Comparison of Modal Parameter Estimation Methods and Investigation of Railway Sleepers by Non-Destructive SISO-type Vibroacoustic Modal Analyses

Öz

Recent developments in computer and sensor technologies have enabled vibration and sound data recording with high resolution and sampling rates, even under severe climatic conditions. New methods are constantly being developed to use these critical data in space, aviation, defense, medicine, disaster management and all kinds of engineering branches. One of them is non-destructive modal parameter estimation methods. Today, among these methods, vibration-based experimental modal analysis (EMA) is the most widely used and accepted one globally. However, this method has significant disadvantages. For example, it requires sensor mounting and takes local measurements. These disadvantages are valid for many elements analyzed in various sectors, and the analysis of railway vehicle components or track elements are two examples. This study investigated whether vibroacoustic modal testing (VMT), a rarely studied method, would be a suitable alternative for EMA in this context. Comparative modal analyses were made on the railway sleepers, using VMT and EMA test setups, reorganized considering the deficiencies identified in the literature. As a result, it has been determined that the prepared SISO-type VMT setup can provide as accurate and consistent results as the EMA in estimating the resonance frequencies, damping ratios and mode shapes in a certain frequency range.

Anahtar Kelimeler

• Railway sleepers
• Modal damping ratio
• Frequency response function
• FRF FFT graphs comparison
• Logarithmic decrement damping ratio
• Modal circle method

Proje Numarası

FCD-2021-11483

Modal Parametre Belirleme Yöntemlerinin Karşılaştırılması ve Demiryolu Traverslerinin SISO-tipi Vibro-akustik Modal Analizlerle Tahribatsız İncelenmesi

Öz

Bilgisayar ve sensör teknolojilerindeki gelişmeler, titreşim ve ses verilerinin, yüksek çözünürlük ve örnekleme hızlarıyla, ağır iklimsel şartlar altında dahi kayıt altına alınabilmesini sağlamıştır. Bu kritik verilerin, uzay, havacılık, savunma, tıp, afet yönetimi ve her çeşit mühendislik branşında farklı amaçlarla kullanılabilmesi için sürekli yeni yöntemler geliştirilmektedir. Bunlardan biri de tahribatsız modal parametre belirleme yöntemleridir. Bu yöntemler içerisinde ise, günümüzde dünyada en yaygın kullanılan ve kabul göreni, titreşim esaslı deneysel modal analizlerdir (EMA). Ancak bu metodun, temaslı ölçüm gerektirmesi ve lokal ölçüm alması gibi önemli dezavantajları söz konusudur. Bu dezavantajlar, çeşitli sektörlerde analizleri yapılan birçok unsur için geçerli olup, demiryolu taşıt bileşenlerinin veya demiryolu yapı elemanlarının analizleri de buna örnek teşkil etmektedir. Bu çalışmada, literatürde ender incelenmiş bir metot olan, vibro-akustik modal analizlerin (VMT), bu bağlamda, EMA için uygun bir alternatif olup olmayacağı araştırılmıştır. Bu kapsamda, literatürde tespit edilen eksiklikler dikkate alınarak hazırlanan VMT ve EMA test düzenekleri kullanılarak demiryolu traversleri üzerinde karşılaştırmalı modal analizler yapılmıştır. Sonuç olarak, hazırlanan SISO-tipi VMT test metodunun; belirli bir frekans aralığındaki rezonans frekansı, sönümleme oranı ve mod şekillerinin tahminlerinde, EMA metodu kadar hassas ve tutarlı sonuçlar verebildiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Demiryolu traversleri
• Modal sönümleme oranı
• Frekans yanıt fonksiyonu
• FRF FFT grafikleri karşılaştırması
• Logaritmik azalma sönümleme oranı
• Modal daire metodu

Destekleyen Kurum

Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Daire Başkanlığı (ERÜ/BAP)

Proje Numarası

FCD-2021-11483

Teşekkür

Bu çalışma Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Daire Başkanlığı (ERÜ/BAP) tarafından desteklenmiş (Proje No: FCD-2021-11483) olup, araştırmacılar, destekleri için ERÜ/BAP yetkililerine teşekkürlerini sunar.

