第八章振动与噪声的测量

1、振动的概念振动的概念机械振动产生的原因机械振动产生的原因研究机械振动的意义研究机械振动的意义机械振动测试研究的内容机械振动测试研究的内容机械振动测试系统的组成机械振动测试系统的组成测振传感器测振传感器第八章第八章 振动的测量振动的测量振动的概念从狭义上说：从狭义上说：通常把具有时间周期性的运动称为振动。通常把具有时间周期性的运动称为振动。从广义上说：从广义上说：任何一个物理量在某一数值附近作周期性的任何一个物理量在某一数值附近作周期性的 变化，都称为振动。变化，都称为振动。力学量（如位移）力学量（如位移）机械振动机械振动电磁振动电磁振动电磁量（如电磁量（如I 、V、 E、 B）机械振动：机械振

2、动：是物体在一定是物体在一定位置位置附近所作的附近所作的周期性周期性往复的运往复的运动动。机械振动系统机械振动系统：就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动：就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。 构成机械振动系统的基本要素有构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。惯性、恢复性和阻尼。惯性惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性恢复性就是就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼阻尼就是能使系统就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个

3、基本要素通常分别由物理参数能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量质量M、刚度、刚度K和阻尼和阻尼C表征。表征。机械振动分强迫振动强迫振动和自激振动自激振动两种类型强迫振动：强迫振动：是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振动。如在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致，油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值， 影响机床加工工件的精度， 如粗糙度和圆度。对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精度。自激振动（颤振）自激振动（颤振） 由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振

4、动，就是自激振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。如在磨削过程中砂轮对工件产生的摩擦会引起自激振动。工件、机床系统刚性差，或砂轮特性选择不当，都会使摩擦力加大，从而使自激振动加剧。或由于刀具刚性差、刀具几何角度不正确引起的振动，都属于自激振动。振动产生的原因强迫振动产生的原因：强迫振动产生的原因：1.机床上回转件不平衡所引起的周期性变化的离心力。如由于电机或卡盘、皮带轮回转不平衡引起的。2.机床传动零件缺陷所引起的周期性变化的传动力。如因刀架、主轴轴承、拖板塞铁等机床部件松动或齿轮、轴承等传动零件的制作误差而引起的周期性振动。3. 切削过程本身不均匀性所引起的周期性变化的切

5、削力。如车削多边形或表面不平的工件及在车床上加工外形不规则的毛坯工件。4.往复运动部件运动方向改变时产生的惯性冲击。如平面磨削过程的方向改变或瞬时改变机床的回转方向。5.由外界其他振源传来的干扰力。在锻造车间附近，因空气锤的振动引起其他机床的强迫振动，甚至共振。自激振动产生的原因自激振动产生的原因:1.切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。2.切削层金属内部的硬度不均匀。在车削补焊后的外圆或端面而出现的硬度不均现象，常常引起刀具崩刀及车床自振现象。3.刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。4.工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或锥

6、度。5.积屑瘤的时生时灭，使切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。研究机械振动的意义多数情况，机械振动是有害的，振动会破坏机器的正常工作，振动的动载荷使机器加快失效甚至损坏造成事故，降低机器设备的使用寿命。机械振动还直接或间接产生噪声，恶化劳动条件和环境，影响人类的健康，成为现代一种严重的公害。机械振动也有可以利用的一面：如输送输送，夯实夯实，捣固捣固，清洗清洗，脱水脱水，时效时效等振动机械，只要设计合理，他们都有耗能小，效率高，结构简单等优点。时效处理：时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用

7、将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理的目的，是为了消除工件的残余内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。 例如：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250）精加工前，把工件重新加热到100-150，保持5-20小时。 随着现代工业技术的发展，特别是电子计算机的应用，振动理论研究已发展到较高的水平，可以从理论上分析许多重要而复杂的振动问题。但生产实际中遇到的许多机械设备，一般都

8、是一个复杂的振动系统，往往要做许多简化后才能解析地进行理论分析，最终采取实验手段来验证理论分析的重要性。 现代设计对各种机械提出了低振级和低噪声的要求，要求各种结构具有高的抗震能力，有必要进行机械动力结构的振动分析和振动设计，这些都离不开振动的测量。 在现代生产中，为了使设备安全运行，并保证产品质量，往往需要检测设备运行中的振动信息，进行工况监测和故障诊断，这些都需要通过振动的测试和分析才能实现。总之，机械振动的测试在生产和科研的许多方面占有重要的地位，振动测试作为一种现代技术手段，广泛应用于机械制造，建筑工程，地球物理勘探，生物医疗等各个 领域。机械振动测试研究内容机械振动测试的内容大致分为

9、两类：机械振动测试的内容大致分为两类：振动基本参数的测量：振动基本参数的测量：对振动物体上某点的位移，速度，加速度，频率和相位等参数进行测试。其目的是了解被测对象的振动状态，评定振动量级，或寻找震源，以及进行监测，识别，诊断和预估。结构和部件的动态特性测试：结构和部件的动态特性测试：对结构或部件进行某种激励，对其受迫振动进行测试。其目的是要求被测对象的振动力学参量和动态性能，如固有频率，刚度，阻抗，响应和模态等。这类测试又可分为振动环境模拟实验，机械阻抗试验，频率响应试验等。振动测试系统的组成振动基本参数的测试系统：振动基本参数的测试系统：因为振动基本参数的测量，其被测对象是振动的，所以这类测

