第7章振動測試

1、第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 機械振動機械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往是物體在一定位置附近所作的周期性往 復的運動復的運動。 機械振動系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往機械振動系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往 復運動的機械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機械振動復運動的機械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機械振動 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 構成機械振動系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復性和構成機械振動系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復性和 阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當前運動持續(xù)下去的性質，阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當前運動持續(xù)下去的性質， 恢復性就是能使系統(tǒng)位置恢復到平衡狀態(tài)的性質，恢復性就是能使系統(tǒng)位

2、置恢復到平衡狀態(tài)的性質， 阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質。這三個基本阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質。這三個基本 要素通常分別由物理參數(shù)質量要素通常分別由物理參數(shù)質量M、剛度、剛度K和阻尼和阻尼C 表征。表征。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、振動的概念一、振動的概念 第第7章振動測試章振動測試 二、測量振動的目的：二、測量振動的目的： w 1）測定振級）測定振級 w 2）尋找振源）尋找振源 w 3）提取設備故障信息）提取設備故障信息 w 4）研究結構的動態(tài)特性）研究結構的動態(tài)特性 w 5）研究隔振理論、方法和材料）研究隔振理論、方法和材料 w 6）環(huán)境條件的模擬）環(huán)境條件的模擬 第第7章振動測

3、試章振動測試 三、振動的分類 （1）從產(chǎn)生振動的原因來分）從產(chǎn)生振動的原因來分： 系統(tǒng)僅受到初始條件系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始位移、 初始速度初始速度)的激勵而引起的振動稱為自由的激勵而引起的振動稱為自由 振動，系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵下的振動，系統(tǒng)在持續(xù)的外作用力激勵下的 振動稱為強迫振動。振動稱為強迫振動。 自由振動問題雖然比強迫振動問題 單純但自由振動反映了系統(tǒng)內(nèi)部結構的 所有信息，是研究強迫振動的基礎。 第第7章振動測試章振動測試 （2）從振動的規(guī)律來分： w簡諧振動 w復合周期振動 w瞬態(tài)振動 w隨機振動 （3）從自由度個數(shù)來分： w單自由度振動 w多自由度振動 第第7章振動

4、測試章振動測試 單自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)單自由度無阻尼自由振動系統(tǒng) x o k 運動學特征運動學特征 動力學特征動力學特征 合合 F 由由 kxmaF 合合 微分方程特征微分方程特征 0 x dt xd2 2 2 kx 以彈簧振子為例得出普遍結論：以彈簧振子為例得出普遍結論： xx m k a 2 m k 系統(tǒng)只在彈性力作用系統(tǒng)只在彈性力作用 下的振動微分方程下的振動微分方程 第第7章振動測試章振動測試 加速度加速度 22 cos()cos() dv aAtAt dt 速速 度度sin()cos() 2 dx vAtAt dt 2468101214 -1 -0.5 0.5 1 v t x a

5、 解解 可得可得 0 x dt xd2 2 2 )tcos(Ax 位位 移移振動方程振動方程 結論：結論： (1)單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是以正弦或余弦函單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是以正弦或余弦函 數(shù)或統(tǒng)稱為諧波函數(shù)表示的，故稱為簡諧振動，數(shù)或統(tǒng)稱為諧波函數(shù)表示的，故稱為簡諧振動， (2)自由振動的角頻率即系統(tǒng)的自然頻率僅由系統(tǒng)本身自由振動的角頻率即系統(tǒng)的自然頻率僅由系統(tǒng)本身 的參數(shù)所確定，而與外界激勵、初始條件等均無關的參數(shù)所確定，而與外界激勵、初始條件等均無關 (3)無阻尼自由振動的周期為無阻尼自由振動的周期為 (4)自由振動的振幅自由振動的振幅A和初相角由初始條件所確定。和初相角由