Kaynakça

1. [1] H. E. D. Bree, “The Microflown Ebook, Chapter-2: Sound & Vibration,” 2009. [Online]. Available: https://www.microflown.com/assets/uploads/Publications/ebook_2_sound_and_vibration.pdf [Accessed: 02.03.2023]
2. [2] F. Çeçen, B. Aktaş, “B70 Tipi Demiryolu Traverslerinde Polipropilen Fiber Kullanımının Deneysel İncelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 15, pp. 158-169, Ocak 2022, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.990316
3. [3] F. Çeçen, A. Özbayrak, B. Aktaş, “Experimental modal analysis of fly ash-based geopolymer concrete specimens via modal circles, mode indication functions, and mode shape animations,” Cement and Concrete Composites, vol. 137, ID: 104951, Mart 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.104951
4. [4] B. Aktaş, F. Çeçen, H. Öztürk, M. B. Navdar, İ. Ş. Öztürk, “Comparison of prestressed concrete railway sleepers and new LCR concrete sleepers with experimental modal analysis,” Engineering Failure Analysis, vol. 131, ID: 105821, Ocak 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105821
5. [5] Siemens, “What is the acoustic quantity called Q?,” 2019, [Online]. Available: https://community.sw.siemens.com/s/article/what-is-the-acoustic-quantity-called-q [Accessed: 03.03.2023]
6. [6] G. M. S. Gidrao, P. A. Krahl, R. Carrazedo, “Characterization of concrete internal damping,” in 3o Encontro Luso-Brasileiro de Degradação em Estruturas de Concreto Armado São Carlos, São Paulo, Brasil, 2018
7. [7] W. L. Guesser, L. P. R. Martins, “Stiffness and vibration damping capacity of high strength cast irons,” in 25th SAE BRASIL International Congress and Display, Brazil, 2016
8. [8] F. Çeçen, B. Aktaş, “Yeni LCR Tipi Traverslerin Demiryolu Hat Rijitliğine Etkisinin Araştırılması,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 16, pp. 36-50, Temmuz 2022, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.1105999

9. [9] F. Çeçen, B. Aktaş, “Yeni Yeşil-Travers Modelinin B70 Tipi Öngerilmeli Traverslerle Karşılaştırmalı İncelenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 17, pp. 1-13, Ocak 2023, doi: https://doi.org/10.47072/demiryolu.1107683
10. [10] F. Çeçen, B. Aktaş, H. Öztürk, M. B. Navdar, İ. Ş. Öztürk, “Behaviour of new LCR and ordinary prestressed concrete railway sleepers under repeated impact loads,” Construction and Building Materials, vol. 319, ID: 126151, Şubat 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126151
11. [11] Standard Test Method for Fundamental Transverse, Longitudinal, and Torsional Resonant Frequencies of Concrete Specimens, ASTM C215-19, USA, 30.01.2020
12. [12] K. Matsuoka, T. Watanabe, “Application of a Frequency-Based Detection Method for Evaluating Damaged Concrete Sleepers,” Advances in Structural Health Monitoring, 2019, doi: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.82711
13. [13] A. Bekele, N. Ryden, A. Gurmarsson, B. Birgisson, “Automated Non‑contact Resonance Excitation Method to Assess Low Temperature Dynamic Modulus of Asphalt Concrete,” Journal of Nondestructive Evaluation, pp. 38-43, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s10921-019-0584-7
14. [14] W. D. Zhu, J. M. Liu, Y. F. Xu, H. Q. Ying, “A modal test method using sound pressure transducers based on vibro-acoustic reciprocity,” Journal of Sound and Vibration, Vol: 333, pp. 2728-2742, Haziran 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2014.02.004
15. [15] G. P. Guimaraes, R. Pirk, C. D. Souto, L. C. S. Goes, “Acoustic Modal Analysis of Cylindrical-Type Cavities,” in Proceedings of the 8th International Conference on Structural Dynamics, EURODYN 2011, Leuven, Belgium, Temmuz 2011, pp. 3160-3167
16. [16] G. Accardo, B. Peeters, F. Bianciardi, K. Janssens, “Experimental Acoustic Modal Analysis of an Automotive Cabin,” Sound & Vibration, Vo. 49, pp. 10-18, Mayıs 2015, doi: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-15236-3_4
17. [17] S. L. Gjelstrup, “What is Modal Analysis: The Ultimate Guide,” 2021. [Online]. Available: https://dewesoft.com/daq/what-is-modal-analysis#sdof-fitting [Accessed: 03.03.2023]
18. [18] “Condenser (kapasitif) mikrofon nedir?,” 2022. [Online]. Available: https://www.elektrikrehberiniz.com/elektronik/condenser-mikrofon-nedir-127452/ [Accessed: 03.03.2023]
19. [19] G. M. Simith, “Sound and Noise Measurement with Microphone Transducers,” 2022. [Online]. Available: https://dewesoft.com/daq/sound-measurement-with-microphone-sensors [Accessed: 03.03.2023]
20. [20] F. Çeçen, B. Aktaş, “Modal and harmonic response analysis of new CFRP laminate reinforced concrete railway sleepers,” Engineering Failure Analysis, vol. 127, ID: 105471, Eylül 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105471
21. [21] F. Çeçen, B. Aktaş, H. Öztürk, İ. Ş. Öztürk, M. B. Navdar, “Comparative modal analysis of B70 and LCR-6 type railway sleepers after repeated impact loads,” Construction and Building Materials, vol. 336, ID: 127563, Haziran 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127563