振動(dòng)測(cè)試技術(shù)

拱橋振動(dòng)測(cè)試姓名：劉學(xué)號(hào)：班級(jí)：研14-1班課程：振動(dòng)測(cè)試技術(shù)年月：2015年7月18日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一振動(dòng)測(cè)試概述 1\o"CurrentDocument"1振動(dòng)分類及描述 1\o"CurrentDocument"2振動(dòng)基本參量表示方法 1\o"CurrentDocument"3振動(dòng)測(cè)試儀器分類及配套使用 34窗函數(shù)的分類及用途 4\o"CurrentDocument"5信號(hào)采集及分析過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，怎樣解決？ 7\o"CurrentDocument"二、慣性式速度型與加速度型傳感器 8\o"CurrentDocument"1慣性式速度傳感器的分類 8\o"CurrentDocument"2壓電式加速度傳感器 9\o"CurrentDocument"三振動(dòng)特性參數(shù)的常用量測(cè)方法 12\o"CurrentDocument"1振動(dòng)基本參數(shù)的量測(cè) 12\o"CurrentDocument"2簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的量測(cè) 12\o"CurrentDocument"3機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量 12\o"CurrentDocument"4簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值的測(cè)量： 12\o"CurrentDocument"5衰減系數(shù)的測(cè)量： 13\o"CurrentDocument"6結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)量測(cè) 13\o"CurrentDocument"7穩(wěn)態(tài)正弦激振及測(cè)試 13\o"CurrentDocument"8瞬態(tài)激振及測(cè)試 14\o"CurrentDocument"9隨機(jī)激振及測(cè)試 15\o"CurrentDocument"四題目（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)） 161結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料及試驗(yàn)要求 16\o"CurrentDocument"試驗(yàn)?zāi)康?18\o"CurrentDocument"試驗(yàn)方法 18\o"CurrentDocument"4結(jié)果分析 20\o"CurrentDocument"五概念 22\o"CurrentDocument"1功率譜 22\o"CurrentDocument"2自相關(guān)函數(shù) 22\o"CurrentDocument"3互相關(guān)函數(shù) 23\o"CurrentDocument"4相干函數(shù) 23\o"CurrentDocument"5傳遞函數(shù) 24\o"CurrentDocument"六模態(tài)分析 26\o"CurrentDocument"1概念 26\o"CurrentDocument"2方法分類及理解 26振動(dòng)測(cè)試概述1振動(dòng)分類及描述按照運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，振動(dòng)可以分為確定性和非確定性振動(dòng)（即隨機(jī)振動(dòng)）。確定性振動(dòng)又分為周期性和非周期性振動(dòng)。周期性振動(dòng)分為簡(jiǎn)諧振動(dòng)和復(fù)雜周期振動(dòng)。非周期運(yùn)動(dòng)又分為準(zhǔn)周期和瞬態(tài)振動(dòng)。非確定性振動(dòng)分為平穩(wěn)隨機(jī)和非平穩(wěn)隨機(jī)，平穩(wěn)隨機(jī)又分為各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)。按振動(dòng)激勵(lì)類型分類，振動(dòng)可分為隨機(jī)自由振動(dòng)和隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。按振動(dòng)位移的特征分類，振動(dòng)可分為：橫向振動(dòng)（振動(dòng)體上的質(zhì)點(diǎn)在垂直于軸線的方向產(chǎn)生位移的振動(dòng)）、縱向振動(dòng)（振動(dòng)體的質(zhì)點(diǎn)沿軸線方向產(chǎn)生位移的振動(dòng)）和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（振動(dòng)體上的質(zhì)點(diǎn)沿軸線方向產(chǎn)生位移的振動(dòng)）。周期運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單形式是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。