مطالعه رفتار لرزه‌ای سازه‌های ژئوتکنیکی با استفاده از روش پردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس
محمد داودی
چکیده
براساس تحقیقات صورت گرفته در پژوهشگاه در زمینه ارزیابی مشخصات دینامیکی سدهای خاکی با استفاده از آزمایشهای ارتعاشی درجا، برآورد فرکانس‌ها و اشکال مدی سدهای خاکی با استفاده از روشهای کلاسیک پردازش سیگنال (بویژه در سیگنـال‌های نامانا و یا در شناسـایی مدهای نـزدیک هم) با مشکلاتی همـراه بوده است. در تحقیق حاضـر، استفاده از روشهای پردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس ( (Time Frequency Distribution به عنوان راه‌حل ارائه شده است تا با مقایسه بین نتایج روش پردازش سیگنال در حوزه فرکانس و نتایج روش TFD، ارزیابی نقاط قوت دو روش مذکور در پردازش نگاشتهای نامانا، نرم‌افزار کامپیوتری برآورد اشکال مدی در آزمایشهای درجای سدهای خاکی نیز تهیه شود. در این راستا، با جمع‌آوری مبانیTFD ، انـواع روشهای پردازش سیگنال در حـوزه زمان – فـرکانس و سوابق استفاده از روش TFD در مهندسی زلزله آغاز و آلگوریتم پردازش نگاشتهای ثبت شده در آزمایش ارتعاش سدهای خاکی بر اثر انفجارهای مختلف سایتی پیشنهاد گردید. در ادامه و با معرفی آزمایشهای انفجار صورت گرفته در دو سد خاکی، نگاشتهای ثبت شده در آزمایش بر اساس آلگوریتم پیشنهادی پردازش شد. به منظور افزایش دقت برآورد مشخصات دینامیکی سدهای مورد مطالعه، نرم‌افزار کامپیوتری تحلیل و ترسیم انیمیشن اشکال مدی در فرکانس‌های مورد نظر در حالت پردازش نگاشتهای نامانا در حوزه زمان- فرکانس تهیه شد. همچنین بر اساس آزمایشهای صورت گرفته بر روی پی ماشین‌آلات صنعتی و احـساس نیاز به استفاده از روشهای پـردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس به منظور افزایش دقت و سرعت پردازش، نمونه‌ای از نگاشتهای نامانای ثبت شده بر روی پی ماشین‌آلات صنعتی پردازش شد. با استفاده از روش مذکور، با سرعت و دقت مناسب می‌توان مقدار دامنه ارتعاش در فرکانس مورد نظر در هر لحظه دلخواه را محاسبه و با مقادیر حد مجاز مقایسه کرد. نتایج حاصل از این تحقیق عبارتند از:
- پردازش نگاشتهای نامانای انفجار ثبـت شده در سدهای مورد مـطالعه با روش TFD برای شناسایی مشخصات دینامیکی سدها از دقت بیشتری نسبت به روشهای کلاسیک پردازش سیگنال برخوردار است؛
- قابلیت زیاد روش TFD در استخراج نحوه تغییر دامنه و محتوای فرکانسی نگاشتهای نامانای ثبت شده بر روی پی ماشین‌آلات صنعتی در طول زمان آشکار می‌گردد.
واژه‌های کلیدی
پردازش سیگنال، توزیع زمان- فرکانس، رفتار لرزه‌ای، سد خاکی، پی ماشین‌آلات
Studying the Seismic Behavior of Geotechnical Structures Using Advanced Signal Processing Techniques in Time-Frequency Domain
M. Davoodi
Abstract
Based on previous investigations in IIEES, there were some problems in evaluating dynamic characteristics (including resonant frequencies, mode shapes and modal damping values) of embankment dams. These experiences indicate that the identification of dynamic characteristics becomes difficult and cumbersome not only when non-stationary signals are recorded on dam body but also if PSD functions include closely spaced or overlapped peeks. In-fact, the classical signal processing methods provided reasonable results as long as the amplitude and frequency contents of the recorded signal didn’t vary with time and natural frequencies of the structure were well separated and well defined. To overcome this problem, the main purpose of this experimental research is to introduce the advanced TFD (Time Frequency Distribution) method. In-fact, The TFD method maps a one-dimensional signal into a two-dimensional function of time and frequency and describes how the spectral content of the signal changes with time. The basic concept in this experimental study was to excite the dynamic response of the two highest embankment dams in Iran namely Masjed Soleiman and Marun by detonating explosive charges. The recorded signals were processed by classical 4-spectra and modern TFD methods and the obtained modal frequencies of the dam body were compared. Differences between the two methods were described and the benefits of the modern signal processing method were discussed. Overall results indicated that non-stationary in-situ tests on embankment dams such as explosion tests are an excellent method of exciting the dam-foundation system, and that it is possible to evaluate the dynamic characteristics of this kind of dams more accurately by using modern TFD method. Besides the in situ dynamic tests on embankment dams, the non-stationary recorded signals on the machinery foundations were also analyzed by classical and modern signal processing methods and then compared with permissible vibrations. Totally, the results indicated that it is possible to evaluate the amplitude of the non-stationary vibrations in the interest frequency more rapidly and accurately by using TFD method.
