于截断误差的存在使得截取的有限长信号中加入新的频率成分并使谱值大小发生改变，即频率泄漏现象。对时域信号加窗，即乘以异于矩形窗的窗函数，能够抑制频率泄漏，使原始信号频率信息得以有效地保留。然而在实际振动系统中当两阶固有频率比较接近时，对时域响应加现有的窗函数不能有效提高模态识别的精度，因此寻求一种简便有效的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是针对提高模态识别精度这一目的，提供一种新型可调窗函数，能够针对不同的频响函数进行可视化调节，使得对任意时域响应加该窗后都可以有效地提高模态频域识别的精度。

一种提高结构模态参数识别精度的方法，步骤如下：

截取振动系统的时域响应信号后，与可调幂指窗相乘后，进行FFT变换，得到频域响应，找到频谱图峰值位置对应的横坐标，即识别出各阶模态频率；取各峰值位置的小段邻域信号进行奇异值分解，利用各组数据奇异值最大的位置所对应的幅值求出模态振型；在模态识别过程中，若发现频谱图中的相邻峰值临近或峰值不明显的情况，及时适当调节ξ的取值和增大系数a的值来进一步提高识别精度，以得到最优结果；

所述的新型窗是基于傅里叶变换的频域微分特性，构造一种由指数函数和幂函数构成的可调幂指窗，表达式为：

离散化后的表达式为：

式中，a为幂指数，取大于1的值，建议取值2～6；ξ表示衰减指数，取正值，建议取a值的1.5～2.5倍，且不宜大于0.5ξ₀w₀T，其中ξ₀、w₀、T分别为系统的阻尼、固有频率和信号时长；c为归一化系数，满足使得窗函数面积为1，以保证加窗后信号的能量不变。

本发明的有益效果是，将原始信号加可调幂指窗后作傅里叶变换，通过得到的频域响应对结构的模态进行识别。该方法能使频谱图中的峰值位置更加明显，进而提高频率识别和幅值识别的精度。对比加其他窗函数的方法具有操作简单，针对性强，可调节性佳等优点，因此具有良好的应用前景。

附图说明

图1是可调幂指窗函数时域图像。

图2是原始响应的频谱图。

图3(a)是原时域响应。

图3(b)是加可调幂指窗后的响应。

图3(c)是原响应的频谱图。

图3(d)是加可调幂指窗后响应的频谱图。

图4(a)是加可调幂指窗后响应的频谱图。

图4(b)是加汉宁窗后响应的频谱图。