機(jī)械振動系統(tǒng)課件

機(jī)械振動的測試

機(jī)械振動的測試1第一節(jié)振動的概念從狹義上說，通常把具有時間周期性的運(yùn)動稱為振動。從廣義上說，任何一個物理量在某一數(shù)值附近作周期性的變化，都稱為振動。力學(xué)量（如位移）機(jī)械振動電磁振動電磁量（如I、V、E、B）第一節(jié)振動的概念從狹義上說，通常把具有時間周期性的運(yùn)動稱為2機(jī)械振動機(jī)械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往復(fù)的運(yùn)動。機(jī)械振動系統(tǒng)，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機(jī)械振動系統(tǒng)。構(gòu)成機(jī)械振動系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動持續(xù)下去的性質(zhì)，恢復(fù)性就是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，阻尼就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。這三個基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量M、剛度K和阻尼C表征。機(jī)械振動機(jī)械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往復(fù)的運(yùn)動。3

系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)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稱為強(qiáng)迫振動．自由振動問題雖然比強(qiáng)迫振動問題單純但自由振動反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有信息，是研究強(qiáng)迫振動的基礎(chǔ)．第二節(jié)機(jī)械振動的類型系統(tǒng)僅受到初始條件(初始位移、初始速度)的激勵而引起的4單自由度系統(tǒng)

在簡化模型中，振動體的位置或形狀只需用一個獨立坐標(biāo)來描述的系統(tǒng)稱為單自由度系統(tǒng)。單自由度系統(tǒng)在簡化模型中，振動體的位置或形狀只需用一個5單自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)xok運(yùn)動學(xué)特征動力學(xué)特征

由微分方程特征

以彈簧振子為例得出普遍結(jié)論：單自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)xok運(yùn)動學(xué)特征動力學(xué)特征由6加速度速度vtxa解可得位移振動方程加速度速度vtxa解7常數(shù)A和j的確定說明：(1)一般來說j的取值在－π和π(或0和2π)之間；(2)在應(yīng)用上面的式子求j時，一般來說有兩個值，還要由初始條件來判斷應(yīng)該取哪個值；(3)常用方法：由求A，然后由x0=Acosjv0=-Aωsinj兩者的共同部分求j。常數(shù)A和j的確定說明：求A，然后由8

(1)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，(2)自由振動的角頻率即系統(tǒng)的自然頻率僅由系統(tǒng)本身的參數(shù)所確定，而與外界激勵、初始條件等均無關(guān)．(3)無阻尼自由振動的周期為(4)自由振動的振幅X和初相角由初始條件所確定。(5)單自由度無阻尼系統(tǒng)的自由振動是等幅振動。(1)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9有阻尼系統(tǒng)的自由振動通解為：有阻尼系統(tǒng)的自由振動通解為：102.復(fù)合周期振動復(fù)合周期振動是由兩個或兩個以上的頻率之比為有理數(shù)的簡諧振動復(fù)合而成。2.復(fù)合周期振動復(fù)合周期振動是由兩個或兩個以上的頻率之113.準(zhǔn)周期振動準(zhǔn)周期振動是由頻率比不全為有理數(shù)的簡諧振動疊加而成。3.準(zhǔn)周期振動準(zhǔn)周期振動是由頻率比不全為有理數(shù)的簡諧124.瞬態(tài)振動、沖擊瞬態(tài)振動是指在極短時間內(nèi)僅持續(xù)幾個周期的振動。沖擊是單個脈沖。特點：過程突然發(fā)生，持續(xù)時間短，能量很大。通常它由零到無限大的所有頻率的諧波分量構(gòu)成。4.瞬態(tài)振動、沖擊瞬態(tài)振動是指在極短時間內(nèi)僅持續(xù)幾個周期的135.隨機(jī)振動沒有確定的周期，振動量與時間也無一定的關(guān)系。5.隨機(jī)振動沒有確定的周期，振動量與時間也無一定的關(guān)14實例機(jī)器與基礎(chǔ)的振動實例機(jī)器與基礎(chǔ)的振動15機(jī)械振動系統(tǒng)課件16單自由度系統(tǒng)的受迫振動1.由作用在質(zhì)量塊上的力所引起的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動1.由作用在質(zhì)量塊上的力所引起的受迫17機(jī)械振動系統(tǒng)課件18機(jī)械振動系統(tǒng)課件191.不管系統(tǒng)的阻尼比是多少，在時位移始終落后于激勵力90o現(xiàn)象，稱為相位共振。2.率1.不管系統(tǒng)的阻尼比是多少，在時位202.由基礎(chǔ)運(yùn)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(chǔ)的運(yùn)動所引起的。這種情況稱位移激勵。設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為x(t)，質(zhì)量塊m的絕對位移為y(t)，如圖所示?？疾熨|(zhì)量塊M對基礎(chǔ)的相對運(yùn)動，則M的相對位移的(y-x)。其運(yùn)動方程為：2.由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動在許多情況下，振動系21機(jī)械振動系統(tǒng)課件22機(jī)械振動系統(tǒng)課件23第二節(jié)振動的激勵和激振器根據(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(yīng))，就可以求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也即動態(tài)特性。振動系統(tǒng)測試就是求取系統(tǒng)輸入和輸出的一種試驗方法。為了完成上述測試任務(wù)，一般說來測試系統(tǒng)應(yīng)該包括下述三個主要部分：第二節(jié)振動的激勵和激振器根據(jù)第一章的討論，如果知道了系統(tǒng)的241)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)拾振部分檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號)。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。3)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近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。1)激勵部分25激振器(一）電動式激振器當(dāng)Fi以簡諧規(guī)律變化時，則作用在激振對象上的力F也為同頻率的簡諧力，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)．激振器(一）電動式激振器當(dāng)Fi以簡諧規(guī)律變化時，則作用在激振26

