機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)性能4-5節(jié).ppt

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第4節(jié)激振設(shè)備,振動(dòng)激振設(shè)備主要是振動(dòng)臺(tái)和激振器。通常，激振器是安裝在被測(cè)物體上直接激振，從而產(chǎn)生一個(gè)干擾力并作用于被測(cè)結(jié)構(gòu)物上；而振動(dòng)臺(tái)是把被測(cè)物體裝在振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)變化的振動(dòng)位移，從而在被測(cè)物體上產(chǎn)生一個(gè)與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)位移相對(duì)應(yīng)的牽連慣性力而激振。激振設(shè)備產(chǎn)生干擾力使被測(cè)物體發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)在測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)被測(cè)物體所要求的強(qiáng)迫振動(dòng)形式。,激振設(shè)備種類很多，根據(jù)結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、電磁式、液壓式和壓電式等多種形式。,一、激振器,1、機(jī)械慣性式激振器,這種激振器是利用偏心質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)，使之產(chǎn)生周期變化的離心力，以起激振作用。由兩個(gè)帶偏心質(zhì)量而反向等速旋轉(zhuǎn)的齒輪結(jié)構(gòu)組成的機(jī)械慣性式激振器如圖,慣性式激振器示意圖,偏心質(zhì)量齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩質(zhì)量的慣性力的合力在鉛區(qū)直方向以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，在水平方向合力為零，則激振力的大小,使用時(shí)，將激振器固定在被測(cè)物體上，激振力帶動(dòng)物體一起振動(dòng)。此類激振器一般都用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)干擾力的頻率。,這種激振器的優(yōu)點(diǎn)是，制造簡(jiǎn)單，能獲得從較小到很大的激振力（0至幾千公斤）；缺點(diǎn)是工作頻率范圍很窄，一般為0至100Hz。由于受轉(zhuǎn)速的影響，激振力大小無法單獨(dú)控制，另外，機(jī)械慣性式激振器本身質(zhì)量較大，對(duì)被激振系統(tǒng)的固有頻率有一定影響，且安裝使用很不方便。,2、電磁式激振器,電磁式激振器是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并將其傳遞給試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的一種儀器。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖,電磁式激振器由磁路系統(tǒng)（包括勵(lì)磁線圈、中心磁級(jí)、磁極板）與動(dòng)圈、彈簧、頂桿、外殼等組成。動(dòng)圈固定在頂桿上，處在中心磁極與磁極板之間的空氣氣隙中；頂桿由彈簧支撐，工作時(shí)頂桿處于限幅器的中間，彈簧與殼體相連接。,在勵(lì)磁線圈中輸人直流電流，使中心磁極在磁極板的空氣氣隙中形成一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)；同時(shí)再給動(dòng)圈輸人一個(gè)交變電流Ie，電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的電磁感應(yīng)力,力F使頂桿作上下運(yùn)動(dòng)，由頂桿傳給試件的激振力是電磁感應(yīng)力F和可動(dòng)部分的慣性力、彈性力、阻尼力等的合力。但由于激振器的可動(dòng)部分質(zhì)量很小，彈簧較軟（激振器彈簧通常做成失穩(wěn)狀態(tài)，即在一定范圍內(nèi)，彈簧力不隨彈簧變形而改變），所以在一般情況下，其慣性力、彈性力和阻尼力可以忽略。當(dāng)輸人動(dòng)圈內(nèi)的電流Ie。以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化時(shí)，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化。,使用這種激振器時(shí)，是將它放置在相對(duì)于被測(cè)試物體靜止的地面上，并將頂桿頂在被測(cè)試物體的激振處，頂桿端部與被測(cè)試物體之間要有一定的預(yù)壓力，使頂桿處于限幅器中間，且要注意滿足相應(yīng)的跟隨條件式。激振前頂桿應(yīng)處于振動(dòng)的平衡位置，這樣激振器的可動(dòng)部分和固定部分才不發(fā)生相應(yīng)的碰撞。