第八章机械振动测试

第八章机械振动测试第一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五学习要求完成本章内容的学习后应能做到：

1.了解振动测试的基本原理2.掌握测振系统的组成及各部分的作用

3.了解振动分析仪器4.了解振动系统动态特性测试第二页，共五十七页，编辑于2023年，星期五★振动测试的目的：(1)对正在工作着的结构或部件进行实时测量和分析。测量的内容包括振动位移、速度、加速度、相位等参数，响应的分析有幅值域分析、时域分析和频谱分析。(2)测定结构或部件的动态特性。以某种激励力作用在被测对象上，使之产生受迫振动，同时测定输入（激振力）和输出（被测对象的振动），并依次确定被测对象的固有频率、阻尼、刚度和振型等动态参数。第三页，共五十七页，编辑于2023年，星期五第八章机械振动测试一、机械振动的类型1、按振动的规律分类（1）确定性振动一般分为以下几种：周期振动非周期振动瞬态和冲击振动确定性振动复杂周期振动(非简谐振动)准周期振动正弦周期振动(简谐振动)§8-1振动的基本原理第四页，共五十七页，编辑于2023年，星期五（2）随机振动一般分为以下几类：2、按振动的原因分类（1）自由振动（2）受迫振动随机振动非平稳随机振动平稳随机振动各态历经振动非各态历经振动§8－1振动的基本原理第五页，共五十七页，编辑于2023年，星期五3、按振动系统的自由度数目分类（1）单自由度振动系统（2）两自由度、多自由度系统振动二、单自由度系统的受迫振动图8-1为典型的单自由度线性系统的力学模型图，它是一个惯性质量、理性的弹簧和粘性阻尼器组成，受外界激振力作用的单自由度线性系统的受迫振动问题。§8－1振动的基本原理第六页，共五十七页，编辑于2023年，星期五该系统的运动特性可以用而阶线性微分方程来表示：式中：m——质量；c——粘性阻尼系数k——弹簧的刚度系数；F(t)——外界激振力图8-1单自由度线性系统力学模型F(t)x§8－1振动的基本原理第七页，共五十七页，编辑于2023年，星期五★其中,作用在系统上的激振力分为：

简谐激振力、非简谐激振力、任意激振力1、简谐激振力引起的受迫振动简谐激振力F(t)=F0

sinωt式中：F0——激振力振幅；

ω——激振力的角频率；则系统的运动方程可写为§8－1振动的基本原理第八页，共五十七页，编辑于2023年，星期五设——系统的固有角频率；——系统的阻尼率；则上式可写成这是一个典型的二阶系统，可求得系统的幅频和相频特性：§8－1振动的基本原理第九页，共五十七页，编辑于2023年，星期五式中B/B0——振幅比；

B0=F0/k——静位移；

λ=ω/ω0——频率比。§8－1振动的基本原理第十页，共五十七页，编辑于2023年，星期五由幅频特性曲线可知，最大幅值对应的频率为ωr，称为位移谐振频率，其值可从幅频特性表达式的分母对λ的一阶导数为零求得随着阻尼的增加，共振峰向原点移动，在小阻尼时ωr接近ωn，故常直接用ωr作为ωn的估计值。若研究的响应是速度，相应的共振频率称为速度共振频率，速度共振频率始终与固有频率相等。对于加速度响应的共振频率则总是大于系统的固有频率。第十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五从相频曲线上看到，不管系统的阻尼比是多少，在λ＝1时，位移始终落后于激振力90度，这种现象称为相位共振。当系统有一定阻尼时，位移幅频特性曲线变得比较平坦，位移共振频率既不易测准又偏离固有频率。但从相频特性曲线看，在固有频率处位移响应总是滞后90度，而且这段曲线比较陡峭，频率稍有偏离，相位就明显偏离90度，所以用相频特性曲线来捕捉固有频率比较准确，故相位测量具有更重要的意义。第十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期五2、基础运动产生的受迫振动在许多情况下，振动系统的受迫振动是由基础的运动引起的。设基础的绝对位移为z1，质量块m的绝对位移为z0，则如下图

惯性式拾振器的力学模型所示。质量块m的运动方程为第十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期五令z01(t)=z0(t)-z1(t)，为质量块m对基础的相对位移，则上式为幅频特性函数A(ω)分别为力学模型第十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期五第十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期五由幅频特性图可见，当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。而当激振频率远高于固有频率时，A(ω)接近于1。这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。第十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期五相频特性函数为第十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期五§8-2测振系统一、测振系统的组成