這種振動(dòng)的表示方法及特點(diǎn)是描述其他振動(dòng)形式的基礎(chǔ)。一般的周期運(yùn)動(dòng)可以借助傅里葉級(jí)數(shù)表示成一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，該過(guò)程稱為諧波分析。非周期運(yùn)動(dòng)則需要通過(guò)傅里葉積分作諧波分析。2振動(dòng)基本參量表示方法工程振動(dòng)測(cè)試的主要參數(shù)有位移、速度、加速度、激振力、振幅、振動(dòng)頻率、阻尼比及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)等。其中前五個(gè)參數(shù)屬于時(shí)域測(cè)試參數(shù)。下面分別來(lái)說(shuō)明振動(dòng)基本參量的表示方法及其含義：（1） 振幅（A）：振幅就是振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離。振動(dòng)的幅度有三種表示法，即峰值、平均值和有效值。（2） 周期（T）:從振動(dòng)波形來(lái)看，連續(xù)兩次波峰或者波谷之間耗費(fèi)的時(shí)間就是一個(gè)振動(dòng)周期，也就是完成一次振動(dòng)所需的時(shí)間。（3） 頻率（f）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)振動(dòng)循環(huán)的次數(shù)f，單位是赫茲（Hz）。頻率是振動(dòng)特性的標(biāo)志，是分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)。周期T是物體完成一個(gè)振動(dòng)

過(guò)程所需要的時(shí)間，單位是秒（S）。頻率與周期互為倒數(shù)，f=上。T（4）相位G）：振動(dòng)物體在任一時(shí)刻t的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（指位置和速度）都由（①t+q）決定，（①t+q）是決定簡(jiǎn)諧振動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，稱為振動(dòng)的相位。表示t=0時(shí)的相位，叫做初相位或初相。物體的振動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有一個(gè)相同的，這相當(dāng)于相位從0到2兀的變化；而位移和速度都相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它們所對(duì)應(yīng)的相位差是2兀或2兀的整數(shù)倍。因此，相位是反映簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期性特點(diǎn)，并用以描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要物理量。（5）臨界阻尼（七,）可定義為：體系自由振動(dòng)反應(yīng)中不出現(xiàn)往復(fù)振動(dòng)所需的最小阻尼值，即c疽2m廣2點(diǎn)癡（6）結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)（c）:是結(jié)構(gòu)在每一振動(dòng)循環(huán)中消耗能量大小的度量。結(jié)構(gòu)的阻尼比是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ匦詤?shù)，利用結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)試驗(yàn)可以獲得結(jié)構(gòu)的阻尼比。史為相鄰振動(dòng)峰值ui+1（7）對(duì)數(shù)衰減率（8）：定義為8=\n—^=.2"°一史為相鄰振動(dòng)峰值ui+1ui+i EY2比。簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的測(cè)試參數(shù)：位移，速度，加速度為時(shí)間調(diào)和函數(shù)的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這是一種最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)。其函數(shù)表達(dá)式為：位移:速度:x(t)=Asin(①t)=Asin(2兀ft)位移:速度:. 兀v(t)=Amcos(①t)=rnAsin(2兀ft+)2加速度： a（t）=-A?2sin（0t）=32Asin（2ift+兀）式中：A 位移幅值（cm或mm）；①一一振動(dòng)圓頻率（1s）；f——振動(dòng)頻率（Hz）。柏）、u（t）、a（t）三者之間的相位依次相差為兀.；2。若令：速度幅值V=3A,加速度幅值a0=32A，則有a0=3V=32A=（2兀f）2A。由此可見，位移幅值A(chǔ)和頻率3（或f），是兩個(gè)十分重要的特征量，速度和加速度的幅值V和a0可以直接由位移幅值A(chǔ)和頻率f。導(dǎo)出。在測(cè)量中，振動(dòng)測(cè)試參數(shù)的太小常用峰值、絕對(duì)平均值和有效值來(lái)表示。