6、初始條件所確定。 (5)單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是等幅振動。單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是等幅振動。 1 2 n m T fk 第第7章振動測試章振動測試 單自由度有阻尼系統(tǒng)的自由振動單自由度有阻尼系統(tǒng)的自由振動 2 ( )( )( )0 ( )2( )( )0 , 22 nn n n mx tcx tkx t x tx tx t kcc mmmk 式中： 通解為： 2 1,2 ( ) (1) st n x tXe s 第第7章振動測試章振動測試 第二節(jié)第二節(jié) 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 1. 由作用在質量塊上的力所引起的受迫振動由作用在質量塊上的力所引起的受迫振動 輸入

7、輸入 輸出輸出 f(t) f(t) y c k m ky dt dy c 2 2 dt yd m 第第7章振動測試章振動測試 0 2 22 0 2 00 0 2 222 2 2 222 ( )sin() 2sin() 1()4() ) 1() 1 1()4() nnn nn n nn f tFt d ydy yYt dtdt YF Y M 00 n y(t)=Ysin(t- ) 外加干擾力： 為質量塊上作用有靜力時的靜位移 Y =F /k 式中： 振幅 Y= 2 ( 相位差： =arctan 振幅放大因子： 第第7章振動測試章振動測試 0 2 22 0 2 00 0 2 222 2 2 222

8、 ( )sin() 2sin() 1()4() ) 1() 1 1()4() nnn nn n nn f tFt d ydy yYt dtdt YF Y M 00 n y(t)=Ysin(t- ) 外加干擾力： 為質量塊上作用有靜力時的靜位移 Y =F /k 式中： 振幅 Y= 2 ( 相位差： =arctan 振幅放大因子： 特性分析：特性分析：n時，輸出位移接近零，質量塊近乎靜止。時，輸出位移接近零，質量塊近乎靜止。 第第7章振動測試章振動測試 2. 由基礎運動所引起的受迫振動由基礎運動所引起的受迫振動 在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基礎的運動所在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基

9、礎的運動所 引起的。這種情況稱位移激勵。設基礎的絕對位移為引起的。這種情況稱位移激勵。設基礎的絕對位移為x(t)， 質量塊質量塊m的絕對位移為的絕對位移為y(t)，如圖所示?？疾熨|量塊，如圖所示。考察質量塊M對對 基礎的相對運動，即基礎的相對運動，即M的相對位移的相對位移(y-x)。其運動方程為：。其運動方程為： 1 z 輸入輸入 輸出輸出(y-x) 0 z 第第7章振動測試章振動測試 0 2 2 )()(xykxy dt d c dt yd m 基礎的絕對位移基礎的絕對位移x(t)為輸入信號，質量塊為輸入信號，質量塊m對基礎的相對基礎的相 對位移對位移y(t)-x(t)為輸出信號。為輸出信號

10、。 )/()/( )/( )( nn n j H 21 2 2 2 1 2 )/( / )( n n arctg 2 2 2 2 21)/()/( )/( )( nn n A 第第7章振動測試章振動測試 1 01 )( z z X XY A 特性分析：特性分析： 當當n時，時，A() 接近接近1，即，即 與與 幾乎相等，質量塊幾乎相等，質量塊 處于靜止狀態(tài)。處于靜止狀態(tài)。 01 z 1 z 01 z 第第7章振動測試章振動測試 第三節(jié)第三節(jié) 測振傳感器測振傳感器 w 按振動信號的轉換形式分為電測法、機械法、按振動信號的轉換形式分為電測法、機械法、 光學法；光學法； w 按被測件是否與拾振器接觸

11、分為接觸式和非按被測件是否與拾振器接觸分為接觸式和非 接觸式；接觸式； 接觸式接觸式 非接觸式非接觸式 w 按殼體的固定方式可分為相對式和絕對式。按殼體的固定方式可分為相對式和絕對式。 渦流式渦流式 電容式電容式 磁電式磁電式 壓電式壓電式 絕對式：傳感器殼體固定絕對式：傳感器殼體固定 在被測件上，殼體的振動在被測件上，殼體的振動 即被測物的振動即被測物的振動Z1，也是，也是 傳感器的輸入。通過傳感傳感器的輸入。通過傳感 器內(nèi)質量塊與殼體間的相器內(nèi)質量塊與殼體間的相 對運動對運動Z01來描述來描述Z0（即（即 輸出）。輸出）。 相對式：殼體和測量頭與相對式：殼體和測量頭與 不同被測件接觸，輸出

