第四章 机械振动测试与分析

测试技术基础第四章机械振动测试系统1、机械振动定义物体在一定位置附近所做的周期性往复运动。2、机械振动产生的物理原因机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。3、振动测试的研究内容4.1概述振动分析已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应系统识别已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性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小轿车的乘坐舒适性试验框图

机械振动测试系统的一般组成框图

测试系统包括三个主要部分：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、功率放大器和激振器组成。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、放大器组成。分析记录部分：将拾振部分传来的信号记录下来供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。振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。4.2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：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止不动的。电测法机械测量法光测法按照测量时选择参考点的不同，可分为：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)（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、多自由度系统振动力作用在质量块上的单自由度系统质量m在外力的作用下的运动方程为式中，c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度。ƒ(t)为系统的激振力，即系统的输入，z(t)为系统的输出。拉氏变换ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为4.2.2单自由度系统的受迫振动

令s=jω，则力作用在质量块上的单自由度系统系统的固有频率系统的阻尼率幅频曲线相频曲线在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率

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ωr即为固有频率ωn

当系统的阻尼ζ很小时，位移共振频率ωr接近系统的固有频率ωn，可用作为ωn的估计值。幅频曲线不管系统的阻尼率为多少，在ω/ωr=1时位移始终落后于激振力90º，此现象称为相位共振。相频曲线利用相频特性来确定固有频率比较准确幅频曲线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。由基础运动所引起的受迫振动

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单自由度系统的基础振动

设基础的绝对位移为Z1，质量m的绝对位移为Z0，则系统的振动可用方程式表示为：拉氏变换并，令s=jω

得系统的幅频特性和相频特性幅频曲线相频曲线由幅频特性图可见，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。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K(s)=F(s)/Y(s)传递函数频率响应函数H(s)=Y(s)/F(s)H(ω)=Y(ω)/F(ω)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K(ω)=F(ω)/Y(ω)机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳4.2.4机械阻抗的概念

4.3振动的激励

1)激励部分

2)拾振部分3)分析记录部分

稳态正弦激振施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，ƒ(t)=F0sinωt。随机激振优点：设备通用，可靠性较高缺点：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，但设备较复杂，价格昂贵.——带宽激振法4.3.1激振的方式

瞬态激振①快速正弦扫描激振②脉冲激振③阶跃激振采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励ƒ(t+T)=ƒ(t)=A0sin2π(at+b)t(0<t<T)式中，a=(ƒmax-ƒmin)/T，b=ƒmin

(8-21)用一般装有力传感器的锤子敲击试件，使试件受到脉冲力的作用而引起的激振。快速正弦扫描信号及其频谱

包括振动台和激振器满足条件：在一定的频率范围内提供波形良好、幅值足够的稳定交变力某些情况下需要施加稳定力，使结构受到一定的预加载荷电动式激振器当激振器的可动系统质量很小，弹性系数极低时，弹性力和惯性力可忽略，认为电动力等于激振力激振器通过顶杆传递给被测对象的激振力为电动力和可动系统的惯性力、弹性力、阻尼力之差，还是频率的函数。8.3.2激振设备

电磁式激振器

当直流激励线圈电流为I0，交流激励线圈电流为I1，铁芯内产生的磁感应强度为B=B0+B1cosωt式中，B0为I0产生的不变的磁感应强度；B1为I1产生的交变磁感应强度的峰值.铁芯对被测对象产生的电磁吸力为式中，A为铁芯的截面积，μ0为真空的导磁率电磁激振器

固定分量一次分量二次分量二次谐波分量与一次谐波分量的幅值比：B1/4B0

当B0»B1时，二次分量可忽略，此时这样，产生的交变力波形和磁感应强度波形基本相同又称为“拾振器”根据振动测量的力学原理惯性式（绝对式）拾振器相对式拾振器按照测量时拾振器是否和被测件接触接触式拾振器又可分为相对式和绝对式两种非接触式拾振器接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器4.4测振传感器(拾振器)惯性式拾振器的力学模型

惯性式拾振器内的惯性系统可以看出由基础运动引起质量块的受迫振动。幅频曲线

相频曲线1、拾振器的工作原理幅频曲线相频曲线由幅频图，只有当ω/ωn»1，即ω»ωn的情况下，A(ω)≈1，满足测试幅值不失真的条件；当系统的阻尼率ζ接近0.7时，A(ω)更接近直线由相频图，当ω»ωn时，没有一条相频曲线为近似斜率为负的直线，故不能满足动态测试相位不失真的条件；而当ω>(7~8)ωn时，相位差接近-180º，此时满足测试相位不失真的条件。使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的阻尼率在0.5~0.7之间，这样可以保证工作频率的下限到ω=1.7ωn，幅值误差不超过5％当使用ω>(7~8)ωn进行相位测试时，需要用移相器获得相位信息。设计和使用惯性式拾振器时2、选择测振传感器的原则

采用位移传感器的情况

用速度传感器的情况（很少使用

）采用加速度传感器的情况

要使惯性式位移传感器输出位移能正确地反映被测振动的位移量，必须满足下列条件：1）一般取即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动下限频率。此时，不产生振幅畸变，

。2）选择适当阻尼，可抑制处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限频率。1.惯性式位移传感器的正确响应条件位移传感器的频率范围：位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性、后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。下限测量频率则受弹性