第七章振動(dòng)課件

在現(xiàn)代企業(yè)管理制度中，除了對(duì)各種機(jī)械設(shè)備提出低振動(dòng)和低噪聲要求外，還需隨時(shí)對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制。為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)。這些都離不開(kāi)振動(dòng)測(cè)試。

振動(dòng)測(cè)試包括兩種方式：一是測(cè)量機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)，如振動(dòng)位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)，評(píng)定等級(jí)和尋找振源，對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè)。二是對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)，以便求得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應(yīng)和模態(tài)等。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)合理選擇測(cè)量參數(shù)，如振動(dòng)位移是研究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動(dòng)加速度與作用力或載荷成正比，是研究動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，人對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度又與能量和功率有關(guān)，并決定動(dòng)量的大小。第二節(jié)單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)

為了理解并正確選用測(cè)振、激振儀器的工作原理，有必要回顧單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)的原理。根據(jù)周期信號(hào)的分解和線性系統(tǒng)疊加性，有理由認(rèn)為正弦激勵(lì)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)是一種最基本的激勵(lì)，弄清楚振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)正弦激勵(lì)的響應(yīng)，也就容易理解一般激勵(lì)的作用了。所指的正弦激勵(lì)可以是力也可以是位移。下面分析單自由度振動(dòng)系統(tǒng)在兩類激勵(lì)下的響應(yīng)。一、質(zhì)量塊受力所引起的受迫振動(dòng)ZZZZ峰值二、由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng)在許多情況下，振動(dòng)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)是由基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)所引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為z1，質(zhì)量塊m的絕對(duì)位移為z0，則如圖慣性式拾振器的力學(xué)模型所示。質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)方程為：M(1)、如果考察質(zhì)量M的絕對(duì)振動(dòng)：9種(2)、如果考察質(zhì)量M對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)振動(dòng)：9種例1由幅頻特性可見(jiàn)，當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)于基礎(chǔ)的振動(dòng)幅值為零，這意味著質(zhì)量塊幾乎跟隨基礎(chǔ)一起振動(dòng)，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)極小。而當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)高于固有頻率時(shí)，A(ω)接近于1。這表明質(zhì)量塊和基礎(chǔ)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（輸出）與基礎(chǔ)的振動(dòng)（輸入）近于相等，說(shuō)明質(zhì)量塊在慣性坐標(biāo)中幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。例2同例1第三節(jié)振動(dòng)的激勵(lì)

一、穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振是最普遍的激振方法。它是對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，并測(cè)定振動(dòng)響應(yīng)與正弦力的幅值比與相位差。為測(cè)得整個(gè)頻率范圍的頻率響應(yīng)，必須改變激振力的頻率，這一過(guò)程稱為掃頻或掃描。值得注意的是必須采用足夠緩慢的掃描速度，以保證結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)之中，對(duì)于小阻尼系統(tǒng)，尤其應(yīng)該注意這一點(diǎn)。二、

隨機(jī)激勵(lì)

隨機(jī)激勵(lì)一般用偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，是一種寬帶激振的方法。它使被測(cè)對(duì)象在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生偽隨機(jī)振動(dòng)。與譜分析儀相配合，獲得被測(cè)對(duì)象的頻率響應(yīng)。