12、描不同被測件接觸，輸出描 述的是兩試件間的相對運述的是兩試件間的相對運 動。動。 第第7章振動測試章振動測試 1、 電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器 第第7章振動測試章振動測試 位移傳感器的響應條件 位移傳感位移傳感 器的輸出器的輸出 位移位移zm反反 映被測振映被測振 動的位移動的位移 量量xm 第第7章振動測試章振動測試 w 位移傳感器的上限測量頻率在理論上是無 限的，但實際上受具體儀器結構和元器件 特性后繼放大電路頻響等條件的限制， 不能太高。 w 下限測量頻率則受彈性元件的強度和質量 塊尺寸、重量等因素的限制，使n不能太 小。 w 因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。 優(yōu)點：線性范圍大、

13、靈敏度高、頻率范圍寬、 抗干擾能力強、不受油污影響。 第第7章振動測試章振動測試 2、 磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器 n時，質量塊（線圈）在絕對空間靜止，線圈與殼時，質量塊（線圈）在絕對空間靜止，線圈與殼 體間的相對運動切割磁力線。體間的相對運動切割磁力線。 第第7章振動測試章振動測試 絕對式速度計工作原理：絕對式速度計工作原理： 工作頻率為：工作頻率為： n 與與 成正比成正比 的電壓的電壓 被測物體被測物體(殼體）殼體） 的絕對運動的絕對運動 線圈（質量塊）與線圈（質量塊）與 殼體的相對運動殼體的相對運動 01 z 1 z 01 z 第第7章振動測試章振動測試 Blve 第第7章振動測

14、試章振動測試 3、 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 內(nèi)部通常有以高密度合金 制成的慣性質量塊，當殼 體連同基座和被測對象一 起運動時，慣性質量塊相 對于殼體或基座產(chǎn)生一定 的位移，由此位移產(chǎn)生的 彈性力加于壓電元件上， 在壓電元件的兩個端面上 就產(chǎn)生了極性相反的電荷。 壓電式傳感器通常不用 阻尼元件，且其元件的內(nèi) 部阻尼也很小(0.02)， 系統(tǒng)可視為無阻尼系統(tǒng)可視為無阻尼 第第7章振動測試章振動測試 被測物體加速度被測物體加速度 質量塊與殼體質量塊與殼體 的相對位移的相對位移01 z 與相對位移與相對位移 成正比的成正比的F 01 z 與與F成正比的成正比的Q 1 z 工作原理：工作原

15、理： 壓電式加速度傳感器的主要結構形式壓電式加速度傳感器的主要結構形式 第第7章振動測試章振動測試 工作頻率為工作頻率為 n 第第7章振動測試章振動測試 1. 慣性式加速度傳感器的最大優(yōu)點是它 具有零頻率持性, 即理論上它的下限測 量頻率為零，實際上是下限測量頻率 極低。 此外，為使n遠大于被測振動頻率， 加速度傳感器的尺寸、質量可作得很 小(小于1g)，從而對被測對象的附加 影響也小。 3、 t n t m aa mm m ff mm 第第7章振動測試章振動測試 壓電傳感器的主要特性參數(shù)壓電傳感器的主要特性參數(shù) u靈敏度：電壓靈敏度Sv和電荷靈敏度Sq u頻率響應范圍 第第7章振動測試章振動

16、測試 第第7章振動測試章振動測試 測振傳感器的合理選擇：測振傳感器的合理選擇： 1、綜合考慮傳感器的頻率范圍、綜合考慮傳感器的頻率范圍、 量程、靈敏度指標量程、靈敏度指標 2、選好直接測量參數(shù)、選好直接測量參數(shù) 3、考慮具體的使用環(huán)境、考慮具體的使用環(huán)境 第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 第四節(jié)第四節(jié) 振動分析方法與系統(tǒng)振動分析方法與系統(tǒng) 振動量的測量： 振動量通常指反映振動的強弱程度的量， 亦即指振動位移振動位移，振動速度振動速度和振動加速度振動加速度 的大小。這三者之間存在著確定的微分或 積分關系。 基本振動參量： 峰值峰值表示振動的程度，