常用测振系统原理如下图：传感器的分类：发电型、参数型发电型：压电式、电动式、电磁式参数型：电容式、电感式、电阻式第八章机械振动测试第十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图振动测量系统框图§8－2测振系统第十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期五★

最常用的测振传感器是：

磁电式速度传感器、电阻应变式加速度传感器、压电式加速度传感器。1、磁电式加速度传感器

磁电式速度传感器是利用电磁感应原理制成的用以测量振动位移、速度、加速度的传感器，有动圈式、动磁式和可变间隙式等结构形式。下面的图8-3是一种动圈式速度传感器的结构图。§8－2测振系统二、测振传感器第二十页，共五十七页，编辑于2023年，星期五1-弹簧片2-永久磁铁3-阻尼环4-铅框架5-芯杆6-壳体7-工作线圈8-弹簧片9-接线端图8-3动圈式速度传感器结构图§8－2测振系统第二十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五★原理：

处在磁场中的线圈以被测振动的速度切割磁力线，使线圈产生感应电动式。设被测的振动速度则传感器的输出电压为式中B——磁感应强度；N——线圈扎数；L——每匝线圈导线长度从上式看出，B、L、N均为常数时，线圈中感应电势与被测速度成正比。§8－2测振系统第二十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期五2、压电式加速度传感器（1）结构形式压电式加速度传感器是利用压电材料（如石英晶体，压电陶瓷）的压电效应原理，将被测物体的振动加速度转化为电信号（电压或电荷）输出的测振传感器。压电式加速度传感器主要由以下几部分组成：压电晶体、质量块、底座和外壳等部分。图8-4为一般压电加速度传感器的结构：§8－2测振系统第二十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期五1－碟形弹簧2－质量块3－晶体片4－壳体机座图8-4压电加速度传感器的结构§8－2测振系统第二十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期五★变换原理：

压电式加速度传感器以被测对象的绝对加速度为输入，以质量块相对壳体的位移为输出，类似一个弹簧-质量-阻尼系统，故可求出压电加速度传感器的幅频特性为：图8-5为压电式加速度传感器的幅频特性。图8-5压电式加速度传感器幅频特性§8－2测振系统第二十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期五(2)主要性能参数①灵敏度：压电式加速度传感器属发电型传感器，可把它看成是一个电荷源或电压源，故灵敏度也可分别用电荷灵敏度和电压灵敏度来表示。

电荷灵敏度是指单位加速度所产生的电荷量值大小，可表示为：式中m－质量块质量；q－电荷量；d－压电系数§8－2测振系统第二十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期五

电压灵敏度是指单位加速度产生的电压量值大小，可表示为：式中c－传感器电容量、电缆电容量、放大器输入电容量之和。②频率响应：压电式加速度传感器的频率响应常以灵敏度－频率曲线来表示，如压电式加速度传感器幅频特性图（见图8-5），它表明了加速度传感器的灵敏度随频率变化的情况。§8－2测振系统第二十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期五③横向灵敏度：压电式加速度传感器的横向灵敏度是指它对横向（垂直于主轴方向）振动的灵敏度，通常用主轴方向灵敏度的百分比来表示。横向灵敏度越小越好，在低频范围内应小于或等于主轴方向上灵敏度的5％。3、使用上限频率与安装方法使用上限频率取决于幅频特性曲线中的谐振频率，而加速度传感器说明书中幅频特性曲线是在传感器与试件完全刚性连接的情况下给出的。§8－2测振系统第二十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期五§8－2测振系统第二十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期五实际使用时，这个条件很难满足。因此不同的安装方法，传感器的谐振频率和使用上限频率都有所降低。图8-6为加速度传感器在不同情况下的固定方法。★

注意：由于安装固定传感器的方法不同，实际的谐振频率会有较大的变化，其值是决定传感器使用上限频率的依据。★压电式加速度传感器的优点：结构简单、体积小、质量轻、频率响应好、测量范围宽等。§8－2测振系统第三十页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-6压电式加速度传感器的安装方法及幅频特性曲线§8－2测振系统第三十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五三、测振放大器分类：微积分放大器、电压放大器和电荷放大器、动态应变仪和差动变差放大器以及调频放大器等。§8－2测振系统第三十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期五§8-3振动分析仪器一、振动计振动计是用来直接指示位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰－峰值、平均值或均方根的仪器。第八章机械振动测试二、模拟式频谱分析仪的原理和测试框图1、带通滤波的频谱分析仪第三十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期五第三十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-7相关滤波振动分析仪工作原理图§8－3振动分析仪器2、相关滤波振动分析仪相关滤波的振动分析仪的工作原理如图8-7所示。第三十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期五三、数字式频谱分析仪实现数字频谱分析主要有两种方法，一种是数字滤波法，另一种是快速傅立叶分析法。1、数字滤波法§8－3振动分析仪器图8-8数字滤波式频谱分析仪的原理图第三十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期五§8－3振动分析仪器图8-9快速傅立叶分析法2、快速傅立叶分析法第三十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期五一、激励方式可分为三类1、稳态正弦激振

