随机振动及试验技术(第七讲)随机振动试验与控制技术

随机振动及试验技术授课教师：艾延廷

飞行器动力与能源工程学院2023/2/61第10章随机振动试验与控制技术

10.1概述随机振动试验的必要性:代替现场试验,缩短产品研发周期,减少开发成本。实验室再现的可能性：新的试验方法及标准的制订，新设备的研制，使实验室中的实验等在一定程度上再现现场情况。随机振动试验分类：（1）耐久性试验：也叫强度试验，用于评价结构或试件的抗随机振动特性，研究其强度破坏及疲劳寿命等问题。2023/2/62第10章随机振动试验与控制技术

10.1概述（2）功能试验：研究在随机振动环境下结构或试件的功能特性。主要是检验结构或试件在使用振动环境下是否产生功能性故是否失灵以及各机件的连接、固定、安装变形及间隙之类的工艺要求是否受到破坏等。（2）响应试验：对振动结构作动力响应特性试验是现代产品的安全、可靠、经济、适用不可或缺的研究环节。2023/2/63第10章随机振动试验与控制技术

10.2随机振动的等价条件随机振动是不确定的，如何再现，需要等价条件。（1）幅值域：均值、方差和均方值。（2）时差域：自相关函数。（3）自功率谱密度函数。对于多输入系统，还要进行互相关函数和互谱密度的模拟。随机振动等价：两个随机振动的全部统计特性相同。但用如下特性实现:2023/2/64第10章随机振动试验与控制技术

单一随机振动模拟的等价条件讨论。设现场随机振动为,与等价首先是：

（1）均值（2）标准差由（2）和（1）导出，说明随机振动与的振动总能量及其静态分量都相等。（3）

分别是与的峰值对应的频率。

(10.1)(10.2)(10.3)2023/2/65第10章随机振动试验与控制技术

（4）

条件（3）、（4）表示含有振动能量极大值的频率成分相同，而且这些频率上的振动能量大小也相同。条件（1）、（2）表示下面的面积相等。

要求严格时，有(10.4)(10.5)2023/2/66第10章随机振动试验与控制技术

10.3随机振动环境模拟10.3.1关于振动模拟随机振动的等价条件主要是模拟试验与现场试验的功率谱相等。模拟实验实物实验模型实验模拟方式振源模拟响应模拟失效模拟振源模拟要满足：(10.6)(10.7)2023/2/67第10章随机振动试验与控制技术

当振源数据难以获得时，采用响应模拟：(10.6)(10.7)10.3.2有限点模拟(10.8)

模拟(a)图中1点响应，只需改变输入即可。2023/2/68第10章随机振动试验与控制技术

式中，表示系统的诸频率响应函数，表示响应观测点，激振点。(10.9)2023/2/69要给、、（同）的实部、虚部共四个量以一组确定的值，只要调整、、的实部和虚部四个量即可。也就是说，要想精确模拟两个点处的响应谱密度及它们之间的互谱密度，最少需要两个激振器。第10章随机振动试验与控制技术

10.3.3用一个激振器多点模拟2023/2/610第10章随机振动试验与控制技术

现场振动：(10.9)模拟实验时：(10.11)若调整，使：则要求：(10.10)(10.12)2023/2/611第10章随机振动试验与控制技术

显然可以实现。如果令：2点处运动的功率谱(10.13)(10.14)则(10.15)2023/2/612第10章随机振动试验与控制技术

同时还可以推导出：如果令因此当、两个条件满足时，就可获得1、2两点处运动的正确模拟。但这两个条件不能精确满足。当系统的各阶固有频率相互离得很远，且各阶模态阻尼很小时，近似满足上面条件，此时在各阶固有频率附近，就可以用一个激振器近似模拟两点的运动。(10.17)则(10.16)2023/2/61310.4.1正弦振动试验系统