所謂峰值是指振動(dòng)量在給定區(qū)間內(nèi)的最大值，均值是振動(dòng)量在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，有效值即均方根值，它們從不同的角度反映了振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和能量。3振動(dòng)測(cè)試儀器分類及配套使用一、分類（1） 機(jī)械式的測(cè)量?jī)x器。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄。此法常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。（2） 光學(xué)式的測(cè)量?jī)x器。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。常用的儀器有讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。目前光學(xué)測(cè)量方法主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于振動(dòng)儀器系統(tǒng)的標(biāo)定及校準(zhǔn)。

（3）電測(cè)儀器。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。拾振環(huán)節(jié)（加速度計(jì)）測(cè)是線路 顯示及拾振環(huán)節(jié)（加速度計(jì)）測(cè)是線路 顯示及記錄環(huán)節(jié)〔電荷放大器） 〔電壓表）圖1.1電測(cè)法基本測(cè)量系統(tǒng)示意圖二、配套使用情況目前，整個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器系統(tǒng)通常有以下三種測(cè)振儀配套方式，見圖2。圖1.2圖1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)三種配套儀器系統(tǒng)4窗函數(shù)的分類及用途一、分類1.矩形窗（Rectangular窗）矩形窗屬于時(shí)間變量的零次幕窗，函數(shù)形式為:

-1w(t)TT0,Vw0）二箜n竺相應(yīng)的譜窗為： ot2.三角窗（Bartlett或Fejer窗）三角窗是幕窗的一次方形式，其定義為:『1t/x2（1—也）w（t）={T T0<F<T;0|q>t譜窗為：3,漢寧窗（Hanning窗）又稱升余弦窗，其時(shí)間函數(shù)為:1,1 1兀t、w(t)」T(2+2cosT)，0V其譜窗為：W（①其譜窗為：W（①）二sin①T 1 +_①T2L①T+兀sin(①T+兀)sin(①T—兀)3T—兀海明窗（Hamming窗）海明窗也是余弦窗的一種，又稱改進(jìn)的升余弦窗，其時(shí)間函數(shù)為：

w(t)J1__一_兀t-(0.54+0.46cos),w(t)Jsin(①T+sin(①T+兀)+sin(①T-兀)

oT+兀 oT—兀sin①TW(o)=1.08+0.46其譜窗為： OT高斯窗高斯窗是一種指數(shù)窗，其時(shí)域函數(shù)為:()-e—",w(t)=sT0式中：a為常數(shù)，決定了函數(shù)曲線衰減的快慢。高斯窗譜的主瓣較寬，故而頻率分辨力低，高斯窗函數(shù)常被用來(lái)截?cái)嘁恍┓侵芷谛盘?hào)，如指數(shù)衰減信號(hào)等。參數(shù)可調(diào)整窗利用變換窗的參數(shù)得到不同的性能，如上述余弦族窗中的系數(shù)，指數(shù)窗中的a，以及Gauss窗、Dolph—chebyshev窗、Kalser-Bessel窗等也都是參數(shù)可調(diào)窗?？梢越M構(gòu)成一些窗函數(shù)系列、如P200、P300系列窗。二用途在數(shù)字信號(hào)頻率分析中，要求對(duì)不同類型的時(shí)間信號(hào)選用不同的窗函數(shù)，對(duì)隨機(jī)信號(hào)的處理，通常選用漢寧窗，因?yàn)樗梢栽诓惶訉捴靼甑那闆r下較大的壓低旁瓣的高度從而有效的減少了功率的泄露。對(duì)本來(lái)就有很好的離散譜信號(hào)，例如周期信號(hào)或準(zhǔn)周期信號(hào)，分析時(shí)最好用旁瓣較低的Kalser-Bessel窗。沖擊過(guò)程和瞬態(tài)過(guò)程的測(cè)量，一般用矩形窗而不選用漢寧窗或Kalser-Bessel窗，因?yàn)檫@些窗對(duì)起始端很小的加權(quán)會(huì)使瞬態(tài)信號(hào)失去其基本特性。5信號(hào)采集及分析過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，怎樣解決？1信號(hào)采集和分析過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題信號(hào)分析和采集過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)頻率混疊、連續(xù)信號(hào)的截?cái)嗪统闃铀鸬男孤?、時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)化、處理不好引起的誤差和錯(cuò)誤、信號(hào)中的信噪比等等問(wèn)題。2解決方法對(duì)于信號(hào)頻率混疊需要進(jìn)行對(duì)輸入信號(hào)的抗混濾波，波樣采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于連續(xù)信號(hào)的截?cái)嗪统闃铀鸬男孤缎枰M(jìn)行加窗處理，通常所用的窗有矩形窗，漢寧窗，三角窗和海明窗等等。