,與電磁式激振器配套使用的儀器有信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和直流穩(wěn)壓電源。連接方框圖如圖所示。（磁場(chǎng)采用永久磁鐵產(chǎn)生時(shí)，激振器不需要直流電源。）,電磁式激振器系統(tǒng)連接示意方框圖,信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生一定形式、一定頻率范圍和一定大小振動(dòng)信號(hào)的設(shè)備，并向多功能形式發(fā)展，即同一信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生多種振動(dòng)信號(hào)，正弦、脈沖（分波、三角波）隨機(jī)和瞬態(tài)隨機(jī)等多種激振信號(hào)。功率放大器是將信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，給激振器提供與電壓信號(hào)成正比的電流，以使電磁式激振器產(chǎn)生符合要求的激振力。,電磁式激振器的優(yōu)點(diǎn)是能獲得較寬頻帶（從零赫茲到1萬赫茲）的激振力，即產(chǎn)生激振力的頻率范圍較寬。而可動(dòng)部分質(zhì)量較小，從而對(duì)被測(cè)物體的附加質(zhì)量和附加剛度較小，使用也方便。因此，應(yīng)用比較廣泛，但這種激振器的缺點(diǎn)是不能產(chǎn)生太大的激振力。電磁式激振器的安裝方式有許多種，一般以下面三種安裝方式為主。,1激振器固定安裝方式如圖所示，這種固定方式要求安裝后，激振系統(tǒng)的共振頻率要高于激振器工作頻率的3-4倍以上。為此，應(yīng)盡可能采用剛性較好的支架。在這種情況下，傳遞給試件的激振力就等于驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的電磁感應(yīng)力F。,激振器固定安裝方式,2彈性懸掛安裝方式用彈簧或橡皮繩將激振器懸掛在支架上，如圖所示。它要求安裝頻率要遠(yuǎn)低于激振器的工作頻率。此時(shí)施加于試件的激振力近似地等于驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的電磁感應(yīng)力F。用手握激振器對(duì)試件做激振試驗(yàn)就屬于這種安裝方式，一般手握激振器的固有頻率大約為2Hz一3Hz。,激振器懸掛安裝方式,3彈性安裝方式彈性安裝方式如圖示，它適用于試驗(yàn)物體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于激振器的質(zhì)量，激振器的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安裝共振頻率的情況。,激振器彈性安裝方式,從以上三種安裝方式可以看出，激振器都通過激振頂桿和試件剛性地連接在一起，或者通過預(yù)壓力和試件連接起來。這樣，試件就等于在激振點(diǎn)處附加了一定的質(zhì)量、剛度和阻尼，它對(duì)試件的動(dòng)態(tài)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此激振器的選擇原則是以能激起試件振動(dòng)為前提，盡量選用功率小、質(zhì)量小、剛度小的激振器。對(duì)于輕型結(jié)構(gòu)、剛度很弱（如薄板）的試件，則要采用非接觸式激振器激振為好。,二、振動(dòng)臺(tái),機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)有連桿偏心式和慣性離心式兩種。它們的工作原理如圖所示。慣性離心式振動(dòng)臺(tái)是基于旋轉(zhuǎn)體偏心質(zhì)量的慣性力而引起振動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)來工作的，其工作原理與離心式激振器的工作原理相同。連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)是基于偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過連桿機(jī)構(gòu)而使工作臺(tái)作交變正弦運(yùn)動(dòng)來工作的。振幅大小可用改變偏心距的大小來調(diào)節(jié)，頻率可用改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。,1、機(jī)械式振動(dòng)臺(tái),機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)的工作原理,由于機(jī)械摩擦和軸承損耗的影響，這種振動(dòng)臺(tái)頻率一般不能超過50Hz。連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠得到很低的頻率，且振幅與頻率的變化無關(guān)；主要缺點(diǎn)是不能進(jìn)行高頻激振，小振幅時(shí)失真度較大。一般來說，連桿偏心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為0.5Hz-20Hz；慣性離心式振動(dòng)臺(tái)的有效頻率范圍為10Hz-70Hz，且振幅在大于0.1mm以上時(shí)效果較好。