第10章随机振动试验与控制技术

10.4振动试验系统分类（1）定频试验在一个或几个频率下进行定频试验，以考核试件的抗振能力和耐振强度。（2）正弦扫描（扫频）试验规定量级，正弦激励信号的频率随时间变化。2023/2/614第10章随机振动试验与控制技术

A.线性扫描扫描的时间：B.对数扫描或：(10.18)(10.19)(10.20)2023/2/615

由（10.20）知，以对数扫描率在频带内单向扫描一次所发生的总的振动次数N表示为：第10章随机振动试验与控制技术

工程中常用倍频程扫描，表示为：k-单位时间内扫过频率的倍频程数目，称为倍频程扫描率。取(10.21)用于计算疲劳试验次数。2023/2/616第10章随机振动试验与控制技术

*带谷不带谷之分：试验时，振动台面对试件的激励位移幅值或加速度幅值保持某个预定数值。实际情况下，激励可能是力，或者是运动参数，但量值不是保持不变。因此在某些频段内，可能出现过试验。为此，采用控制台面的运动参数自动适应共振引起使运动参数量值下降，因而在谱图上出现谷值。**慢速扫描：环境试验，寻找共振点，信噪比低。*快慢之分**快速扫描：线性度好，用于模态分析的激励技术，信噪比高2023/2/61710.4.2随机振动试验系统

第10章随机振动试验与控制技术

（1）模拟式随机振动试验系统

A均衡的概念均衡是对不同频段上功率放大器的输入信号进行不同程度的放大和衰减，使振动台的振动或者试件上某点的振动达到预定的要求。也就是说，均衡是对不同频段上的振动能量进行重新分配，以实现随机振动控制。2023/2/618第10章随机振动试验与控制技术

B“峰-谷”均衡器“峰-谷”均衡器是由变Q与变通带滤波器组成。有几对峰-谷就需几个均衡器串联起来。2023/2/619第10章随机振动试验与控制技术

C多通道滤波均衡系统

将试验频率范围划分成若干离散的滤波器频带，然后调每个频带增益，以达到均衡的目的。（2）数字控制振动试验系统A功率谱再现式随机振动实验1）功率谱再现式随机振动实验*宽带随机试验2023/2/620第10章随机振动试验与控制技术

2023/2/621第10章随机振动试验与控制技术

*窄带随机试验图6.16窄带随机振动2023/2/622第10章随机振动试验与控制技术

*扫频随机振动试验：用窄带随机信号对很宽的实验频段扫描激振。图6.17窄带随机试验谱型2023/2/623第10章随机振动试验与控制技术

*宽带随机+正弦定频图7.2随机振动自功率谱法原理图*宽带随机+正弦扫描实验2023/2/624第10章随机振动试验与控制技术

图7.8波形再现原理示意图2）波形再现式控制系统：不丢失相位，但再现的频率范围较低。2023/2/625第10章随机振动试验与控制技术

10.5激振设备的选择与安装10.5.1振动试验台(1)振动试验台的类型和特点类型激振器特点机械振动台直接作用式:利用凸轮直接驱动工作台.

载荷和推力很大，比较容易在同一台面上实现不同方向的振动，价格低廉，工作可靠，使用维护方便。工作频率范围窄，加速度失真较大。可满足实验方法中低频段实验要求，适用于中小型整机、仪器、仪表、家用电器及零部件振动试验。惯性式:利用不平衡质量旋转产生的离心力作为激振动力,一般用弹性元件支承.可分为共振区工作和超共振区工作两种.2023/2/626第10章随机振动试验与控制技术类型激振器特点电动振动台由恒定的磁场和位于磁场中通有一定交变电流的线圈相互作用而产生出一定的激振力。