再通過(guò)FFT變換，進(jìn)行時(shí)域到頻域的變換和數(shù)據(jù)計(jì)算。信息論指出:對(duì)常用頻寬為F的限時(shí)、白色高斯噪聲信道，信道容量。當(dāng)容量不變時(shí)，增大帶寬可降低信噪比，提高信噪比必須壓縮帶寬。因此，抗干擾為主要矛盾時(shí)，可擴(kuò)展頻帶換取低信噪比下接收，調(diào)頻與擴(kuò)頻均基于這一原理。頻帶為主要矛盾時(shí)，則可用信噪比換取頻帶，多進(jìn)制、多電平傳輸均基于這一原理。二、慣性式速度型與加速度型傳感器1慣性式速度傳感器的分類慣性式測(cè)振傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)特性來(lái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量的。這種傳感器可以直接固定在被測(cè)物體上，它不需要相對(duì)參考系固定傳感器。是一種絕對(duì)式測(cè)振傳感器。分為磁電式拾振器和壓電式加速度傳感器。一.磁電式拾振器(1)力學(xué)模型圖示：圖2.1磁電式拾振器1—彈簧；2—質(zhì)量塊；3—線圈；4—磁鋼；5—儀器外殼(2)力學(xué)原理慣性式速度傳感器的換能原理是以導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為基礎(chǔ)的。由永磁鐵和導(dǎo)磁體組成磁路系統(tǒng)，在磁鋼間隙中放一工作線圈，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于線切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律在線圈中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，其大小正比于切割磁力線的線圈匝數(shù)和通過(guò)此線圈中的磁通量的變化率。當(dāng)儀器結(jié)構(gòu)定型后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和線圈對(duì)磁鋼相對(duì)運(yùn)動(dòng)的線速度成正比。電磁拾振器又稱為速度計(jì)。線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：EnBLv式中n一線圈的匝數(shù)；B一磁鋼與線圈間的磁場(chǎng)強(qiáng)度；L一每匝線圈的平均長(zhǎng)度；V一線圈的運(yùn)行速度。2壓電式加速度傳感器(1)力學(xué)模型示意圖：下圖中：1一儀器外殼；2一硬彈簧；3一質(zhì)量塊；4一壓電晶體；5—輸出線圖2.2壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理(2)工作原理壓電式加速度傳感器一般有三類，即中心壓縮式、剪切式和三角剪切式。壓電晶體加速計(jì)是利用壓電晶體材料具有的壓電效應(yīng)制成的。壓電晶體在三軸方向上的性能不同，x軸為電軸線，y軸為機(jī)械軸線，z軸為光軸線。若垂直于x軸切取晶片且在電軸線方向施加外力F，當(dāng)晶體受到外力而產(chǎn)生壓縮或拉伸變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，同時(shí)在其相應(yīng)的兩個(gè)表面上出現(xiàn)異號(hào)電荷，形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。由壓電晶體加速計(jì)可知，將質(zhì)量塊3放在兩塊圓形壓電晶片4上，質(zhì)量塊由一硬彈簧2預(yù)先壓緊，整個(gè)組件裝在具有厚基座的金屬殼體內(nèi)，壓片晶體片和慣性質(zhì)量塊在一起構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)體的頻率遠(yuǎn)低于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，慣性質(zhì)量塊相對(duì)于基座的振幅近似與被測(cè)振動(dòng)體的加速度峰值成正比。設(shè)q為釋放的電荷，F(xiàn)為作用力，A為電極化面面積，則有：qF1=^A或q=叮三振動(dòng)特性參數(shù)的常用量測(cè)方法1振動(dòng)基本參數(shù)的量測(cè)振動(dòng)基本參數(shù)：振幅、周期、頻率、相位、阻尼比、動(dòng)力放大系數(shù)等描述振動(dòng)所必須的量統(tǒng)稱為振動(dòng)基本參數(shù)。2簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的量測(cè)李薩如圖形比較法：運(yùn)動(dòng)方向相互垂直的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡稱為李薩如圖形。利用示波器、信號(hào)發(fā)生器以及常用的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試設(shè)備所組成的測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)量測(cè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)頻率，稱之為李薩如圖形比較法。