三、瞬態(tài)激振

瞬態(tài)激振也屬于寬帶激振法。目前常用的方法有：（一）、快速正弦掃描激振這種方式由于儀器設(shè)備的進(jìn)展應(yīng)用越來(lái)越廣。激振信號(hào)頻率在掃描周期T中呈線性地增大，但是幅值保持不變。激振函數(shù)為：…2TT3T激振力函數(shù)為：(二）、脈沖激振（1）、錘頭墊愈硬可以更換，其材料有鋼、銅、鋁、尼龍、橡膠。硬的，τ小，則激振力的頻率范圍大。使用適當(dāng)?shù)腻N頭墊材料可以得到所要求的頻帶寬度。（2）、改變配重的質(zhì)量和敲擊加速度，可調(diào)節(jié)激振力的大小。（3）、內(nèi)置壓電力傳感器(三）、階躍激振在擬定的激振點(diǎn)，用一根剛度大、重量輕的弦經(jīng)過(guò)力傳感器對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)施加張力，使之產(chǎn)生彈性變形。然后突然切斷弦，這就相當(dāng)于對(duì)該結(jié)構(gòu)施加一個(gè)負(fù)的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振。前面曾經(jīng)指出，理想階躍響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)即為脈沖響應(yīng)。在建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試中，這種激振方法用得相當(dāng)普遍。載荷第四節(jié)、激振器激振器是對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，激起試件振動(dòng)的裝置。一般激振器應(yīng)當(dāng)能夠在要求的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠和穩(wěn)定的交變力，某些情況下還需施加穩(wěn)定力。穩(wěn)定力能使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷，以便消除間隙或模擬某種穩(wěn)定力(如切削力的不變成分)。為了減小激振器質(zhì)量對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量使激振器體積小、重量輕。信號(hào)發(fā)生器功率放大器激振器一、電動(dòng)式激振器1、組成：彈簧、殼體、磁鋼、頂桿、磁極板、鐵芯和驅(qū)動(dòng)線圈等元件組成m被激試件NS2、模型：m—連接桿、連接骨架線圈、頂桿m被激試件NSK殼體和基礎(chǔ)的連接：（1）剛性，（2）彈性激振器m0基礎(chǔ)要求激振力的頻率遠(yuǎn)離f0，否則激振器發(fā)生共振，消耗能量因此（1）、高頻激振時(shí)：激振器試件激振器試件垂直激振水平激振（2）、低頻激振時(shí)：激振器試件激振器試件基礎(chǔ)水平激振垂直激振（3）、激振力要實(shí)測(cè)：激振器試件基礎(chǔ)測(cè)力環(huán)阻抗頭（4）、屬于接觸激振，有附加質(zhì)量的影響。二、電磁激振器電磁激振器的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行非接觸激振，對(duì)試件無(wú)附加質(zhì)量影響。此外，它的激振力大，工作頻率范圍寬，適用于對(duì)機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)激振。缺點(diǎn)是波形失真大、振幅小。

電磁激振器直接利用電磁鐵的磁力作為激振力。它有兩部分，不動(dòng)部分為U型或E型電磁鐵，在磁鐵上繞有直流和交流線圈，可動(dòng)部分為導(dǎo)磁的試件。激振器工作時(shí)，電磁鐵與試件組成閉合的磁回路，氣隙中的交變磁場(chǎng)使試件承受交變的電磁力，從而激起試件振動(dòng)。1、組成：鐵心、勵(lì)磁線圈、測(cè)力線圈—實(shí)測(cè)激振力。位移傳感器—實(shí)測(cè)試件和激振器之間的相對(duì)位移。2、原理：波形失真、幅值很小非線性系統(tǒng)，不具有頻率保持性靜態(tài)力激振力高頻誤差靜態(tài)力激振力加直流的作用第五節(jié)、振動(dòng)測(cè)量方法及測(cè)振傳感器振動(dòng)測(cè)量方法按振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后的形式可分為：電測(cè)法、機(jī)械法和光學(xué)法。