工作频率宽，振动波形好，易于自动控制，操作调节方便；但结构复杂，价格较昂贵，载荷和工作台面不大，某些振动台漏磁场较大。可满足试验方法中规定的5Hz以上的各频段试验要求，适用于各类电子器件的振动试验。配备附加台面和水平台，还可适用中小型整机振动试验。类型激振器特点液压振动台通过一定的能量转换装置,将油泵流出的高压流体的能量转换成激振力，以驱使振动台往复运动。常用的转换装置是由电液伺服阀和液压作动筒组成,亦称”电液”振动台。下限频率低，较能容易地实现大推力,重载荷、大位移，易于自动控制，对试品无磁场影响；但设备复杂，价格昂贵，设备基础要求高。可满足试验方法中低、中频段的试验要求，试用于地震、船舶、拖拉机等行业的各类产品试验。2023/2/627第10章随机振动试验与控制技术类型激振器特点电磁振动台由电磁铁和磁性材料相互作用产生激振力，以驱动振动台往复运动。结构简单，价格低廉，但频率单一，若需要其它工作频率，控制复杂，功耗大。主要用于振动机械，很少用于振动试验。压电振动台由压电元件的压电效应的激振力来驱动工作台。工作频率范围可达20-10000Hz以上，但激振力很小，仅用于小型薄壁件的试验。磁致伸缩振动台由磁致伸缩元件磁致伸缩效应产生的激振力来驱动工作台。工作频率可达上万Hz，可用来作超声波激振。2023/2/628第10章随机振动试验与控制技术

(2)电动振动台A.电动振动台的原理和结构

电动振动台是将电能转换为机械能的换向器。基本工作原理是基于载流导体在磁场中要受到电磁力作用的安培定律。如图所示，电动振动台的推力为:式中，B为环行气隙中磁感应强度（wb/m2）,l为动圈绕线的有效长度（m），动圈中的电流（A）。电动振动台工作原理图2023/2/629第10章随机振动试验与控制技术

电动振动台主要由活动系统（驱动线圈和工作台）、磁路系统、弹性支承系统、导向系统以及冷却系统组成，如图所示。电动振动台结构示意图导向机构的作用是限制振动台的横向运动，弹性支承系统则用来产生恢复力和支承力，冷却系统用强迫冷却来降低温升。2023/2/630第10章随机振动试验与控制技术

B.电动振动台的动力学参数

电动振动台的推力是指振动台负载情况下输出的总推力，包括无用推力和有用推力两部分。

电动振动台的动力学参数：推力、激振频率、固有频率、弹性元件刚度、参振质量等。无用推力F0是振动台体活动部分消耗的推力，即：为振动台体活动部分质量；为振动台空载最大加速度幅值。当振动台负载质量为零时，台体推力全部消耗在推动自身活动部分质量上，此时有用推力为零。2023/2/631第10章随机振动试验与控制技术

推力－负载－加速度曲线图振动台额定宽带推力计算：2023/2/632的确定：在频率与标准电流的条件下，测量空载台面加速度和负载为的工作台面加速度，等效质量为：第10章随机振动试验与控制技术

式中为规定的试验负载，为活动部分的等效质量；为随机振动的方均值加速度。式中，为包含激励频率和运动部分悬挂固有频率的修正项。2023/2/633第10章随机振动试验与控制技术

C.电动振动台的基本参数及技术指标

最大推力:

频率范围:振动台允许的工作频率范围

最大载荷：振动台+试件+夹具的最大质量;偏载力矩;振动台所能承受的最大扭矩。

最大振幅：空载最大加速度幅值；负载最大加速度幅值；最大速度幅值；最大位移幅值。2023/2/634第10章随机振动试验与控制技术C.电动振动台的基本参数及技术指标

加速度波形失真度

台面加速度幅值均匀度：

频率指示误差

频率稳定度2023/2/635第10章随机振动试验与控制技术C.电动振动台的基本参数及技术指标加速度幅值指示误差定振精度差：振动台空载和满载，在规定的频率范围内，以规定的扫描速率进行定位移-定加速度幅值自动往复扫描的过程中，电平记录仪测量记录的定振频率特性曲线的最大不平坦度（以dB计）。