錄波比較法：這種方法是將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)（一般為等距離的時(shí)間脈沖信號(hào)）一起送入光線示波器中并同時(shí)記錄在記錄紙上，然后根據(jù)記錄紙上的振動(dòng)波形和時(shí)標(biāo)信號(hào)兩者之間的周期比測(cè)定被測(cè)振動(dòng)波形的頻率。直接測(cè)頻法：這種方法是使用頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)定簡(jiǎn)諧波形電壓信號(hào)的頻率和周期。頻率計(jì)數(shù)器有指針式和數(shù)字式兩種。3機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量分為測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的自由振動(dòng)法和測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)法。4簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值的測(cè)量：指針式電壓表直讀法：指針式電壓表是振動(dòng)測(cè)量中最常用的顯示儀表，用以測(cè)量振動(dòng)位移、速度和加速度的數(shù)值（峰值、有效值或平均絕對(duì)值）。數(shù)字式電壓表直讀法：直流數(shù)字電壓表由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及電子計(jì)數(shù)顯示器兩大部分組成。光學(xué)法：包括用讀數(shù)顯微鏡觀察和楔形觀察法。

?同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量主要有示波器測(cè)量法和相位計(jì)直接測(cè)量法兩種。5衰減系數(shù)的測(cè)量：振動(dòng)波形法共振頻率法共振曲線法6結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)量測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)通常指結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型、阻尼比、衰減系數(shù)等參數(shù)。其測(cè)量方法有：固有頻率的量測(cè)方法：自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法。衰減系數(shù)的量測(cè)方法：振動(dòng)波形法、共振頻率法和共振曲線法。阻尼比的測(cè)量方法：對(duì)數(shù)衰減率法和半帶寬法。振型與發(fā)生振動(dòng)的初始條件無(wú)關(guān)，而僅與體系本身的剛度、質(zhì)量分布有關(guān)，根據(jù)剛度和質(zhì)量和圓頻率就可以算出振型。7穩(wěn)態(tài)正弦激振及測(cè)試穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱簡(jiǎn)諧激振，它是借助激振器對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一個(gè)頻率和幅值均可控制的正弦激振力。在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中，首先要激勵(lì)試件，使其按測(cè)試的要求作振動(dòng)。穩(wěn)態(tài)正弦激振是對(duì)試件輸入一個(gè)幅值穩(wěn)定、單一頻率的正弦信-電荷族大器 —試的要求作振動(dòng)。穩(wěn)態(tài)正弦激振是對(duì)試件輸入一個(gè)幅值穩(wěn)定、單一頻率的正弦信-電荷族大器 —號(hào)，讓試件作穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫震動(dòng)后再作測(cè)量。若要獲得試件在某段必須在該頻率范圍內(nèi)，?'以不同頻率作多次激振和多次測(cè)量，即頻穩(wěn)態(tài)正弦激振試驗(yàn)周期長(zhǎng)。設(shè)備和儀器較簡(jiǎn)單，故目前仍較多使用它。用微機(jī)控制作自動(dòng)頻率掃描，記錄，因其信噪比高，，測(cè)試精度高，可靠率范圍的信息，率掃描，因此，性也較高，測(cè)試分析處理，可大大縮短試驗(yàn)周期。加速度傳感器電荷放大器力傳感器電荷放大器激振器功率

放大器信號(hào)發(fā)生器磁帶記錄儀加速度傳感器電荷放大器力傳感器電荷放大器激振器功率

