机械振动测试与分析啊讲解

1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 测试技术基础测试技术基础 景德镇陶瓷学院 机电工程学院 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 主要内容主要内容 7.1 概述 7.2 振动的基本知识 7.3 振动的激励 7.4 测振传感器(拾振器) 7.5 振动信号分析仪器 7.6 振动测试系统及数据处理实例 7.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计 7.8 小结 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试

2、验框图 7.1 概述概述 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 振动研究所涉及的问题振动研究所涉及的问题 振动分析振动分析 已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应 系统识别系统识别 已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性 环境预测环境预测 已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态 机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章

3、机械振动测试与分析机械振动测试与分析 7.2 振动的基本知识振动的基本知识 机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为：机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为： 相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点 绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点，该点相对于地球是静绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点，该点相对于地球是静 止不动的。止不动的。 电测法电测法 机械测量法机械测量法 光测法光测法 按照测量时选择参考点的不同，可分为：按照测量时选择参考点的不同，可分为： 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析

4、机械振动测试与分析 按照振动产生的原因按照振动产生的原因 自由振动自由振动 受迫振动受迫振动 自激振动自激振动 振动频率和固有频率之间的关系为振动频率和固有频率之间的关系为 nd 2 1 其中，其中，n为系统的固有频率，为系统的固有频率，为阻尼率为阻尼率 系统的振动频率为激振频率系统的振动频率为激振频率 振动频率接近于系统的固有频率。振动频率接近于系统的固有频率。 7.2.1 振动的分类振动的分类 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 按系统的输出分按系统的输出分 简谐振动简谐振动周期振动周期振动 瞬态振动瞬态振动 随机振动随机振动 按系统

5、自由度分按系统自由度分 单自由度系统振动单自由度系统振动 多自由度系统振动多自由度系统振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 按系统结构参数的特性分按系统结构参数的特性分 线性振动线性振动 非线性振动非线性振动 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统 质量质量m在外力的作用下的运动方程为在外力的作用下的运动方程为 )( 2 2 tfkz dt dz c dt zd m 式中，式中，c为粘性阻尼系数，为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度。为弹簧刚度。 (t)为系统的激振力，即系统的输入，为系统的

6、激振力，即系统的输入， z(t)为系统的输出。为系统的输出。 拉氏变换拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 传递函数为传递函数为 kcsmssf sz sH 2 1 )( )( )( 7.2.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 kcsmssf sz sH 2 1 )( )( )( 令令s=j，则，则 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统 1 2 2 /1 1 )( 1 )( )( )( 2 22 k m km c j k m k kjcmkc

7、jjm jf jz jH )/(2)/(1 11 12 11 2 2 2 nn nn jk j k mk n / km c 2 系统的固有频率系统的固有频率 系统的阻尼率系统的阻尼率 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 22 2 2 )/(4)/(1 11 )( nn k jA 2 )/(1 )/(2 )( n n arctgj 幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 mk n / km c 2 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 在在幅频曲线幅频曲线上幅值最大处的频率称为上幅值最大处的

8、频率称为位移位移 共振频率共振频率 2 21 nr 随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动； 当无阻尼时，位移共振频率当无阻尼时，位移共振频率r即为固有频率即为固有频率 n 当系统的阻尼当系统的阻尼很小时，位移共振频率很小时，位移共振频率r 接近系统的固有频率接近系统的固有频率n，可用作为的估计，可用作为的估计 值。值。 幅频曲线幅频曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 不管系统的阻尼率为多少，在不管系统的阻尼率为多少，在/r=1时位移始终落后于激振力时位移始终落后于激振力90，此，此 现象称为现象称为

9、相位共振相位共振。 相频曲线相频曲线 利用相频特性来确定固有频率比较准确利用相频特性来确定固有频率比较准确 幅频曲线幅频曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动 单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为Z0

10、， 则系统的振动可用方程式表示为：则系统的振动可用方程式表示为： 2 1 2 01 01 2 01 2 dt Zd mkZ dt dZ c dt Zd m 拉氏变换并，令拉氏变换并，令s=j 22 2 2 2 )/(4)/(1 )/(1 )( nn n k jA 2 )/(1 )/(2 )( n n arctgj 得系统的幅频特性和相频特性得系统的幅频特性和相频特性 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 22 2 2 2 )/(4)/(1 )/(1 )( nn n k jA 2 )/(1 )/(2 )( n n arctgj 幅频曲线幅频曲