17、可反映對結構強度表示振動的程度，可反映對結構強度 的破壞程度。的破壞程度。 有效值有效值記錄振動隨時間變化的經(jīng)歷過程，記錄振動隨時間變化的經(jīng)歷過程， 具有振動能量的含義。具有振動能量的含義。 平均值平均值反映波形變化過程。反映波形變化過程。 第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 根據(jù)測試的對象和任務，可將振動測試系根據(jù)測試的對象和任務，可將振動測試系 統(tǒng)分為兩類：統(tǒng)分為兩類： 僅測量系統(tǒng)的輸出僅測量系統(tǒng)的輸出 測量系統(tǒng)在自由振動和自然激勵作用下的測量系統(tǒng)在自由振動和自然激勵作用下的 振動輸出，找出振動原因。振動輸出，找出振動原因。 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：P204圖圖723、72

18、4。 2. 同時測量輸入和輸出同時測量輸入和輸出 系統(tǒng)在人為激勵作用下發(fā)生強迫振動，同系統(tǒng)在人為激勵作用下發(fā)生強迫振動，同 時測量輸入和輸出，求系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)。時測量輸入和輸出，求系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)。 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：P204圖圖725。 第第7章振動測試章振動測試 振動分析振動分析 第第7章振動測試章振動測試 振動傳感器校準振動傳感器校準 w 為保證振動測試與試驗結果的可靠性和精 度，在使用傳感器前要經(jīng)過現(xiàn)場校準，方 法有： w 絕對法將被校準的拾振器固定在校準 臺上，用激光干涉測振儀測出振動臺的振 幅，再與拾振器測到的振動信號比較。 w 相對法將被校準的拾振器與經(jīng)過嚴格 校準過的傳感器并排

19、安裝在振動臺承受相 同的振動，再將兩個傳感器的輸出比較。 第第7章振動測試章振動測試 第五節(jié)第五節(jié) 振動的激勵和激振器振動的激勵和激振器 w 根據(jù)第一章的討論，如果知道了系統(tǒng)的 輸入(激勵)和輸出(響應)，就可以求出系 統(tǒng)的數(shù)學模型，也即動態(tài)特性。振動系 統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)動態(tài)特性的一種試 驗方法。 w 為了完成上述測試任務，一般說來測試 系統(tǒng)應該包括下述三個主要部分： 第第7章振動測試章振動測試 1)激勵部分激勵部分 實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振 動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激 振裝置組成。 2)拾振部分拾振部分 檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并 將信號轉換成一定

20、的形式(通常為電信號)。它 主要由傳感器、可調放大器組成。 3)分析記錄部分分析記錄部分 將拾振部分傳來的信號記錄下來供以后分析 處理或直接進行分析處理并記下處理結果。 它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。 第第7章振動測試章振動測試 一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法 這是一種測量頻率響應的經(jīng)典方法，它提 供給被測系統(tǒng)的激勵信號是一個具有穩(wěn)定幅 值和頻率的正弦信號，測出激勵大小和響應 大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點處的頻率響 應的大小。連續(xù)測量N個頻率點的穩(wěn)態(tài)響應， 即可得到某一頻段的頻率響應函數(shù)曲線。 激勵系統(tǒng)激勵系統(tǒng)一般由正弦信號發(fā)生器、功率放 大器和電磁激振器組成，測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)由跟蹤濾 波器、

21、峰值電壓表和相位計組成。 第第7章振動測試章振動測試 二、瞬態(tài)激勵方法 w 瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信號 是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵， 即一次同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成份 的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應頻帶內(nèi)的頻率響應。 因此，它是一種快速測試方法。同時由于測 試設備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使 用。 w 目前常用的瞬態(tài)激勵方法有快速正弦掃描、 脈沖錘擊和階躍松弛激勵等方法，下面分別 討論和介紹。 第第7章振動測試章振動測試 (一)快速正弦掃描 這種測試方法是使正弦激勵信號在所需 的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完 成)，激振信號頻率在掃描周期激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線

