1、機械工程測試技術第七章振動測試第1頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四7.1 概述小轎車的乘坐舒適性試驗框圖 第2頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四機械振動定義機械振動是物體在一定位置附近所作的周期性往復的運動。機械振動系統，就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復運動的機械系統，例如單擺。 構成機械振動系統的基本要素有慣性、恢復性和阻尼。慣性就是能使系統當前運動持續下去的性質，恢復性就是能使系統位置恢復到平衡狀態的性質，阻尼就是能使系統能量消耗掉的性質。三個基本要素通常分別由物理參數質量M、剛度K和阻尼C表征。第3頁，共35頁，2022年，5月20日，2點5

2、8分，星期四產生的物理原因機械在運動時，由于旋轉件的不平衡、負載的不均勻、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，產生各種振動。振動研究所涉及的問題 測量設備運行時的振動參量，了解被測對象的振動狀態，尋找振源；對設備激振，測試其受迫振動，以求得被測對象的動態性能，如固有頻率、阻尼、機械阻抗等。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四機械振動測試系統的一般組成框圖 機械振動測量方法 按振動信號的轉換方式分:電測法機械測量法光測法第5頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四振動的分類(1) 從產生振動的方式來分： 自由振動：僅受初始條件(初始位移、初始速度) 激勵而引起

3、的振動； 受迫振動：系統在持續外力激勵下的振動。 自激振動：在沒有外激勵作用的情況下，由系統自身激發所產生的一種振動(2)從振動的規律來分 簡諧振動 復合周期振動 瞬態振動 隨機振動(3)按系統自由度分單自由度振動 多自由度振動 連續彈性體振動 第6頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四7.2 振動的基本知識力作用在質量塊上的單自由度系統質量m在外力的作用下的運動方程為 c粘性阻尼系數； k彈簧剛度；(t)系統的激振力，即系統的輸入；z(t)系統的輸出。 拉氏變換 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 傳遞函數為 (1)單自由度系統的受迫振動 第7頁，共35頁，

4、2022年，5月20日，2點58分，星期四令s=jw，則 力作用在質量塊上的單自由度系統系統的固有頻率 系統的阻尼率 第8頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四幅頻曲線 相頻曲線 第9頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四在幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為位移共振頻率 隨著的阻尼的增加，共振峰向原點移動； 幅頻曲線 當無阻尼時，位移共振頻率wr即為固有頻率wn 當系統的阻尼x很小時，位移共振頻率wr接近系統的固有頻率wn，可用作為的估計值。 第10頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四不管系統的阻尼率為多少，在w /wr =1時位移始終落后于

5、激振力90，此現象稱為相位共振。 相頻曲線 利用相頻特性來確定固有頻率比較準確 幅頻曲線 第11頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(2)由基礎運動所引起的受迫振動 單自由度系統的基礎振動 力作用在質量塊上的單自由度系統第12頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四單自由度系統的基礎振動 設基礎的絕對位移為Z1，質量m的絕對位移為Z0，則系統的振動可用方程式表示為： 拉氏變換并，令s=jw ，得系統的幅頻特性和相頻特性 第13頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四幅頻曲線 相頻曲線 第14頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星

6、期四(3)多自由度系統振動 多自由度系統的振動方程式一般是相互耦合的常微分方程組；通過坐標變換，可以把系統的振動方程變成一組相互獨立的二階常微分方程組，其中的每一個方程式可以獨立求解；系統參數由若干個固有頻率、阻尼率、當量剛度、當量質量、主振型等參數；多自由度系統在特定條件下，都按某一階固有頻率進行簡諧振動，這種振動稱為主振型。第15頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(4) 機械阻抗的概念機械阻抗: 線性動力學系統在各種激勵的情況下，在頻域內激勵與響應之比 K(s)=F(s)/Y(s) K(w)=F(w)/Y(w)傳遞函數 H(s)=Y(s)/F(s) 頻率響應函數 H(

7、w)=Y(w)/F(w)機械阻抗為系統傳遞函數或頻率響應函數的倒數 機械阻抗的倒數為頻率響應，又稱為機械導納機械系統框圖 第16頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四7.3 振動的測量 如果知道了系統的輸入(激勵)和輸出(響應)，就可以求出系統的數學模型，也即動態特性。振動系統測試就是求取系統輸入和輸出的一種試驗方法。為了完成上述測試任務，一般說來測試系統應該包括下述三個主要部分：被測對象傳感器測量電路振動分析儀顯示記錄激振器功率放大器信號發生器機械振動測試系統組成框圖第17頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四激勵部分實現對被測系統的激勵(輸入)，使系統發