11、线 相频曲线相频曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有频率进行简谐振动，这种多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有频率进行简谐振动，这种 振动称为主振型振动称为主振型 二自由度系统振型二自由度系统振型 7.2.3 多自由度系统振动多自由度系统振动 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 机械阻抗机械阻抗: 线性动力学系统在各种激励的情况下，在频域内激励与响应之比线性动力学系统在各种激励的情况下，在频域内激励与响应之比 K(s)=F(s)/Y(

12、s) 传递函数传递函数 频率响应函数频率响应函数 H(s)=Y(s)/F(s) H()=Y()/F() 机械系统框图机械系统框图 机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数 K()=F()/Y() 机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳 7.2.4 机械阻抗的概念机械阻抗的概念 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 设激振力为设激振力为(t)=F0ejt 位移阻抗位移阻抗 )( 0 0 )( )( )( j D e Y F jY jF K 速度阻抗速度阻抗

13、加速度阻抗加速度阻抗 位移导纳位移导纳 速度导纳速度导纳 加速度导纳加速度导纳 2 )( 0 0 )( )( )( )( )( j v e Y F jV jF jY jF Z )( 2 0 0 )( )( )( )( )( j a e Y F jA jF jY jF Z )( 0 0 )( )( )( j e F Y jF jY W ) 2 ( 0 0 )( )( )( )( )( j e F Y jF jV jF jY B )( 0 2 0 )( )( )( )( )( j e F Y jF jA jF jY J 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振

14、动测试与分析 7.3 振动的激励振动的激励 1)激励部分激励部分 实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。它主 要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。 2)拾振部分拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换 成一定的形式(通常为电信号)。它主要由传感器、可调放大 器组成。 3)分析记录部分分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接 近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频 谱分析设备组成。 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 稳态正弦激振稳态正弦激振 施加一个稳定的单一频率的正弦激

15、振力，施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，(t)=F0sint。 随机激振随机激振 优点：设备通用，可靠性较高优点：设备通用，可靠性较高 缺点：需要较长的测定时间缺点：需要较长的测定时间 一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而 在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态 特性特性 用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振 Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf) 该方法具有快速实时的优点，但设备较复

16、杂，价格昂贵该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵. 带宽激振法带宽激振法 7.3.1 激振的方式激振的方式 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 瞬态激振瞬态激振 快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 脉冲激振脉冲激振 阶跃激振阶跃激振 采用周期为采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励的频率线性变化的正弦信号进行激励 (t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0t(78)n时，相时，相 位差接近位差接近-180，此时满足测试相位不失真的，此时满足测试相位不失真的 条件。条件。 使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统

17、的使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的 阻尼率在阻尼率在0.50.7之间，这样可以保证工作频率的下之间，这样可以保证工作频率的下 限到限到=1.7n，幅值误差不超过，幅值误差不超过5 当使用当使用(78)n进行相位测试时，需要用移相器进行相位测试时，需要用移相器 获得相位信息。获得相位信息。 设计和使用惯性式拾振器时设计和使用惯性式拾振器时 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2、选择测振传感器的原则选择测振传感器的原则 采用位移传感器的情况采用位移传感器的情况 用速度传感器的情况用速度传感器的情况 采用加速度传感器的情况采用加速度

18、传感器的情况 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 7.5 振动信号分析仪器振动信号分析仪器 1、振动计振动计 2、频率分析仪频率分析仪 3、频率特性与传递函数分析仪频率特性与传递函数分析仪 4、数字信号处理系统数字信号处理系统 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 7.6 振动测试系统及数据处理实例振动测试系统及数据处理实例 汽车平顺性测试系统框图汽车平顺性测试系统框图 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 汽车的平顺性测试过程框图

19、汽车的平顺性测试过程框图 40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图 驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分

20、析 不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根 及振级及振级 速度速度 /km/h 4050607080 0.09510.22510.35510.45510.5651 99.563107.047111.007113.162115.042 主观感主观感 觉觉 没有不没有不 舒服舒服 没有不没有不 舒服舒服 有一些有一些 不舒服不舒服 有一些有一些 不舒服不舒服 相当不相当不 舒服舒服 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 机械结构各模态有如下参数机械结构各模态有如下参数 固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等