名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)電測(cè)法將被測(cè)振動(dòng)量轉(zhuǎn)化成電量，然后用電量測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。靈敏度高，頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、線性范圍寬。易受電磁干擾。目前應(yīng)用廣泛。機(jī)械法利用杠桿原理將振動(dòng)量放大后直接記錄下來(lái)?？垢蓴_，頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、線性范圍窄，有負(fù)載效應(yīng)。適合低頻大振幅測(cè)量。光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光干涉原理等進(jìn)行測(cè)量?？垢蓴_，精度高，非接觸測(cè)量。多用于精密測(cè)量，傳感器和測(cè)振儀的校準(zhǔn)、定度。目前廣泛使用的是電測(cè)法。本節(jié)主要討論電測(cè)法的拾振器(即測(cè)振用的傳感器)。按測(cè)振時(shí)拾振器是否與被測(cè)件接觸可將拾振器分為兩類:接觸式與非接觸式。電容傳感器、渦流傳感器常用于振動(dòng)位移的非接觸測(cè)量。按所測(cè)的振動(dòng)性質(zhì)可將拾振器分為:絕對(duì)式和相對(duì)式。絕對(duì)式拾振器的輸出描述被測(cè)物的絕對(duì)振動(dòng);相對(duì)式拾振器的輸出則描述被測(cè)物之間的相對(duì)振動(dòng)。按振動(dòng)參數(shù)分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。一、渦流位移傳感器1、相對(duì)式。測(cè)量的是相對(duì)位移。2、傳感器具有線性范圍大、靈敏度高、頻率范圍寬(從直流到數(shù)千赫)、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響。3、非接觸式測(cè)量。4、表面粗糙度對(duì)測(cè)量幾乎無(wú)影響，但表面微裂縫和被測(cè)材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率對(duì)靈敏度有影響。5、被測(cè)件是小圓柱體則其直徑與線圈直徑之比對(duì)靈敏度也有影響。6、測(cè)試前最好用和試件材料相同的樣件在校準(zhǔn)裝置上直接校準(zhǔn)以取得特性曲線，并確定安裝間隙。

分為：1、磁電式絕對(duì)速度計(jì)

2、磁電式相對(duì)速度計(jì)

（一）、磁電式絕對(duì)速度計(jì)（屬于慣性拾振器）一次敏感元件敏感元件二、磁電式速度傳感器1、組成：1、彈簧片2、磁靴3、阻尼杯6、磁鋼7、線圈8、線圈架9、彈簧片mNSm—芯軸、線圈架、阻尼環(huán)、線圈2、原理輸入輸出傳感器輸入輸出傳感器敏感元件：磁電式一次敏感元件：慣性系統(tǒng)同例2+反向器3、應(yīng)用：（二）、磁電式相對(duì)速度計(jì)（不屬于慣性拾振器）將殼體固定在一試件上，通過(guò)壓縮彈簧片，使頂桿以F力頂住另一試件，則線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度，速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成比例。

x彈簧特性輸出的電荷量與輸入的加速度成正比三、壓電式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)形式S是彈簧，M是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。

多功能轉(zhuǎn)子臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀2、原理輸入輸出傳感器m—質(zhì)量塊m壓電晶體輸入輸出傳感器慣性系統(tǒng)彈性系統(tǒng)慣性系統(tǒng)彈性系統(tǒng)3、分析鋼螺栓31kHz絕緣螺栓28kHz薄臘層29kHz粘結(jié)劑10kHz粘結(jié)螺栓10kHz磁鐵7kHz探針2kHz4、壓電加速度計(jì)的靈敏度壓電傳感器可以看成電荷源，也可以看成電壓源。因此它的靈敏度可以用電荷靈敏度（Sq）或電壓靈敏度（Su）表示：被測(cè)對(duì)象傳感器前置放大器四、伺服式加速度傳感器1、組成：質(zhì)量塊、彈簧、位移傳感器、放大器力發(fā)生器：線圈、磁鐵2、原理：位移傳感器、放大器慣性系統(tǒng)M位移傳感器放大器力發(fā)生器慣性系統(tǒng)位移傳感器、放大器3、特點(diǎn)：固有頻率高，線性范圍廣，測(cè)量精度高。五、壓阻式加速度計(jì)應(yīng)變式加速度計(jì)屬于慣性式傳感器。它主要由殼體，質(zhì)量塊，應(yīng)變梁組成，內(nèi)部用硅油做阻尼劑。質(zhì)量塊固定在應(yīng)變梁的懸臂端，梁上安裝了應(yīng)變片，測(cè)量其彎曲應(yīng)變。當(dāng)傳感器受到與應(yīng)變梁垂直方向的振動(dòng)時(shí)，若滿足f<<fn及ζ=0.7的條件，應(yīng)變值與傳感器的加速度成正比。此種傳感器的低頻響應(yīng)好，例如BAR-6型傳感器，固有頻率為150Hz，可測(cè)頻率范圍為0～100Hz，可測(cè)加速度達(dá)2g。