為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：在高頻激振時，往往用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l／3；在低頻激振時，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。激振器安裝原則：為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵上,在激振時最27（二）電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為500－800Hz。（二）電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為5028

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(fù)的正弦激勵，應(yīng)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(yīng)該由直流與交流兩部分組成，即:激振器是由通入線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場，29而由電磁理論知道，電磁鐵所產(chǎn)生的磁力正比于所通過電流的平方，即有式中a為比例系數(shù)，與電磁鐵的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料與氣隙的大小有關(guān)．在A《I0的情況下，上式右邊第三項可略去，得如果條件A《I0不成立，則將在激振力中引入二次諧波:而由電磁理論知道，電磁鐵所產(chǎn)生的磁力正比于所通過電流的平方，30（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(diào)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(zhì)量和錘擊被測系統(tǒng)時的運(yùn)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(diào)整激勵頻率范圍，通常使用一套不同材料的錘頭。（三）脈沖錘脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵力的激31機(jī)械振動系統(tǒng)課件32當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)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，上限額率fe越高。當(dāng)用脈沖錘進(jìn)行沖擊激勵時，它相當(dāng)于對被測系統(tǒng)施加了一33第三節(jié)振動的激勵一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法

這是一種測量頻率響應(yīng)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(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點處的頻率響應(yīng)的大小。

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)由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計組成。第三節(jié)振動的激勵一、穩(wěn)態(tài)正弦激勵方法34二、瞬態(tài)激勵方法瞬態(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(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。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。二、瞬態(tài)激勵方法瞬態(tài)激勵方法給被測系統(tǒng)提供的激勵信35(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T內(nèi)成線性增加，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(dá)到寬頻帶激勵的目的。(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36機(jī)械振動系統(tǒng)課件37(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(jìn)行敲擊，給系統(tǒng)施加一個脈沖力，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。(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(jìn)38(三)階躍松馳激勵

1、階躍松弛激勵定義2、特點：由于階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，階躍函數(shù)引起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)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(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。(三)階躍松馳激勵1、階躍松弛激勵定義39三、隨機(jī)激勵方法(一)純隨機(jī)激勵