放大器信號(hào)發(fā)生器磁帶記錄儀圖3.1穩(wěn)態(tài)正弦激振法8瞬態(tài)激振及測(cè)試瞬態(tài)激振是自由振動(dòng)法中常用的一種激振手段。如采用不同的方法給被測(cè)結(jié)構(gòu)施加一個(gè)沖擊力，迫使結(jié)構(gòu)的速度突然發(fā)生變化而產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)，此時(shí)記錄下激振力及結(jié)構(gòu)上某些測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)，則可通過(guò)響應(yīng)曲線或傳遞函數(shù)獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。瞬態(tài)激振是一種寬帶激振方法。目前主要有脈沖激振、階躍激振、快速正弦掃描激振三種方法。脈沖激振：脈沖激振是給試件施加一脈沖力，試件在脈沖力作用下將產(chǎn)生一自由振動(dòng)。通常使用脈沖錘錘擊試件，此時(shí)將產(chǎn)生近似半正弦波的脈沖力。使用不同的錘頭墊材料可以得到不同寬頻的脈沖。用不同質(zhì)量配重的錘頭和敲擊速度，可獲得不同大小的脈沖力。脈沖激振簡(jiǎn)便高效，但對(duì)激勵(lì)點(diǎn)、拾振點(diǎn)的選取，錘擊方向和輕重均有較高要求，脈沖力是一種隨機(jī)輸入，需多次錘擊并對(duì)測(cè)試結(jié)果平均以減少隨機(jī)誤差。階躍激振：對(duì)試件施加一靜力，使它產(chǎn)生彈性變形，然后突然取消該力。這相當(dāng)于對(duì)試件施加了一個(gè)負(fù)的階躍激振力。快速正弦掃描激振：對(duì)在某一頻帶范圍內(nèi)工作的試件，理想激振力的頻譜應(yīng)是一矩形，譜幅值在上下限頻率內(nèi)相等，在上、下限頻率范圍外為零。這一要求，等幅線性頻率掃描的正弦力函數(shù)可基本滿足。這種快速激振法可有較大的激振能量，測(cè)試精度也較高。9隨機(jī)激振及測(cè)試隨機(jī)激振法目前常用的有三種：純隨機(jī)激振法、偽隨機(jī)激振法和周期隨機(jī)激振法。Q純隨機(jī)激振法。在整個(gè)時(shí)間歷程里所有激振信號(hào)都是隨機(jī)的，如白噪聲，其特點(diǎn)是功率譜是平直譜，沒有周期性。通常是將白噪聲發(fā)生的信號(hào)記錄在磁帶上，通過(guò)功率放大器輸出給激振器進(jìn)行激振。Q偽隨機(jī)激振法。在一個(gè)周期內(nèi)激振信號(hào)是隨機(jī)的，但各個(gè)周期的激振信號(hào)是一樣的。Q周期隨機(jī)激振法。它主要由變化的偽隨機(jī)激振信號(hào)組成，當(dāng)激振進(jìn)行到某幾個(gè)周期后，又出現(xiàn)一個(gè)新的偽隨機(jī)激振信號(hào)，它綜合了純隨機(jī)信號(hào)和偽隨機(jī)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，做到既是周期信號(hào)，統(tǒng)計(jì)特性有是隨時(shí)間變化的。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)按實(shí)際環(huán)境要求有以下幾種類型：Q寬帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，這是應(yīng)用最廣的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。Q窄帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，這種隨機(jī)振動(dòng)有一中心頻率，有一定帶寬，但帶寬內(nèi)PSD值是不變的。Q寬帶隨機(jī)加上一個(gè)或數(shù)個(gè)正弦信號(hào)。寬帶隨機(jī)加上一個(gè)或數(shù)個(gè)窄帶隨機(jī)。四題目（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）每人選一種斜拉橋或者拱橋（可從網(wǎng)上搜一種），布置相應(yīng)的測(cè)振傳感器測(cè)點(diǎn)位置（畫出測(cè)點(diǎn)布置圖），寫出選用的傳感器、放大器設(shè)備。要求寫出測(cè)出內(nèi)容：振幅、加速度、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移、索力、還須測(cè)出動(dòng)力放大系數(shù)。結(jié)果分析：頻率、阻尼比、振型的分析方法。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料及試驗(yàn)要求本設(shè)計(jì)所選結(jié)構(gòu)是跨徑50m，吊桿間距5m，矢高10m的空間拱橋。主梁為箱型截面，B2100x600x10/10，主梁恒載集度為96.2kN/m（包括二期恒載和人行道荷載），只作用于主梁上。主梁Midas以及拱橋立面、平面布置圖分別如圖4.2、4.3、4.4所示。實(shí)驗(yàn)要求針對(duì)此結(jié)構(gòu)布置相應(yīng)的測(cè)振傳感器、放大器及相應(yīng)的記錄設(shè)備，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。激振源激振源圖4.1拱橋結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)圖4.3拱橋立面圖（單位：m）圖4.4攻拱構(gòu)造和1/2橋面系平面圖（單位：m）試驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)出拱橋結(jié)構(gòu)的振幅、加速度、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移以及動(dòng)力放大系數(shù)。試驗(yàn)方法測(cè)振系統(tǒng)儀器選擇：測(cè)振傳感器可選擇磁電式拾振器，放大器采用電壓放大器，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接。布置：①主梁一階振型測(cè)點(diǎn)布置(藍(lán)色圓圈表示拾振器)②主梁二階振型測(cè)點(diǎn)布置(藍(lán)色圓圈表示拾振器)