台面漏磁辐射噪声最大声级台面温度：振动台空载，在机电共振频率上，已空载最大加速度幅值作定频振动，按规定的连续工作时间连续运行，台面温度的最大值。2023/2/636第10章随机振动试验与控制技术本底噪声加速度：接通振动台电源，激磁、冷却装置及功率放大器均处于工作状态，在控制装置的输出信号为零时，台面产生的噪声加速度的有限值。（3）功率放大器功率放大器是电动台的推动电源，它把来自信号源的小功率信号放大，供给驱动线圈足够的不失真功率驱动电源。（4）振动控制仪功能：产生频率和波形都能满足要求的激励信号，并按着试验规范的要求调节振动量级以实现可控制的振动试验。2023/2/637第10章随机振动试验与控制技术

2023/2/638第10章随机振动试验与控制技术

（1）为振动台功率放大器（或伺服放大器）提供正弦扫描信号电压，频率上限、频率下限、扫频速率可调节，在整个频率范围内以不同的速率进行线性或指数扫频。（2）对台体产生的加速度、速度、位移能够精确地定振，使其符合试验规范要求的定振动幅值的容差范围。（3）在较宽的频程序进行定位移、定速度、定加速度交越控制。（4）能设定往复次数，完成试验后自动停机。（5）有输出接口，便于与振动分析仪、记录仪连接。（A）正弦振动控制仪功能：

2023/2/639第10章随机振动试验与控制技术

（B）随机振动控制系统（5）有输出接口，便于与振动分析仪、记录仪连接。2023/2/640第10章随机振动试验与控制技术

10.5.2激振器-无台面（1）分类（2）激振器的安装与使用A电动式激振器的安装方式*固定安装方式*悬吊式安装方式*弹性支承方式B激振器顶杆与试件的连接方式*拉压式：用螺钉螺母直接联接，适于结构刚度较小的柔性结构2023/2/641第10章随机振动试验与控制技术10.5.2激振器-无台面（1）分类和特点类型名称原理机械式惯性激振器单轴惯性激振器双轴惯性激振器多轴惯性激振器利用偏心质量旋转时产生的离心惯性力作为激振力，可产生较大的激振力而尺寸较小，结构简单，便于制造，波形不好，频段窄，轴及轴承承受的动载荷大电气式激振器电动式激振器利用通有交变电流的线圈在磁场中受力而激振力电磁式激振器（磁吸式、磁动式）利用交变磁场与恒定磁场叠加，对磁场内活动衔铁产生极化作用，使衔铁受交变磁力而产生激振力涡流式激振器利用置于磁场中的试件和与其不接触的通有交变电流的线圈间产生的涡流而形成激振力2023/2/642第10章随机振动试验与控制技术10.5.2激振器-无台面（1）分类和特点类型名称原理电气式激振器（续）涡流式激振器利用置于磁场中的试件和与其不接触的通有交变电流的线圈间产生的涡流而形成激振力压电式激振器利用逆压电效应，在压电晶体两极施加高频交变电压，晶体产生高频激振力磁致伸缩式激振器利用铁磁材料的磁致伸缩效应，当镍铁杆处于交变磁场中，会使杆产生拉伸和压缩变形而产生相应的激振力液动、气动式激振器液动式激振器利用一定的能量转换装置将液压能换成往复运动的机械能而产生激振力气动式激振器利用一定的能量转换装置将一定压力的气体能量转换为往复运动的机械能而产生激振力2023/2/643第10章随机振动试验与控制技术（2）激振器的原理和结构机械式惯性激振器2023/2/644第10章随机振动试验与控制技术电动式激振器2023/2/645第10章随机振动试验与控制技术电磁式激振器2023/2/646第10章随机振动试验与控制技术涡流式激振器2023/2/647第10章随机