機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)生比較大的振幅和激振力；缺點(diǎn)是頻率范圍小，振幅調(diào)節(jié)比較困難，機(jī)械摩擦易影響波形，使波形失真度較大。,2、電磁式振動(dòng)臺(tái),電磁式振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理與電磁式激振器極為相似，如圖示。它的驅(qū)動(dòng)線圈繞在線圈骨架上，通過連桿與臺(tái)面剛性連接，并由上下支撐彈簧懸掛在振動(dòng)臺(tái)的外殼上。振動(dòng)臺(tái)的固定部分是由高導(dǎo)磁材料制成的，上面繞有勵(lì)磁線圈，當(dāng)勵(lì)磁線圈通以直流電流時(shí)，磁缸的氣隙間就形成強(qiáng)大的恒定磁場(chǎng)，而驅(qū)動(dòng)線圈就懸掛在恒定磁場(chǎng)中。,電磁式振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖,電磁式振式臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是，噪音比機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)小，頻率范圍寬，振動(dòng)穩(wěn)定，波形失真度小，振幅和頻率的調(diào)節(jié)都比較方便。缺點(diǎn)是有漏磁場(chǎng)的影響，有些振動(dòng)臺(tái)低頻特性較差。電磁式振動(dòng)臺(tái)的外形如圖所示。,振動(dòng)臺(tái)的外形如圖,控制系統(tǒng)分為三路，一路是勵(lì)磁部分，它主要給勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電流而產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)；另一路是激勵(lì)部分，它主要由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器等組成，其輸出信號(hào)接到振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈上，以使其產(chǎn)生頻率和幅值均為可調(diào)的振動(dòng)信號(hào)；第三路是測(cè)量部分，其傳感器裝在臺(tái)體內(nèi)，測(cè)量放大器的輸出可接各種顯示和記錄設(shè)備。該部分用來測(cè)量臺(tái)面的位移、速度和加速度值。整個(gè)控制系統(tǒng)組裝在控制柜中。,3、液壓式振動(dòng)臺(tái),液壓式振動(dòng)臺(tái)是將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械，其原理如圖所示。,臺(tái)體由電動(dòng)力式驅(qū)動(dòng)裝置、控制閥、功率閥、液壓缸、高壓油路（供油管路）和低壓油路（回油管路）等主要部件組成。電動(dòng)力式驅(qū)動(dòng)裝置由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器供給驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)控制閥工作。由于液壓缸中的活塞同臺(tái)面相連接，控制閥與功率閥有多個(gè)進(jìn)出油孔，分別通過管路與液壓缸、液壓泵和油箱相連，這樣在控制閥的控制下，通過不斷改變油路就可使臺(tái)面按控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行工作。,實(shí)際的液壓振動(dòng)臺(tái)工作在閉環(huán)控制狀態(tài)，它的控制系統(tǒng)方框圖如圖所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)與各反饋回路傳感器測(cè)量得到的閥位移、液壓脈動(dòng)及臺(tái)面位移信號(hào)一起在控制部分進(jìn)行處理，最后產(chǎn)生誤差信號(hào)送到電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)線圈中，然后經(jīng)控制閥和功率閥使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生穩(wěn)定的振動(dòng)。,液壓振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)方框圖,由于液壓振動(dòng)臺(tái)可比較方便地提供大的激振力，臺(tái)面能承受大的負(fù)載，因此一般都做成大型設(shè)備，以適應(yīng)大型結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)。它的工作頻率段下限可低至零赫，上限可達(dá)幾百赫。由于臺(tái)面由高壓油推動(dòng)，因而避免了漏磁對(duì)臺(tái)面的影響。但是，臺(tái)面的振動(dòng)波形直接受油壓及油的性能的影響。