8、生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振裝置組成。拾振部分檢測并放大被測系統的輸入、輸出信號，并將信號轉換成一定的形式(通常為電信號)。它主要由傳感器、可調放大器組成。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果。它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。第18頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(1) 振動的激勵穩態正弦激勵方法激勵信號是一個具有穩定幅值和頻率的正弦信號，測出激勵大小和響應大小，便可求出系統在該頻率點處的頻率響應的大小。瞬態激勵方法激勵信號是一種瞬態信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次同時給系統提供頻帶內各個頻率成

9、份的能量和使系統產生相應頻帶內的頻率響應。是一種快速測試方法。快速正弦掃描 脈沖錘擊 階躍松弛激勵隨機激勵方法純隨機激勵 偽隨機激勵第19頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四瞬態激勵方法快速正弦掃描正弦激勵信號在所需的頻率范圍內作快速掃描（數秒內完成），激振信號頻率在掃描周期T內成線性增加，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，從而能達到寬頻帶激勵的目的?？焖僬覓哳l信號及其頻譜第20頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四脈沖錘擊激勵用脈沖錘對被測系統進行敲擊，施加一個脈沖力，使之發生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內具有平坦的頻譜曲線

10、，所以它是一種寬頻帶的快速激勵方法。特點：階躍函數的導數是脈沖函數，階躍函數引起的響應的導數是脈沖響應函數，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。階躍松馳激勵實現：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預加載，然后突然切斷張力弦。第21頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四隨機激勵方法純隨機激勵理想的純隨機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的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。偽隨機激勵偽隨機信號是一種有周期性的隨機信號，它在一個周期內的信號是純隨機的，但各個周期內的信號是完全相同的。這種方法的優點在于試驗的可重復性

11、。將白噪聲在T內截斷，然后按周期T反復重復，即形成偽隨機信號。第22頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四激振器電動式激振器當Fi以簡諧規律變化時，則作用在激振對象上的力F也為同頻率的簡諧力。使用時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)電動式激振器1-彈簧；2-殼體；3-磁鋼；4-頂桿；5-磁極；6-鐵心；7-驅動線圈第23頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四電磁式激振器激振器是由通入線圈中的交變電流產生交變磁場，而被測對象作為銜鐵，在交變磁場作用下產生振動。電磁激振器是非接觸式的，沒有附加質量和剛度的影響，頻率上限約為500-80

12、0Hz。電磁激振器1-底座；2-鐵心；3-勵磁線圈；4-銜鐵；5-力檢測線圈；6-位移傳感器第24頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四脈沖錘脈沖錘由錘體、手柄和可以調換的錘頭和配重組成，產生瞬態激勵力；錘擊力的大小由錘擊質量和錘擊被測系統時的運動速度決定。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時間越短，上限頻率w 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。 T1，即wwn的情況下，A(w)1，滿足測試幅值不失真的條件；當系統的阻尼率x接近0.7時， A(w) 更接近直線由相頻圖，當w wn 時，沒有一條相頻曲線為近似斜率為負的直線，

13、故不能滿足動態測試相位不失真的條件；而當w (78)wn時，相位差接近-180，此時滿足測試相位不失真的條件。設計和使用慣性式拾振器時使慣性式拾振器的固有頻率較低，同時使系統的阻尼率在0.50.7之間，這樣可以保證工作頻率的下限到w =1.7wn，幅值誤差不超過5當使用w (78) wn進行相位測試時，需要用移相器獲得相位信息。幅頻曲線 相頻曲線 第28頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(2) 測振傳感器電渦流位移傳感器電容加速度傳感器壓阻加速度傳感器磁電式速度計壓電加速度計光學測振儀1-頂桿;2-彈簧片;3-磁鋼;4-線圈;5-引出線;6-殼體磁電式相對速度計第29頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四當光程差每變化半個光波波長時，明暗條紋變化一次。設一個振動周期內，計得干涉條紋變化數為N，則：邁克爾遜干涉儀第30頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四激光多普勒測振原理第31頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(3) 振動信號分析儀器振動計頻率分析儀頻率特性與傳遞函數分析儀數字信號處理系統第32頁，共35頁，2022年，5月20日，2點58分，星期四(4) 振動測試系統及數據處理實例汽車平順