六、阻抗頭在激振試驗(yàn)中還常用一種名為阻抗頭的裝置，它裝在激振器頂桿和試件之間。阻抗頭前端是力傳感器，后面為測(cè)量激振點(diǎn)響應(yīng)的加速度計(jì)。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)使兩者盡量接近。激振器試件基礎(chǔ)阻抗頭七、測(cè)振傳感器的合理選擇1、直接測(cè)量參數(shù)的選擇：作為拾振器的被測(cè)量是位移、速度或加速度。它們是頻率的等比數(shù)列，能通過(guò)微積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的換算?？紤]到低頻時(shí)加速度的幅值和高頻時(shí)位移的幅值有時(shí)可小到與測(cè)量噪聲相當(dāng)?shù)某潭?，因此如用加速度?jì)測(cè)量低頻振動(dòng)的位移，會(huì)因低信噪比使測(cè)量不穩(wěn)定和增大測(cè)量誤差，不如直接用位移拾振器更合理。用位移拾振器測(cè)高頻位移有類似的情況發(fā)生。對(duì)于微積分放大器，因它的輸入飽和量是隨頻率變化的，帶有二次積分網(wǎng)絡(luò)的電荷放大器，其加速度、速度、位移的可測(cè)量程和頻率范圍隨積分次數(shù)的增加而減小，使用中要充分注意這一點(diǎn)。傳感器選擇時(shí)還應(yīng)力圖使最重要的參數(shù)能以最直接、最合理的方式測(cè)得。例如考察慣性力可能導(dǎo)致的破壞或故障時(shí)，宜作加速度測(cè)量;考察振動(dòng)環(huán)境(振動(dòng)烈度以振動(dòng)速度的均方根值來(lái)描述)時(shí)，宜作振動(dòng)速度的測(cè)量;要監(jiān)測(cè)機(jī)件的位置變化時(shí)，宜選用電渦流或電容傳感器作位移的測(cè)量。

2、要綜合考慮傳感器的頻率范圍、量程、靈敏度等指標(biāo)

各種拾振傳感器都受其結(jié)構(gòu)的限制而有其自身適用的頻率范圍，在前面已作過(guò)詳細(xì)論述。對(duì)于慣性式拾振器，一般重量大的拾振器上限頻率低、靈敏度高;重量輕的拾振器上限頻率高、靈敏度低。以壓電加速度計(jì)為例，作超低振級(jí)測(cè)量的都是重量超過(guò)100g靈敏度很高的加速度計(jì)，作高振級(jí)(如沖擊)測(cè)量的都是小到幾克或零點(diǎn)幾克的加速度計(jì)。

3、要考慮具體使用的環(huán)境要求、價(jià)格、壽命、可靠性、維修、校準(zhǔn)等。

例如激光測(cè)振盡管有很高的分辨力和測(cè)量精確度，由于對(duì)環(huán)境(隔振)要求極嚴(yán)、設(shè)備又極昂貴，它只適用于實(shí)驗(yàn)室作精密測(cè)量或校準(zhǔn)。電渦流和電容傳感器均屬非接觸式，但前者對(duì)環(huán)境要求低而被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)器振動(dòng)的測(cè)最中。如大型汽輪發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)中用的拾振器、要能在高溫、油污、蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作，常選用電渦流傳感器。對(duì)相位有嚴(yán)格要求的振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目(如作虛實(shí)頻譜，幅相圖、振型等測(cè)量)，除了應(yīng)注意拾振器的相頻特性外，還要注意放大器，特別是帶微積分網(wǎng)絡(luò)放大器的相頻特性和測(cè)試系統(tǒng)中所有其他儀器的相頻特性，因?yàn)闇y(cè)得的激勵(lì)和響應(yīng)之間的相位差包括了測(cè)試系統(tǒng)中所有儀器的相移。第六節(jié)、振動(dòng)的分析方法與儀器從拾振器檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)和激振點(diǎn)檢測(cè)到的力信號(hào)需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?，可提取各種有用的信息。最簡(jiǎn)單的指示振動(dòng)量的測(cè)振儀把拾振器測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)以位移、速度或加速度的單位指示出它們的峰值，峰--峰值、平均值或有效值。這類儀器一般包括微積分電路、放大器、電壓檢波和表頭，它只能獲得振動(dòng)強(qiáng)度（振級(jí)）的信息，而不能獲得振動(dòng)其他方面的信息。為了獲得更多的信息，常將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。時(shí)域記錄只能給出振動(dòng)強(qiáng)度的概念，經(jīng)過(guò)頻譜分析則可以估計(jì)其振動(dòng)的根源，因此可以用于故障分析和診斷。在用激振方法研究機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性時(shí)需要將所測(cè)振動(dòng)和振動(dòng)激勵(lì)聯(lián)系起來(lái)以求出系統(tǒng)的幅、相頻特性。某外圓磨床在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作臺(tái)的橫向振動(dòng)的記錄曲線