22、內(nèi)成線 性增加，而幅值保持恒定性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的 頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而 能達到寬頻帶激勵的目的。 min maxmin ( )sin2 ()f tFtft ff T 第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 (二)脈沖錘擊激勵 脈沖錘擊激勵是用脈沖錘對被測系統(tǒng)進 行敲擊，給系統(tǒng)施加一個脈沖力脈沖力，使之 發(fā)生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率 范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是 一種寬頻帶的快速激勵方法。 第第7章振動測試章振動測試 (三) 階躍激勵 1、 階躍激勵定義 2、特點：由于階躍函數(shù)的導數(shù)是脈沖由于階躍函數(shù)的導數(shù)是脈沖 函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應

23、的導數(shù)是脈函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應的導數(shù)是脈 沖響應函數(shù)，沖響應函數(shù)，所以這種方法也是一種寬 頻帶激勵方法。 3、實現(xiàn)：在實際應用中，常常是用一 根剛度很大質量很輕的張力弦通過力傳 感器對系統(tǒng)預加載，然后突然切斷張力 弦。 第第7章振動測試章振動測試 三、隨機激勵方法 (一)純隨機激勵 理想的純隨機信號是具有高斯分布的白理想的純隨機信號是具有高斯分布的白 噪聲，噪聲，它在整個時間歷程上是隨機的， 不具有周期性，在頻率域上它是一條幾 乎平坦的直線。 ( )( )( ) xyx SfH f Sf 第第7章振動測試章振動測試 (二)偽隨機激勵 v 偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號， 它在一個周期內(nèi)

24、的信號是純隨機的，但 各個周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種 方法的優(yōu)點在于試驗的可重復性。 v 將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反 復重復，即形成偽隨機信號。 第第7章振動測試章振動測試 第第7章振動測試章振動測試 激振器激振器 (一）電動式激振器 驅動線圈位于磁極與鐵芯 的氣隙中，并與頂桿固裝 在一起，由支承彈簧支承 在殼體中。當線圈通以交 變電流后，在磁場中受到 電動力，通過頂桿作用在 試件上。在使用時，往往 在頂桿與激振對象之間加 一個力傳感器，以精確地 測出激振力F(t) 第第7章振動測試章振動測試 （二）電磁式激振器 電磁激振器是非接觸式的，可以用于對旋轉著的對象 進行激振，其頻率上限

25、約為500800Hz。 第第7章振動測試章振動測試 激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生 交變磁場，而被測對象作為銜鐵，在交變磁 場作用下產(chǎn)生振動 由于在電磁鐵與銜鐵之間的作用力F(t)只 會是吸力，而無斥力，為了形成往復的正弦 激勵，應該在其間施加一恒定的吸力F0，然 后才能疊加上一個交變的諧波力F(t)，如圖 所示，即: 為此，通入線圈中的電流I(t)也應該由直流與 交流兩部分組成，即: 0 ( )sinI tIAt 第第7章振動測試章振動測試 （三） 脈沖錘 脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵力的激振器，它 由錘體、手柄和可以調換的錘頭和配重組成，通 常在錘體和錘頭之間裝有一個力傳感器，以測量 被測

26、系統(tǒng)所受錘擊力的大小。 一般來說，錘擊力的大小是由錘擊質量和錘 擊被測系統(tǒng)時的運動速度決定的。 激勵的頻率范圍主要由接觸表面剛度決定， 錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限額 率fe越高。為了能調整激勵頻率范圍，通常使用 一套不同材料的錘頭。 第第7章振動測試章振動測試 當用脈沖錘進行沖擊激勵時，它相當于對被測系統(tǒng)施 加了一個半正弦波的力脈沖，如圖 (a)所示。該類脈 沖的頻譜如圖(b)所示，在小于上限頻率fe的頻段內(nèi)， 脈沖的頻譜基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般 來說，錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限錘頭的材料越硬則脈沖的持續(xù)時間越短，上限 額率額率fe越高越高。 第第7章振動測試章振動測試 第六節(jié)第六節(jié) 抑制振動抑制振動 激發(fā)振動的力源或運動源