因此，壓力的脈動(dòng)、油液受溫度的影響等都將直接影響臺(tái)面的振動(dòng)波形。所以，與電磁式振動(dòng)臺(tái)相比，它的波形失真度相對(duì)來說要大一些。,四、其它激振方法,1、磁動(dòng)式激振器,磁動(dòng)式激振器是一種非接觸式激振器。一般輕型結(jié)構(gòu)或質(zhì)量小、剛度很弱的試件進(jìn)行激振試驗(yàn)時(shí)常采用它，它對(duì)被激勵(lì)的物體的動(dòng)態(tài)特性沒有什么影響。,磁動(dòng)式激振器原理圖,磁動(dòng)式激振器激振力變化曲線,2、壓電晶體片激振,把晶體片用502膠或914膠粘貼在試件上（一般粘貼在應(yīng)變最大處），利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，在晶體片的兩個(gè)極面上加一正弦的交變電壓，晶體片就會(huì)產(chǎn)生正弦交變的伸縮，該伸縮力作用在被測(cè)部件上，就可激勵(lì)它產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。若保持晶體片兩個(gè)極面上的電壓幅值不變，逐步改變電壓的頻率，使被激勵(lì)試件產(chǎn)生共振，從而就能找到共振頻率，并可測(cè)出幅頻曲線等振動(dòng)參數(shù)。,晶體片激振適用于比較小的輕型結(jié)構(gòu)及剛度很弱的連續(xù)體的激振，由于晶體片比較小，對(duì)激振系統(tǒng)帶來的附加質(zhì)量和附加剛度也比較小。,3、力錘及應(yīng)用,力錘又稱手錘，是目前試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中經(jīng)常采用的一種激勵(lì)設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)有兩種形式，如圖所示。它由錘帽、錘體和力傳感器等幾個(gè)主要部件組合而成。當(dāng)用力錘敲擊試件時(shí)，沖擊力的大小與波形由力傳感器測(cè)得并通過放大記錄設(shè)備記錄下來。因此，力錘實(shí)際上是一種手握式?jīng)_擊激勵(lì)裝置。使用不同的錘帽材料可以得到不同脈寬的力脈沖，相應(yīng)的力譜也不同。常用的錘帽材料有橡膠、尼龍、鋁、鋼等。使用不同的錘帽材料，力譜的帶寬不同。一般橡膠錘帽的帶寬窄，鋼最寬。因此，使用力錘激勵(lì)結(jié)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和分析頻帶選用不同的錘帽材料。,第5節(jié)基本振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量及儀器設(shè)備,本節(jié)將介紹振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)參數(shù)的一般測(cè)量方法，包括：簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率及振幅的測(cè)量、兩個(gè)同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)相位差的測(cè)量、衰減系數(shù)的測(cè)量以及用光學(xué)原理對(duì)振幅的測(cè)量。同時(shí)還對(duì)振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)該注意的問題及相應(yīng)的儀器設(shè)備的工作原理加以說明。,一、簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率的測(cè)量,1、李薩如圖形比較法,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。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。,使用李薩如圖形法測(cè)量振動(dòng)頻率的測(cè)量系統(tǒng)如圖示，它是把被測(cè)振動(dòng)信號(hào)送入示波器的垂直偏轉(zhuǎn)軸Y，而把已知頻率的比較電壓信號(hào)（由信號(hào)發(fā)生器提供）送人水平偏轉(zhuǎn)軸X，這時(shí)在電子示波器的顯示屏上將形成李薩如圖形。李薩如圖形，可用數(shù)學(xué)方法加以說明。,李薩如圖形測(cè)頻的實(shí)驗(yàn)框圖,此式是一個(gè)正橢圓方程，其李薩如圖形為一個(gè)正橢圓圖形。,通過頻譜分析儀對(duì)周期信號(hào)的頻率成分（諧波）的分析，從而測(cè)量出信號(hào)所包含的各次諧波頻率和幅值。這種方法是復(fù)雜周期信號(hào)頻率測(cè)量的主要方法。根據(jù)儀器選擇的不同，信號(hào)的分析頻率可從5Hz到20000Hz；頻率分辨能力可從若干赫提高到01Hz左右,2、用頻譜分析儀測(cè)量,將信號(hào)輸人儀器，可直接讀出信號(hào)的頻率值（和幅值）。這種方法使用方便，波形也不限于正弦波，但它要求被測(cè)信號(hào)基波頻率比較穩(wěn)定。頻率計(jì)數(shù)器有指針式和數(shù)字式兩種,3、用頻率計(jì)測(cè)量,將振動(dòng)信號(hào)與時(shí)標(biāo)信號(hào)同時(shí)記錄在紙帶上，根據(jù)時(shí)標(biāo)刻度即可計(jì)算出信號(hào)的頻率（或周期）。