1、1測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)2主要內(nèi)容主要內(nèi)容8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 振動的基本知識振動的基本知識8.3 8.3 振動的激勵振動的激勵8.4 8.4 測振傳感器測振傳感器( (拾振器拾振器) )8.5 8.5 振動信號分析儀器振動信號分析儀器8.6 8.6 振動測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例振動測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例8.7 8.7 機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計8.8 8.8 小結(jié)小結(jié)3小轎車的乘坐舒適性試驗框圖小轎車的乘坐舒適性試驗框圖 8.1 概述概述4振動研究所涉及的問題振動研究所涉及的問題 振動分析振動分析 已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，求系統(tǒng)的響應(yīng)

2、已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，求系統(tǒng)的響應(yīng) 系統(tǒng)識別系統(tǒng)識別 已知系統(tǒng)的激勵和系統(tǒng)的響應(yīng)，求系統(tǒng)的特性已知系統(tǒng)的激勵和系統(tǒng)的響應(yīng)，求系統(tǒng)的特性 環(huán)境預(yù)測環(huán)境預(yù)測 已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài)已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài) 機(jī)械振動測試系統(tǒng)的一般組成框圖機(jī)械振動測試系統(tǒng)的一般組成框圖 58.2 振動的基本知識振動的基本知識機(jī)械振動的測量方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式分為：機(jī)械振動的測量方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式分為：相對測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)中的某固定點(diǎn)或運(yùn)動點(diǎn)相對測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)中的某固定點(diǎn)或運(yùn)動點(diǎn)絕對測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)外的某一點(diǎn)，該點(diǎn)相對于地

3、球是靜絕對測量法：測量參考點(diǎn)為系統(tǒng)外的某一點(diǎn)，該點(diǎn)相對于地球是靜止不動的。止不動的。電測法電測法機(jī)械測量法機(jī)械測量法光測法光測法按照測量時選擇參考點(diǎn)的不同，可分為：按照測量時選擇參考點(diǎn)的不同，可分為：6按照振動產(chǎn)生的原因按照振動產(chǎn)生的原因 自由振動自由振動受迫振動受迫振動 自激振動自激振動振動頻率和固有頻率之間的關(guān)系為振動頻率和固有頻率之間的關(guān)系為 nd21其中，其中，n為系統(tǒng)的固有頻率，為系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼率為阻尼率 系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率 振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。 8.2.1 振動的分類振動的分類 7按系統(tǒng)的輸出分按系統(tǒng)的輸

4、出分 簡諧振動簡諧振動周期振動周期振動瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動 隨機(jī)振動隨機(jī)振動 按系統(tǒng)自由度分按系統(tǒng)自由度分 單自由度系統(tǒng)振動單自由度系統(tǒng)振動 多自由度系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動 連續(xù)彈性體振動連續(xù)彈性體振動 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分 線性振動線性振動 非線性振動非線性振動 8力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)質(zhì)量質(zhì)量m在外力的作用下的運(yùn)動方程為在外力的作用下的運(yùn)動方程為 )(22tfkzdtdzcdtzdm式中，式中，c為粘性阻尼系數(shù)，為粘性阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度。為彈簧剛度。(t)為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入，z(t)為系

5、統(tǒng)的輸出。為系統(tǒng)的輸出。 拉氏變換拉氏變換 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 kcsmssfszsH21)()()(8.2.2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 9kcsmssfszsH21)()()(令令s=j，則，則 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)122/11)(1)()()(222kmkmcjkmkkjcmkcjjmjfjzjH)/(2)/(1111211222nnnnjkjkmkn/kmc2系統(tǒng)的固有頻率系統(tǒng)的固有頻率 系統(tǒng)的阻尼率系統(tǒng)的阻尼率 102222)/(4)/(111)(nnkjA2)/(1)/

6、(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 mkn/kmc211在在幅頻曲線幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱為上幅值最大處的頻率稱為位移位移共振頻率共振頻率 221nr隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動；隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動； 當(dāng)無阻尼時，位移共振頻率當(dāng)無阻尼時，位移共振頻率r即為固有頻率即為固有頻率n 當(dāng)系統(tǒng)的阻尼當(dāng)系統(tǒng)的阻尼很小時，位移共振頻率很小時，位移共振頻率r接近系統(tǒng)的固有頻率接近系統(tǒng)的固有頻率n，可用作為的估計，可用作為的估計值。值。 幅頻曲線幅頻曲線 12不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在/r=1時位移始終落后于激振力時位移始終落后于激

7、振力90，此，此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為相位共振相位共振。 相頻曲線相頻曲線 利用相頻特性來確定固有頻率比較準(zhǔn)確利用相頻特性來確定固有頻率比較準(zhǔn)確 幅頻曲線幅頻曲線 13由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動由基礎(chǔ)運(yùn)動所引起的受迫振動 單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動 力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng)14單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動 設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為Z1，質(zhì)量，質(zhì)量m的絕對位移為的絕對位移為Z0，則系統(tǒng)的振動可用方程式表示為：則系統(tǒng)的振動可用方程式表示為： 21201012012dtZdmkZdtdZcdtZdm拉氏變換并，令拉氏變換并，