27.5Hz是砂輪不平衡所引起的振動(dòng)，329Hz則是由于油泵脈動(dòng)所引起。50,100和150Hz的振動(dòng)都和工頻干擾及電動(dòng)機(jī)振動(dòng)有關(guān)。500Hz以上的高頻振動(dòng)原因比較復(fù)雜，有軸承噪聲也有其它振源，有待進(jìn)一步試驗(yàn)和分析。1020501002005001000最簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)振動(dòng)計(jì)振動(dòng)物體加速度計(jì)一、常用振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量記錄系統(tǒng)電荷放大器磁帶記錄儀加速度計(jì)電荷放大器磁帶記錄儀分析儀常用測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器功放激振器測(cè)試對(duì)象傳感器中間轉(zhuǎn)換電路振動(dòng)分析儀器記錄儀器隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器功放激振器測(cè)試對(duì)象壓電加速度計(jì)電荷放大器振動(dòng)分析儀器記錄儀器第七節(jié)、機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)的估計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的主要參數(shù)是其固有頻率、阻尼比和振型等。實(shí)際上一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)模型都是多自由度的，它有多個(gè)固有頻率，在幅頻特性曲線上會(huì)出現(xiàn)許多"共振峰"。一般說(shuō)來(lái)，系統(tǒng)的這些特性與激振方式、測(cè)點(diǎn)布置無(wú)關(guān)。在多自由度線性振動(dòng)系統(tǒng)中，任何一點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)可認(rèn)為是反映該系統(tǒng)特性的多個(gè)單自由度系統(tǒng)響應(yīng)的疊加。對(duì)于小阻尼系統(tǒng)，在某個(gè)固有頻率附近與其相對(duì)應(yīng)的該階振動(dòng)響應(yīng)特別大，以致可以忽略其它各階振動(dòng)響應(yīng)，并以該階振動(dòng)響應(yīng)來(lái)代替系統(tǒng)的總響應(yīng)。因此，本節(jié)只討論單自由度振動(dòng)參數(shù)—固有頻率和阻尼比的估計(jì)。這些方法可用來(lái)近似地估計(jì)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。至于多自由度系統(tǒng)的振型則依靠布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)并在系統(tǒng)的各個(gè)固有頻率條件下來(lái)測(cè)定各點(diǎn)的振動(dòng)而后確定之。測(cè)定單自由度系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，常用自由振動(dòng)法和共振法。

一、自由振動(dòng)法：見(jiàn)第二章

二、共振法：1、從幅頻曲線進(jìn)行估計(jì)

當(dāng)阻尼比比較小時(shí)：2、從相頻曲線進(jìn)行估計(jì)

從單自由度受迫振動(dòng)的位移響應(yīng)的相頻可以看到，不管阻尼比大小如何，當(dāng)激振頻率和固有頻率相同時(shí)，位移的相角滯后總是90o，因此通過(guò)所測(cè)得的相頻曲線可以直接確定系統(tǒng)的固有頻率。

因此從所測(cè)相頻特性曲線，求得