大多數(shù)記錄儀都有時(shí)標(biāo)信號(hào)，使用十分方便。這種方法的測(cè)量誤差比較大，但是它可以測(cè)定隨時(shí)間變化的振動(dòng)頻率，也可測(cè)量兩個(gè)以上隨時(shí)間變化的振動(dòng)頻率之間的關(guān)系；特別適用于試件作自由衰減振動(dòng)時(shí)固有頻率的測(cè)量,4、用記錄信號(hào)波形與時(shí)標(biāo)對(duì)比測(cè)量,用閃光燈照射物體，由小到大地調(diào)節(jié)閃光頻率，當(dāng)?shù)谝淮慰吹秸駝?dòng)物體好象靜止或緩慢移動(dòng)時(shí)，則閃光頻率就等于或近似等于物體的振動(dòng)頻率（或回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)頻率）。閃光測(cè)頻適用于較大的、明顯可見振動(dòng)位移的振動(dòng)物體的頻率測(cè)定。常用于測(cè)量回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)頻率,5、閃光測(cè)量頻率,1、用振動(dòng)測(cè)量儀測(cè)量,將信號(hào)輸入儀器，根據(jù)儀器所指示的數(shù)值（或電壓值），直接讀出（或利用系統(tǒng)的電壓靈敏度計(jì)算出）物體的振幅。大部分振動(dòng)測(cè)量儀內(nèi)設(shè)有積分、微分電路,二、簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值的測(cè)量,2、用電壓表測(cè)量,將信號(hào)輸入儀器，根據(jù)儀器所指示的電壓值及測(cè)量系統(tǒng)的電壓靈敏度，即可計(jì)算出物體振動(dòng)的幅值。測(cè)量值可以是位移、速度、加速度,將記錄（或顯示）的振動(dòng)波形幅值的大小乘以相應(yīng)的靈敏度（可由系統(tǒng)標(biāo)定得到），即可得到物體振動(dòng)的幅值。在實(shí)際振動(dòng)波形的記錄（或顯示）圖中，通常波形基線不易確定，故常讀取波形的峰一峰值，再折算為振動(dòng)峰值或有效值。測(cè)量值可以是位移、速度、加速度。,3、用記錄信號(hào)波形的幅值測(cè)量,主要采用兩種方法.1.用激光作光源的干涉儀來測(cè)量振幅，其振幅量級(jí)可以小至微米以下，精度高，結(jié)果可靠，因此常用于振動(dòng)測(cè)量儀和傳感器絕對(duì)標(biāo)定。這種方法對(duì)測(cè)量要求嚴(yán)格，技術(shù)也較復(fù)雜2.采用激光全息攝影技術(shù)測(cè)量物體的振幅。這種方法具有敏感元件不與被測(cè)物表面接觸、精度高，能觀察微小振幅和較快獲得振動(dòng)物體整個(gè)表面的振幅分布等優(yōu)點(diǎn)；但這種方法難以測(cè)量大型或曲面物體的振幅,4、光學(xué)法測(cè)量,用百分表（或千分表）固定在不動(dòng)的基座（參考點(diǎn)）上作位移振幅的直接測(cè)量，或特制成慣性式測(cè)振器。這種測(cè)量方法，要求振動(dòng)幅值大于表頭的最小示值單位，且測(cè)量頻率范圍較低，其測(cè)量值為位移振幅的峰峰值。方法簡(jiǎn)單，但精度較低,5、百分表機(jī)械測(cè)量法,三、機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測(cè)量,確定機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，往往是一項(xiàng)很重要的工作，一般說來，通過理論及數(shù)值計(jì)算，可以估計(jì)系統(tǒng)固有頻率的頻率范圍。（一般很費(fèi)機(jī)時(shí)，且不準(zhǔn)確）通過振動(dòng)測(cè)量工作，則可以比較精確地確定系統(tǒng)的固有頻率。測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，一般采用兩類方法：自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法。,1、測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的自由振動(dòng)法,1）初位移法在機(jī)械系統(tǒng)上加一個(gè)力，使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)初始位移，繼而把力很快（突然）地卸除掉，機(jī)械系統(tǒng)受到突然釋放，便開始作自由振動(dòng)。右圖是一懸臂梁受到重力W作用而產(chǎn)生初始位移后突然卸載作自由振動(dòng)的例子。,初位移法示意圖,2）敲擊法（撞擊法）,用榔頭敲擊機(jī)械系統(tǒng)，也能使系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)。如果榔頭敲擊系統(tǒng)的時(shí)間足夠的短，系統(tǒng)實(shí)際上是受到作用力P的沖量的作用沖擊脈沖的作用。