在拱橋結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)中，按照動(dòng)載試驗(yàn)的要求和目的以及橋梁的結(jié)構(gòu)形式確定測(cè)振傳感器的位置。測(cè)振傳感器布置一般按照結(jié)構(gòu)振型形狀在變位較大的部位布置測(cè)點(diǎn)，盡可能避開各階振型的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于拱橋，一階振型的測(cè)點(diǎn)布置在跨中，二階振型的測(cè)點(diǎn)布置在1/4跨處；其他階振型這里不作要求。需將自重轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，并將荷載轉(zhuǎn)為質(zhì)量，計(jì)算出基頻。經(jīng)計(jì)算基頻為1.787Hz。測(cè)位移時(shí)傳感器可選擇磁電式速度傳感器，放大器采用電壓放大器，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接。測(cè)加速度時(shí)傳感器可選擇壓電式加速度傳感器，放大器采用電荷放大器，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接。測(cè)試儀器框架連接圖如下：加速度計(jì)磁喏記錄儀加速度計(jì)磁喏記錄儀動(dòng)恣分析R圖4.5測(cè)試儀器框架連接圖驗(yàn)加載方式:動(dòng)載試驗(yàn)的加載方式一般采用跑車加載完成，即安排車輛以不同的車速分別進(jìn)行勻速通過(guò)橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，簡(jiǎn)稱“跑車試驗(yàn)”。對(duì)于動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)位移，測(cè)點(diǎn)的布置同上；動(dòng)應(yīng)變的測(cè)試元件采用應(yīng)變片，用動(dòng)應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量；動(dòng)位移的測(cè)量采用機(jī)電百分表，也可通過(guò)動(dòng)應(yīng)變間接推算;通過(guò)動(dòng)位移可以計(jì)算出橋梁的動(dòng)力放大系數(shù)。

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0.55953&MPM(W)DK=0.000000D￥=O.KCC<CDZ=OXXKDCORX=0p?WMR￥=7&387-^57RZ=OXXKOOOModi1由隊(duì)：KHEN；1大偵m_L3?急分-[w]目由1D時(shí)L/'ZON由寸.％3 A*!■*2=0.259圖4.5拱橋一階振型皿皈ElX￡T■PRjjCESSOfiviBHzncnmode:^ZTClEjiEC!!LJHQTHQMZSO口a.oamDO□￥-D.OaUDODZ-OXKflWOK>：?0-002^2RTi=OOCCDnSHJ-0吹聞DM&ie2MMI3EMETil:]xrti!^3Jr?~■atI[必]g頃.%?口般￡由!—■2r&2S圖4.6拱橋二階振型4結(jié)果分析(1)頻率在記錄的振動(dòng)波形曲線上，可根據(jù)時(shí)標(biāo)符號(hào)直接計(jì)算出結(jié)構(gòu)的頻率f:/Lnf=IS式中：L——兩個(gè)時(shí)標(biāo)符號(hào)間的距離；n 波數(shù)；S——n個(gè)波長(zhǎng)的距離；t 時(shí)標(biāo)的間隔。(2)阻尼比橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性一般采用對(duì)數(shù)衰減率5或阻尼比匚來(lái)表示。由振動(dòng)理論可知，對(duì)數(shù)衰減率為：5=1ln土=1之代n"]nJ]_。2式中： 相鄰振動(dòng)峰值比。ui+1對(duì)于一般建筑材料，其阻尼比都很小，故：。^二=二血土2兀2兀nui+1(3)振型分析將若干測(cè)振傳感器安裝在結(jié)構(gòu)的各有關(guān)部位，當(dāng)跑車時(shí)，同時(shí)記錄結(jié)構(gòu)各部位的振幅和相位，比較各測(cè)點(diǎn)的振幅及相位即可繪出振型曲線。五概念1功率譜功率譜是用以表示振動(dòng)信號(hào)在某頻段的能量成分，對(duì)于能量無(wú)限的信號(hào)，只要它的功率是有限的，就可以用功率譜密度函數(shù)來(lái)描述，它表示在頻域內(nèi)的頻率結(jié)構(gòu)。功率譜適用于有限或無(wú)限的信號(hào)，它表示在整個(gè)過(guò)程中單位時(shí)間、單位頻率間隔中能量流的平均值。在FFT分析的基礎(chǔ)上，可按下式關(guān)系求得自功率譜公I(xiàn)、 1 A 2式 S(明=lim—EX(w,T)x T*2T式中：Sx(w)一平穩(wěn)過(guò)程X(t)的功率譜密度；X(W,T)一平穩(wěn)過(guò)程X(t)的Fourier變換。功率譜密度Sx(W)通常也簡(jiǎn)稱為自譜密度或譜密度，他是從頻率角度描述X(t)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的最主要的數(shù)字特征，物理意義表示X(t)的平均功率關(guān)于頻率的分布。