理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個時間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。三、隨機(jī)激勵方法(一)純隨機(jī)激勵40(二)偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)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(fù)性。將白噪聲在T內(nèi)截斷，然后按周期T反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。(二)偽隨機(jī)激勵偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，41機(jī)械振動系統(tǒng)課件42第四節(jié)測振傳感器分類：接觸式和非接觸式按殼體的固定方式可分為相對式和絕對式。機(jī)械振動是一種物理現(xiàn)象，而不是一個物理參數(shù)，和振動相關(guān)的物理量有振動位移、振動速度、振動加速度等，所以振動測試是對這些振動量的檢測，它們反映了振動的強(qiáng)弱程度。第四節(jié)測振傳感器分類：接觸式和非接觸式431、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型和特性分析（一）力學(xué)模型和運(yùn)動方程式1、慣性式測振傳感器的力學(xué)模型和特性分析（一）力學(xué)模型和運(yùn)動44（二）慣性式位移傳感器的響應(yīng)條件慣性式位移傳感器的輸出位移zm反映被測振動的位移量xm（二）慣性式位移傳感器的響應(yīng)條件慣性式位移傳感器的輸出位移z45機(jī)械振動系統(tǒng)課件46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(jié)構(gòu)和元器件特性．后繼放大電路頻響等條件的限制，不能太高。下限測量頻率則受彈性元件的強(qiáng)度和質(zhì)量塊尺寸、重量等因素的限制，使

n不能太小。因此位移傳感器的頻率范圍是有限的。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47（三）慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件慣性式加速度傳感器的質(zhì)量塊相對位移Zm與被測振動的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移來反映被測振動的加速度大小。加速度傳感器的幅頻特性的表達(dá)式:（三）慣性式加速度傳感器的響應(yīng)條件慣性式加速度傳感器的質(zhì)量塊48機(jī)械振動系統(tǒng)課件491.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。2.此外，為使

n遠(yuǎn)大于被測振動頻率，加速度傳感器的尺寸、質(zhì)量可作得很小(小于1g)，從而對被測對象的附加影響也小。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502、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(zhì)量塊，當(dāng)殼體連同基座和被測對象一起運(yùn)動時，慣性質(zhì)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2、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(zhì)量51其中k1為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；其中ms為慣性質(zhì)量，mb為殼體或其座的質(zhì)量。

K為等效剛度，M為折算質(zhì)量。其中k1為彈簧剛度，k2為壓電元件的剛度；其中ms為慣性質(zhì)量52壓電元件表面產(chǎn)生的電荷Q為作用在壓電元件上的力F為:作用在壓電元件上的力F為:53機(jī)械振動系統(tǒng)課件54壓電式力傳感器壓電式力傳感器較加速度傳感器簡單，其結(jié)構(gòu)如圖所示。要測量的力通過鋼球1及鋼板2傳遞給壓電石英片3與4。產(chǎn)生的電荷由導(dǎo)線5及殼體6引出，送入前置放大器。產(chǎn)生的電荷直接與力F成正比。為獲得較大的電荷靈敏度，亦可將多片壓電片并聯(lián)。壓電式力傳感器壓電式力傳感器較加速度傳感器簡單，其結(jié)構(gòu)如圖553、磁電式速度傳感器3、磁電式速度傳感器564、電渦流測振傳感器4、電渦流測振傳感器57機(jī)械振動系統(tǒng)課件58第五節(jié)振動測量系統(tǒng)1、振動量的測量振動量通常指反映振動的強(qiáng)弱程度的量，亦即指振動位移，振動速度和振動加速度的大小。這三者之間存在著確定的微分或積分關(guān)系。第五節(jié)振動測量系統(tǒng)1、振動量的測量59機(jī)械振動系統(tǒng)課件602、固有頻率和阻尼的測量1.自由振動法

一個單自由度振動系統(tǒng)，若給予初始沖擊(其初速度為dz(0)／dt)或初始位移z0,則系統(tǒng)將在阻尼作用下作衰減自由振動。阻尼自由振動的曲線如圖所示2、固有頻率和阻尼的測量1.自由振動法61機(jī)械振動系統(tǒng)課件622.共振法前面已討論了單自由度系統(tǒng)的受迫振動。當(dāng)激振頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率時，振動響應(yīng)就急劇增大，位移共振：對于小阻尼系統(tǒng)：2.共振法位移共振：對于小阻尼系統(tǒng)：63機(jī)械振動系統(tǒng)課件64第六節(jié)抑制振動激發(fā)振動的力源或運(yùn)動源稱為振源，抑制振源是消除或減小振動的最積極、最徹底的“治本”措施.1．旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡廣義而言，機(jī)