通過頻譜分析可以看出，一個(gè)沖擊脈沖包括了從零到無限大的所有頻率的能量，并且它的頻率譜是連續(xù)的，但是，只有在與機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)，相應(yīng)的頻率分量才對(duì)此機(jī)械系統(tǒng)起作用，它將激勵(lì)機(jī)械系統(tǒng)以其自身的低階固有頻率作自由振動(dòng)。下圖是懸臂梁受到?jīng)_擊力P作用產(chǎn)生自由振動(dòng)的例子。,敲擊法示意圖,在機(jī)械系統(tǒng)中，阻尼總是存在的，因此，系統(tǒng)的自由振動(dòng)很快就被衰減了。于是，為了測(cè)量系統(tǒng)的固有頻率，在實(shí)驗(yàn)中，通常需要把機(jī)械系統(tǒng)作衰減振動(dòng)的波形、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的波形同時(shí)記錄下來，按照對(duì)比測(cè)量法，測(cè)定系統(tǒng)在衰減振動(dòng)中的固有頻率。,優(yōu)點(diǎn)是方法比較簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是振動(dòng)波形很快就衰減掉了,2、測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)法,強(qiáng)迫振動(dòng)法，實(shí)質(zhì)上就是利用共振的特點(diǎn)（共振時(shí)振幅最大）來測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，因此，這種方法也叫共振法。在振動(dòng)測(cè)量中，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的方法很多，主要有以下幾種。,1）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法,逐步提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速，并測(cè)量相應(yīng)的振幅，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅最大的時(shí)候，就是機(jī)械系統(tǒng)共振的時(shí)候，發(fā)生共振時(shí)的轉(zhuǎn)速叫做臨界轉(zhuǎn)速，用nc。表示。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速和固有頻率的關(guān)系,就可以計(jì)算出機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速法示意圖,2）調(diào)節(jié)干擾力頻率的方法,(1)用電磁激振器激振。將激振器的頂桿頂在機(jī)械系統(tǒng)的某個(gè)部位上，并使功率放大器輸人到激振器的電流保持不變，頂桿對(duì)機(jī)械系統(tǒng)作用一個(gè)幅值為常量并按正弦變化的電磁干擾力，以激勵(lì)機(jī)械系統(tǒng)作強(qiáng)迫振動(dòng)。逐步提高激振器的振動(dòng)頻率，下圖為調(diào)節(jié)干擾力頻率法示意圖并測(cè)量出相應(yīng)的振幅，找出共振頻率，就找到了機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。,調(diào)節(jié)干擾力頻率法示意圖,（2）將整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)（實(shí)物或模型）安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面一起作正弦運(yùn)動(dòng)（即干擾位移），并使被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生牽連慣性力。在牽連慣性力的作用下，被測(cè)系統(tǒng)將作強(qiáng)迫振動(dòng)。逐步提高振動(dòng)臺(tái)位移的振動(dòng)頻率，并讓振動(dòng)臺(tái)的幅值保持不變，測(cè)量出機(jī)械系統(tǒng)的相應(yīng)的振幅，就可測(cè)量出機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。,除以上兩種激振方法外，還有晶體激振和聲波激振等，它們主要用于薄殼葉片和薄膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中?？傊?，用強(qiáng)迫振動(dòng)的方法測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，能夠得到穩(wěn)態(tài)的振動(dòng)波形，便于觀測(cè)，不過它卻需要一套能夠激振機(jī)械系統(tǒng)作強(qiáng)迫振動(dòng)的激振裝置。用強(qiáng)迫振動(dòng)法測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，可測(cè)得機(jī)械系統(tǒng)的前幾階固有頻率，比應(yīng)用自由振動(dòng)法可多得到幾階固有頻率。