工作原理：是对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力。

优点：激振功率大、信噪比高，能保证低频响应对象的测试精度。

缺点：需要很长的测试周期才能得到足够精度的测试数据，特别是对小阻尼对象，为了达到“稳态”，要有足够的时间。第八章机械振动测试§8-4振动系统动态特性测试第三十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期五2、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。如图8-10是一个二电平制伪随机信号u(t)及其自相关函数和近似的自功率谱密度函数。

特点：可实现快速甚至“实时”测试的优点，但它所用的设备复杂，价格较昂贵。3、瞬态激振同随机激振一样，同属于宽带激振法，可由激振力和响应的自谱密度函数和互谱密度函数求的系统的频响函数。常用的有以下几种：§8－4振动系统动态特性测试第三十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-10伪随机信号及其功率谱§8－4振动系统动态特性测试111100010011010第四十页，共五十七页，编辑于2023年，星期五（1）快速正弦扫描激振激振信号由振动频率可控制变化的信号发生器供给。通常采用线性的正弦扫描激振，激振信号的频率在扫描周期T中呈线性增大，但幅值保持为常值。激振函数f(t)的形式为：图8-11所示为快速正弦扫描信号及其频谱。式中§8－4振动系统动态特性测试第四十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-11快速正弦扫描信号及其频谱。§8－4振动系统动态特性测试第四十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期五（2）脉冲激振脉冲激振是用一把装有力传感器的锤子(称脉冲锤）敲击试件，使试件受到一个脉冲力的作用激起振动称为脉冲激振。（如图）脉冲锤的结构如图8-12所示§8－4振动系统动态特性测试（3）阶跃（张弛）激振第四十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图半正弦波及频谱第四十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期五1－锤头垫2－锤头3－压紧套4－力信号引出线5－力传感器6－预紧螺母7－销8－锤体9－螺母10－锤柄11－配重块12－螺母图8-12脉冲锤的结构§8－4振动系统动态特性测试第四十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期五二、激振器激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，从而激起试件振动的装置。常用激振器分类：电动式、电磁式、电液式。1、电动式激振器电动式激振器按磁场的形成方式分永磁式和励磁式两种结构。图8-13所示为电动式激振器的结构图。§8－4振动系统动态特性测试第四十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-13电动式激振器1－顶杆2－弹簧3－动圈4－磁极板5－磁钢6－中心磁极7－外壳8－铁芯9－励磁圈§8－4振动系统动态特性测试第四十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-14绝对激振时激振器的安装1－弹簧2－激振器3－试件4－支架§8－4振动系统动态特性测试4高频激振低频激振第四十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期五2、电磁式激振器电磁式激振器是直接利用电磁力作激振力。激振器具有体积小、重量轻，激振力大，并且是非接触式的，所以通常用作相对激振，其结构如图8-15所示。电磁激振器的突出优点是与试件不接触，因此可以对旋转着的对象进行激振。它没有附加质量和刚度的影响。该激振器的频率上限为500～800Hz§8－4振动系统动态特性测试第四十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期五图8-15电磁激振器1－底座2－铁芯3－励磁线圈4－衔铁

5－力检测线圈6－位移传感器§8－4振动系统动态特性测试第五十页，共五十七页，编辑于2023年，星期五3、电液式激振器电液式激振器是根据电－液原理制成的一种激振设备，其优点是能在比较低频率（0～10Hz）下工作，并能产生很大的激振力和大位移，适合做大型结构的激振试验。如图8-16所示为电液式激振器的结构原理图。图8-16电液式激振器的原理图1－顶杆2－电-液伺服阀3－活塞§8－4振动系统动态特性测试第五十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期五1、机械阻抗的概念机械阻抗（Mechanicalimpedance）是机械系统动态特性的一种描述方法，它的用途很多，能够提供有关材料、元件或结构的刚度、阻尼特性等信息。应根据激振频率和所研究问题的性质，来选用机械阻抗或导纳的不同表达形式。