21、参数固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数 对多自由度系统还有特定参数：主振型对多自由度系统还有特定参数：主振型 自由振动法自由振动法 估计方法估计方法 稳态正弦激励法稳态正弦激励法 共振法共振法 总幅值法总幅值法 分量法分量法 矢量法矢量法 7.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计机械结构的固有频率和阻尼率估计 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 1、总幅值法、总幅值法 1) 固有频率固有频率n的估计的估计 2 21 nr 若若0.1，r=n 若若不小于不小于0.1或要精确估计或要精确估计n值，值， 需要先估计需要先估计的值的值 幅频

22、曲线幅频曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2)阻尼率阻尼率的估计的估计 2 1 nr 22 2 2 )/(4)/(1 11 )( nn k jA 2 21 nr k k k k k jA n n n n nn r 2 1 444 11 )21 (4)21 (1 11 21 4 21 1 11 )/(4)/(1 11 )( 424 22 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 k jA r 2 1 )( 幅频曲线幅频曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2 2 ) 2

23、 2( n n 2 )( n nn 2 12 )( n nn 若在若在n附近取附近取2-1=，2+1=2n，且，且足够小，此时足够小，此时=1，或，或 =2，则，则 单自由度系统的幅频特性曲线单自由度系统的幅频特性曲线 2 22 2 1 n n n 2 2 4 nn n 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2 2 4 11 n k 由于由于在在n附近，即附近，即/n1 22 2 2 2, 1 )/(4)/(1 11 )( nn k jA k k jA jA n r 2 1 4 11 )( )( 2 2 2, 1 k jA r 2 1 )(

24、 nn 2 1 单自由度系统的幅频特性曲线单自由度系统的幅频特性曲线 2 2 4 2 n 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2 1 )( )( 2, 1 r jA jA 若若 2 1 4 2 )( )( 2 2 2, 1 n r jA jA 2 2 2, 1 4 2 )( )( n r jA jA 解上式，得解上式，得 n 2 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 )/(2)/(1 /1 )( 1 )( 2 2 nn j k kcjjm jH 22 2 2 2 2 2 )( )( 1

25、 )( 1 )( cmk jcmk jcmk kcjjm jH 22 2 2 2 )( )( cmk mk jRe 22 2 2 )( cmk c jIm 实部部分：实部部分： 虚部部分：虚部部分： 2、分量法分量法 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2 2 2 2 2 222 2 22 224 2 2 2 222 222 2 2 22 22 2 2 2 41 11 4 1 22 4 1 )( nn n nn nn e k k mk km c km c mk mkmk k mcmk mmk cmk mk jR 2 2 2 2 222 2

26、 22 2 2 2 222 2 2 2 222 2 2 2 22 2 2 41 2 4 2 22 4 2 2 1 )( nn n nn nn m k k mk km c km c mk mk km c mk k mcmk mkc k mcmk mc cmk c jI 2 2 2 2 2 41 11 )( nn n e k jR 2 2 2 2 41 2 )( nn n m k jI 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 2 2 2 2 2 41 11 )( nn n e k jR 2 2 2 2 41 2 )( nn n m k jI 实部

27、频率曲线实部频率曲线 虚部频率曲线虚部频率曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 k k k k k jRe )1 (4 1 )1 (4 11 )22(4 21 )21 (44 21 )21 (4)21 (1 )21 (11 )( 2 22 2 2max 2 2 2 2 2 41 11 )( nn n e k jR 2 2 2 2 41 2 )( nn n m k jI 分析分析 当当=n时，时， 0)( ne jR 当当 21 1 n 时，实部具有最大值；时，实部具有最大值； 当当 21 1 n 时，时，实部实部具有最小值；具有最小值

28、； k jRe )1 (4 1 )( max k jRe )1 (4 1 )( min k k k k k jRe )1 (4 1 )1 (4 11 )22(4 21 )21 (44 21 )21 (4)21 (1 )21 (11 )( 2 22 2 2min 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 此时此时 nn )1 (21 1 nn )1 (21 2 n 2 12 则则 实部频率曲线实部频率曲线 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第七章第七章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析 在在 2422 11221 3 1 nn 时，时， k jIm 2 1 )( min 2 2 2 2 41 2 )( nn n m k jI Im(j)具有极小值具有极小值 虚部频率曲线虚部频率曲线 当当 k jIjIjI mmm 4