Keywords:
signal processing; Time Frequency Distribution; seismic behavior; embankment dam; machinery foundation
مطالعه رفتار لرزه‌ای سازه‌های ژئوتکنیکی با استفاده از روش پردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس
/در نشریات /توسط adminچکیده
براساس تحقیقات صورت گرفته در پژوهشگاه در زمینه ارزیابی مشخصات دینامیکی سدهای خاکی با استفاده از آزمایشهای ارتعاشی درجا، برآورد فرکانس‌ها و اشکال مدی سدهای خاکی با استفاده از روشهای کلاسیک پردازش سیگنال (بویژه در سیگنـال‌های نامانا و یا در شناسـایی مدهای نـزدیک هم) با مشکلاتی همـراه بوده است. در تحقیق حاضـر، استفاده از روشهای پردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس ( (Time Frequency Distribution به عنوان راه‌حل ارائه شده است تا با مقایسه بین نتایج روش پردازش سیگنال در حوزه فرکانس و نتایج روش TFD، ارزیابی نقاط قوت دو روش مذکور در پردازش نگاشتهای نامانا، نرم‌افزار کامپیوتری برآورد اشکال مدی در آزمایشهای درجای سدهای خاکی نیز تهیه شود. در این راستا، با جمع‌آوری مبانیTFD ، انـواع روشهای پردازش سیگنال در حـوزه زمان – فـرکانس و سوابق استفاده از روش TFD در مهندسی زلزله آغاز و آلگوریتم پردازش نگاشتهای ثبت شده در آزمایش ارتعاش سدهای خاکی بر اثر انفجارهای مختلف سایتی پیشنهاد گردید. در ادامه و با معرفی آزمایشهای انفجار صورت گرفته در دو سد خاکی، نگاشتهای ثبت شده در آزمایش بر اساس آلگوریتم پیشنهادی پردازش شد. به منظور افزایش دقت برآورد مشخصات دینامیکی سدهای مورد مطالعه، نرم‌افزار کامپیوتری تحلیل و ترسیم انیمیشن اشکال مدی در فرکانس‌های مورد نظر در حالت پردازش نگاشتهای نامانا در حوزه زمان- فرکانس تهیه شد. همچنین بر اساس آزمایشهای صورت گرفته بر روی پی ماشین‌آلات صنعتی و احـساس نیاز به استفاده از روشهای پـردازش سیگنال در حوزه زمان – فرکانس به منظور افزایش دقت و سرعت پردازش، نمونه‌ای از نگاشتهای نامانای ثبت شده بر روی پی ماشین‌آلات صنعتی پردازش شد. با استفاده از روش مذکور، با سرعت و دقت مناسب می‌توان مقدار دامنه ارتعاش در فرکانس مورد نظر در هر لحظه دلخواه را محاسبه و با مقادیر حد مجاز مقایسه کرد. نتایج حاصل از این تحقیق عبارتند از:
واژه‌های کلیدی
پردازش سیگنال، توزیع زمان- فرکانس، رفتار لرزه‌ای، سد خاکی، پی ماشین‌آلات
M. Davoodi
Abstract
Based on previous investigations in IIEES, there were some problems in evaluating dynamic characteristics (including resonant frequencies, mode shapes and modal damping values) of embankment dams. These experiences indicate that the identification of dynamic characteristics becomes difficult and cumbersome not only when non-stationary signals are recorded on dam body but also if PSD functions include closely spaced or overlapped peeks. In-fact, the classical signal processing methods provided reasonable results as long as the amplitude and frequency contents of the recorded signal didn’t vary with time and natural frequencies of the structure were well separated and well defined. To overcome this problem, the main purpose of this experimental research is to introduce the advanced TFD (Time Frequency Distribution) method. In-fact, The TFD method maps a one-dimensional signal into a two-dimensional function of time and frequency and describes how the spectral content of the signal changes with time. The basic concept in this experimental study was to excite the dynamic response of the two highest embankment dams in Iran namely Masjed Soleiman and Marun by detonating explosive charges. The recorded signals were processed by classical 4-spectra and modern TFD methods and the obtained modal frequencies of the dam body were compared. Differences between the two methods were described and the benefits of the modern signal processing method were discussed. Overall results indicated that non-stationary in-situ tests on embankment dams such as explosion tests are an excellent method of exciting the dam-foundation system, and that it is possible to evaluate the dynamic characteristics of this kind of dams more accurately by using modern TFD method. Besides the in situ dynamic tests on embankment dams, the non-stationary recorded signals on the machinery foundations were also analyzed by classical and modern signal processing methods and then compared with permissible vibrations. Totally, the results indicated that it is possible to evaluate the amplitude of the non-stationary vibrations in the interest frequency more rapidly and accurately by using TFD method.
Keywords:
signal processing; Time Frequency Distribution; seismic behavior; embankment dam; machinery foundation