若想得到更高階的固有頻率，可應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。,四、阻尼比的測(cè)量,阻尼比的測(cè)定方法與固有頻率的測(cè)定方法有相似之處，常用的方法也可以簡(jiǎn)單地分為頻域法和時(shí)域法兩大類。1.頻域法測(cè)定原理也是利用結(jié)構(gòu)的共振特性。常用的測(cè)定方法有：總幅值半功率點(diǎn)法、分量法和矢量法等圖解計(jì)算法，以及利用頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)的數(shù)字曲線擬合識(shí)別計(jì)算法（識(shí)別原理同于固有頻率的數(shù)字曲線擬合法）。圖解計(jì)算法方便、直觀；數(shù)字曲線擬合法識(shí)別精度較高。,常用的阻尼比總幅值半功率點(diǎn)測(cè)定法，可利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻響函數(shù)幅頻曲線,2.時(shí)域法常用的方法有：（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間歷程曲線的圖解測(cè)定法，它測(cè)試簡(jiǎn)單、直觀，但精確度差。（2）利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)域數(shù)字?jǐn)M合識(shí)別計(jì)算法（原理同固有頻率的識(shí)別相似），它識(shí)別迅速、精度高，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)各階模態(tài)阻尼比的完全識(shí)別。利用結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間歷程記錄曲線（見圖）來測(cè)定阻尼比，方法十分簡(jiǎn)單。,對(duì)于單個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件，過去常用實(shí)現(xiàn)方便、直觀，但準(zhǔn)確度較差的探針法、砂型法。也有采用激光全息攝影法或用傳感器讀數(shù)法測(cè)定結(jié)構(gòu)的振型。對(duì)于較復(fù)雜的部件、機(jī)器或結(jié)構(gòu)，一般常用傳感器直接讀數(shù)的方法來確定結(jié)構(gòu)的振型。這些方法由于受到測(cè)量手段、振動(dòng)模態(tài)耦合，以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的“非純”振型等因素的影響，所測(cè)定的振型，往往是較為近似的。,5、振型的測(cè)量,目前機(jī)械結(jié)構(gòu)振型測(cè)定中，最為精確、快速、方便和適用范圍廣的方法，是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法測(cè)定振型，既可用于實(shí)模態(tài)振動(dòng)結(jié)構(gòu)，又可用于復(fù)模態(tài)振動(dòng)結(jié)構(gòu)；既可用于結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)激振試驗(yàn)分析，又可用于結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)激振試驗(yàn)分析；既可用于模態(tài)稀疏分布的振型分析，又可用于密集模態(tài)的振型分析，等等。在一些具有模態(tài)分析功能的現(xiàn)代振動(dòng)信號(hào)處理系統(tǒng)上，所分析的振型結(jié)果，可直接由屏幕進(jìn)行立體動(dòng)態(tài)活化顯示，以至繪圖輸出。,(1)振型測(cè)定的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法,結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖,(2)探針法激勵(lì)試件，使它處于諧振狀態(tài)，然后用探針依次接觸試件上各點(diǎn)來探測(cè)節(jié)線位置，找出節(jié)線后即可定出振型。探針可用鋁合金桿或細(xì)木桿制成。探針大小視試件大小而定。探測(cè)點(diǎn)是否在節(jié)線上，可通過傳感器、測(cè)振儀和示波器觀察試件的響應(yīng)情況來判斷。當(dāng)探測(cè)點(diǎn)在節(jié)線上時(shí)，示波器上的振動(dòng)波形不起變化，而在振動(dòng)著的其他點(diǎn)上時(shí)，示波器上的波形就有變化。同時(shí)，也可以注意細(xì)聽聲音的變化來判斷。有時(shí)在傳感器上接裝探針，則更易于觀察,(3)砂型法在平放的試件表面上灑上細(xì)砂粒，激勵(lì)試件。在共振狀態(tài)下，試件振動(dòng)部位上的砂粒跳動(dòng)并逐漸移動(dòng)和集中到節(jié)線附近，顯示出節(jié)線的位置和形狀。圖為用砂型法得出的軸流式水輪機(jī)漿葉的三種低階振型。此法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、直觀。