10、试的振动传感器可根据测试要求安装在被测对象测点上，常用测振系统原理如下图。发电型传感器前置放大器微积分放大器参数型传感器 调制器，测量电桥放大器解调器载波发生器分析仪器指示记录仪器 一些传感器，如磁电式速度传感器，可以将其输出电信号直接输入放大器进行放大。而另一些传感器，如压电式加速度传感器，其输出电信号则必须进行预放大再输入放大器，这是因为压电式加速度传感器是一个能产生电荷的高内阻发电元件，但由于产生的电荷总量级小，难以直接传输；同时，由于一般测量仪器的输入阻抗不可能很高，此微弱电荷又极易在测量电路的输入电阻上被释放掉，所以要求连接压电加速度传感器测量或放大装置必须有较高的输入阻抗，并且将压

11、电式加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，以便与主放大器连接。 根据振动测试的目的及要求，可以把经过放大的电信号直接输入指示记录仪器，将振动的时间历程记录显示出来；也可以把该信号先输入到分析仪器进行必要的参数统计分析，如频谱分析，相关分析以及功率谱分析等，然后再记录显示。结构和部件的动态特性测试系统：结构和部件的动态特性测试系统： 对结构和部件进行动态特性测试，首先应该对被测对象施加一定的外力，激励被测对象，使它按照测试的要求做受迫振动或自由振动，再由测振传感器及其测振仪器测取被测对象对激励的响应，所测取的振动信号往往要根据测试目的输入相应的振动分析仪器（如频谱分析仪，快速傅立叶分析仪，电

12、子计算机）进行信号分析与处理，以获得测试项目所要求的结果，然后进行记录显示。 所以结构和部件的动态特性测试系统一般由振动，测振，信号分析与记录显示四部分组成。测振，信号分析，与记录显示部分的系统组成与振动基本参数的测量系统组成基本相同。下面着重介绍激振方式和激振器。激励方式激励方式稳态正弦激励方法稳态正弦激励方法 这是一种测量频率响应的经典方法，它提供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。 激励系统激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，测量系统测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。优

13、点：优点： 激振功率大，信噪比高，能保证响应对象的测试精度。缺点：缺点： 需要很长的测试周期才能得到足够精确度的测试数据，尤其对小阻尼对象，为了达到稳态，要求有足够长的时间。稳态正弦激振使用的激振器以及仪器设备比较通用，测试的可靠性也较高，成为一种常用的激振方法。瞬态激励方法瞬态激励方法 瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。 目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，下面分别

14、讨论和介绍。 快速正弦扫描：快速正弦扫描： 这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定内成线性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。脉冲锤击激励：脉冲锤击激励： 脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。阶跃松驰激励阶跃松驰激励 在实际应用中，常常是在拟定的激振点处，用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加

15、载，使他产生初始变形，然后突然切断张力弦。这就相当于对该结构施加一个负的阶跃激振力。阶跃激振也属于宽带激振，在建筑结构的振动测试中这种激振方法用的十分普遍。随机激励方法：随机激励方法：纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。( )( )( )xyxSfH f Sf 随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，是一种宽带激振方法。白噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数也是在 处形成陡峭的峰，只要时间常数稍偏离零，自相关函数就很快衰减，其自功率谱密度函数也接

16、近为常值。当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时，由于功放和激振器的通频带不是无限宽的，所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数。但它任然是一种宽带激振，能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动。配合频谱分析仪，利用 可以得到被测对象的频率响应。0( )( )( )xyxSfH f Sf伪随机激励：伪随机激励：v 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。v 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。白噪声发生器所提供的信号是完全随机的。工程上有时希望能重复试验，就用伪随机信号或用

17、计算机产生伪随机码作为随机激振信号。激振器激振器电动式激振器电动式激振器当Fi以简谐规律变化时，则作用在激振对象上的力F也为同频率的简谐力，在使用时，往往在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t)工作原理：工作原理： 驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极5与铁芯6的气隙中。线圈7通入经功率放大后的交变电流i时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流i成正比的电动力作用，此力通过顶杆传给被测对象上便是所需要的激振力。q 为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上, 在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止：q 在高频激振时，往往

18、用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；q 在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。 激振器安装原则：激振器安装原则：电磁式激振器电磁式激振器电磁激振器是非接触式的，其频率上限约为500800Hz。 电磁式激振器直接利用电磁力作为激振力，常用于对 被测对象非接触式的相对激振，其结构如上图所示。铁心2上装有激励线圈3，当激励线圈通过电流时，铁心将对衔铁5电磁吸力。 激励线圈包括一组直流线圈和交流线圈，恒力激振时，直流励磁线圈单独工作，铁心内产生不变的磁感应强度，可以得到恒定的电磁吸力；交变力激振时，直流励磁线圈和交流励磁线圈共同工作，且直流励磁线圈产生的不变磁感应强度要远远大于交流励磁线圈产生的交变磁感应强度的峰值，可以得到与交变磁感应波形基本相同的交变电磁吸引力波形。脉冲锤脉冲锤 脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和