平均次數(shù)越多，譜估計(jì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小。2自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)是信號(hào)處理、時(shí)間序列分析中常用的數(shù)學(xué)工具，是兩個(gè)時(shí)間序列之間和同一個(gè)時(shí)間序列在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度。在信息分析中，通常將自相關(guān)函數(shù)稱之為自協(xié)方差方程。設(shè)X(t)和X(t)是隨機(jī)過(guò)程X(t)在任意兩個(gè)時(shí)刻t和t的狀態(tài)，1 2 1 2f(x,x;t,t)是相應(yīng)的二維概率密度，則隨機(jī)過(guò)程X(t)的自相關(guān)函數(shù)為：2 1212R(t,t)=E[x(t)X(t)]=J"Axxf(x,x;t,t)dxdxX12 1 2 …"122121212R值可正可負(fù)，但恒為偶函數(shù)，即R(-t)=R(T)，且在t=0時(shí)取最大值R(0)=w:此外，由于任何周期性信號(hào)的自相關(guān)也是周期性的，因此，可以采用自相關(guān)函數(shù)特性從噪聲中檢測(cè)周期性的分量。一般隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)為0，周期性分量的自相關(guān)函數(shù)不為零。3互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)是信號(hào)分析里的概念，表示的是兩個(gè)時(shí)間序列之間和同一個(gè)時(shí)間序列在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度，即互相關(guān)函數(shù)是描述隨機(jī)信號(hào)x(t)，y(t)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻t1，七的取值之間的相關(guān)程度。描述兩個(gè)不同的信號(hào)之間的相關(guān)性的函數(shù)，這兩個(gè)信號(hào)不一定是隨機(jī)信號(hào)。設(shè)互相關(guān)函數(shù)R是表示兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)x(t)，y(t)相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)量。其定義1為： R(t)=limjTx(t)y(t+t)dTx，y JT0如果x(t)=y(t)，則R(t)成為RJt)的自相關(guān)函數(shù)。R(t)雖也是可正可負(fù)的實(shí)值函數(shù)，但不一定在t=0時(shí)有最大值，也不一定是偶函數(shù)。但其在x和y互換時(shí)，R(T)是對(duì)稱于縱軸的，即R(-T)=R(T)而且 |R(t)|<2[R(0)+R(0)]R(T)|2<R(0)R(0)互相關(guān)函數(shù)的上述性質(zhì)在工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，在混有周期成分的信號(hào)中提取特定的頻率成分；以及線性定位和相關(guān)測(cè)速。4相干函數(shù)相十函數(shù)是表示兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程之間的線性相關(guān)性，在時(shí)域上用互相關(guān)函數(shù)，在頻域上用互譜密度函數(shù)進(jìn)行描述，在頻域上也可以用相干函數(shù)描述這種線性相關(guān)性。V2(/)=隊(duì)(刊2x^ Gxx(f)Gy(f)式中：0^(f)、G(f)一非零且無(wú)5函數(shù)的自譜密度函數(shù);Gxy(f)—互譜密度函數(shù)。相干函數(shù)的值總在。?1之間。當(dāng)它接近1時(shí)，說(shuō)明和有良好的線性因果關(guān)系；當(dāng)它明顯小于1時(shí)，說(shuō)明信號(hào)受到干擾噪聲的“污染”或系統(tǒng)具有非線性特性。5傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)是零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)(即輸出)量的拉普拉斯變換與激勵(lì)(即輸入)量的拉普拉斯變換之比。傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基本數(shù)學(xué)工具之一，經(jīng)典控制理論的主要研究方法頻率響應(yīng)法和根軌跡法都是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)之上。振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在頻率域內(nèi)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。若系統(tǒng)的輸入為%")(例如力信號(hào))，輸出為y°)(例如加速度、速度或位移信號(hào))，它們的傅立葉變換分別為X(