但只適用于條狀或板狀可放置砂粒的試件；要求有足夠大的振動(dòng)加速度，使砂粒能較快地移動(dòng)，測(cè)定高階振型是，頻率高、振動(dòng)小，常常不足驅(qū)使砂粒移動(dòng)。如遇到這種情況可用碳粉或軟木細(xì)粉代替砂粒。,水輪機(jī)漿葉的三種低階振型,(4)傳感器逐點(diǎn)讀數(shù)測(cè)定法用傳感器及測(cè)振儀測(cè)出被測(cè)試結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的振幅（或加速度）和相位，即可繪出其振型圖。此法適用于測(cè)試大型、復(fù)雜和剛度較大的部件、機(jī)器或結(jié)構(gòu)。測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意選用合適的傳感器，使它的附加質(zhì)量不致影響試件原來的振動(dòng)狀態(tài)。此法的測(cè)試原理，是建立在主導(dǎo)模態(tài)的共振特性上。因此，利用單點(diǎn)激勵(lì)方式而激起的其余模態(tài)振型，必然會(huì)影響振型測(cè)定的正確性，尤其是測(cè)定較高階的振型。為了保證此法的測(cè)試精確，最好采用多點(diǎn)激勵(lì)方式，以激出結(jié)構(gòu)的“純”模態(tài)振型。,(5)譜分析法通過對(duì)被測(cè)構(gòu)件上諸點(diǎn)振動(dòng)位移響應(yīng)數(shù)據(jù)的幅值譜、功率譜和互譜分析，即可獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的各階振型。幅值譜可以給出每個(gè)測(cè)點(diǎn)在各頻率點(diǎn)上相應(yīng)的幅值大小，而通過互譜，則可建立起各測(cè)點(diǎn)間相對(duì)的相位關(guān)系，這樣就確定了結(jié)構(gòu)在各階振動(dòng)模態(tài)頻率下的振型，即各階振型。,第6節(jié)測(cè)試方案的擬定,振動(dòng)測(cè)試，尤其是大型振動(dòng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，影響因素很多，為了保證測(cè)試成功，應(yīng)當(dāng)制定詳細(xì)的測(cè)試方案，要根據(jù)測(cè)試目的確定測(cè)試方法和手段，研究測(cè)點(diǎn)布置和儀器安裝方法，對(duì)測(cè)試中可能發(fā)生的問題和注意事項(xiàng)，事先應(yīng)作周密考慮，達(dá)到進(jìn)行有意義的測(cè)試。,(1)根據(jù)所要研究、解決的問題，確定需要測(cè)試的詳細(xì)內(nèi)容和測(cè)試方法；總的估計(jì)需要測(cè)量的振動(dòng)類型和振級(jí)，判別是周期性振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)還是瞬態(tài)振動(dòng)；選定測(cè)試的條件，是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析還是在實(shí)驗(yàn)室里作實(shí)物或模型的模擬試驗(yàn)，若確定作模型模擬，還應(yīng)進(jìn)一步合理地設(shè)計(jì)模型。,1、測(cè)試方案的主要內(nèi)容與方案制定的步驟,(2)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的情況（譬如尺寸、重量大小等）和頻率范圍，選用合適的激振設(shè)備及其配套的儀器，選定激振點(diǎn)的位置；考慮試件或激振器的安裝方式（彈性支承或剛性緊固），夾具和激振推力桿的傳遞特性等，以便確定激振方案。,(3）根據(jù)測(cè)量要求，確定測(cè)點(diǎn)數(shù)目和位置分布；估計(jì)各測(cè)點(diǎn)上的振動(dòng)型式、頻率范圍、振級(jí)和環(huán)境條件，選用合適的傳感器及配套的電子儀器；仔細(xì)確定安裝傳感器的位置與安裝方式，選定能代表被測(cè)對(duì)象特征的安裝位置，并考慮傳感器附加質(zhì)量荷載對(duì)振動(dòng)情況的影響。,(4）根據(jù)分析研究的要求和確定的測(cè)試方法與測(cè)量參數(shù)，選用合適的分析記錄方式和儀器；作好測(cè)量記錄，包括環(huán)境參數(shù)（如溫度等）及電源參數(shù)的記錄。并應(yīng)考慮環(huán)境條件，如電磁場(chǎng)、濕度、溫度與聲場(chǎng)等各種因素對(duì)測(cè)試的影響。,(5)確定整個(gè)測(cè)試方案，繪制測(cè)量系統(tǒng)的工作方框圖，以及儀器連接草圖，標(biāo)明儀器型號(hào)、規(guī)格和序號(hào)，以便于測(cè)試系統(tǒng)的安裝和查校；檢驗(yàn)和標(biāo)定包括連接電纜在內(nèi)的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。,2、制定方案與進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)注意的問題,(1)傳感器的安裝方式,(2)接地方式不當(dāng),(3)考慮所測(cè)信號(hào)的振級(jí)和儀器的動(dòng)態(tài)范圍,(4)注意很多環(huán)境因素影響測(cè)試結(jié)果。,