8、令s=j 22222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 1522222)/(4)/(1)/(1)(nnnkjA2)/(1)/(2)(nnarctgj幅頻曲線幅頻曲線 相頻曲線相頻曲線 16 多自由度系統(tǒng)在特定條件下，都按某一階固有頻率進(jìn)行簡諧振動，這種多自由度系統(tǒng)在特定條件下，都按某一階固有頻率進(jìn)行簡諧振動，這種振動稱為主振型振動稱為主振型 二自由度系統(tǒng)振型二自由度系統(tǒng)振型 8.2.3 多自由度系統(tǒng)振動多自由度系統(tǒng)振動 17機(jī)械阻抗機(jī)械阻抗: 線性動力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵的情況下，在頻域內(nèi)激勵與響應(yīng)之比

9、線性動力學(xué)系統(tǒng)在各種激勵的情況下，在頻域內(nèi)激勵與響應(yīng)之比 K(s)=F(s)/Y(s) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) H(s)=Y(s)/F(s) H()=Y()/F() 機(jī)械系統(tǒng)框圖機(jī)械系統(tǒng)框圖機(jī)械阻抗為系統(tǒng)傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù)機(jī)械阻抗為系統(tǒng)傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)的倒數(shù) K()=F()/Y() 機(jī)械阻抗的倒數(shù)為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納機(jī)械阻抗的倒數(shù)為頻率響應(yīng)，又稱為機(jī)械導(dǎo)納 8.2.4 機(jī)械阻抗的概念機(jī)械阻抗的概念 18設(shè)激振力為設(shè)激振力為(t)=F0ejt 位移阻抗位移阻抗 )(00)()()(jDeYFjYjFK速度阻抗速度阻抗 加速度阻抗加速度阻抗 位移導(dǎo)納位移導(dǎo)

10、納 速度導(dǎo)納速度導(dǎo)納 加速度導(dǎo)納加速度導(dǎo)納 2)(00)()()()()(jveYFjVjFjYjFZ)(200)()()()()(jaeYFjAjFjYjFZ )(00)()()(jeFYjFjYW)2(00)()()()()(jeFYjFjVjFjYB)(020)()()()()(jeFYjFjAjFjYJ 198.3 振動的激勵振動的激勵 1)激勵部分激勵部分 實(shí)現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振裝置組成。 2)拾振部分拾振部分 檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號)。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。 3

11、)分析記錄部分分析記錄部分 將拾振部分傳來的信號記錄下來供以后分析處理或直接近行分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。20穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振 施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，(t)=F0sint。 隨機(jī)激振隨機(jī)激振優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性較高優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性較高 缺點(diǎn)：需要較長的測定時間缺點(diǎn)：需要較長的測定時間 一般進(jìn)行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而一般進(jìn)行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而在靠近固有頻率的重要頻段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴(yán)格的動態(tài)在靠近固有頻率的重要頻段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴(yán)格的動

12、態(tài)特性特性 用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為振動的信號源進(jìn)行的激振用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為振動的信號源進(jìn)行的激振 Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf) 該方法具有快速實(shí)時的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價格昂貴該方法具有快速實(shí)時的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價格昂貴. 帶寬激振法帶寬激振法 8.3.1 激振的方式激振的方式 21瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 快速正弦掃描激振快速正弦掃描激振 脈沖激振脈沖激振 階躍激振階躍激振 采用周期為采用周期為T的頻率線性變化的正弦信號進(jìn)行激勵的頻率線性變化的正弦信號進(jìn)行激勵(t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0t(78)n時，相時，相位差接近位差接近-180，

13、此時滿足測試相位不失真的，此時滿足測試相位不失真的條件。條件。 使慣性式拾振器的固有頻率較低，同時使系統(tǒng)的使慣性式拾振器的固有頻率較低，同時使系統(tǒng)的阻尼率在阻尼率在0.50.7之間，這樣可以保證工作頻率的下之間，這樣可以保證工作頻率的下限到限到=1.7n，幅值誤差不超過，幅值誤差不超過5 當(dāng)使用當(dāng)使用(78)n進(jìn)行相位測試時，需要用移相器進(jìn)行相位測試時，需要用移相器獲得相位信息。獲得相位信息。 設(shè)計和使用慣性式拾振器時設(shè)計和使用慣性式拾振器時 282、選擇測振傳感器的原則選擇測振傳感器的原則 采用位移傳感器的情況采用位移傳感器的情況 用速度傳感器的情況用速度傳感器的情況 采用加速度傳感器的情況

14、采用加速度傳感器的情況 298.5 振動信號分析儀器振動信號分析儀器 1、振動計振動計 2、頻率分析儀頻率分析儀 3、頻率特性與傳遞函數(shù)分析儀頻率特性與傳遞函數(shù)分析儀 4、數(shù)字信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng) 308.6 振動測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例振動測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例 汽車平順性測試系統(tǒng)框圖汽車平順性測試系統(tǒng)框圖 31汽車的平順性測試過程框圖汽車的平順性測試過程框圖 40km/h穩(wěn)速直線行駛駕駛員座椅各方向的加速度曲線穩(wěn)速直線行駛駕駛員座椅各方向的加速度曲線 32矩形窗、漢寧窗和海明窗歸一化頻譜特性圖矩形窗、漢寧窗和海明窗歸一化頻譜特性圖 駕駛員坐椅橫向加速度自功率譜密度函數(shù)駕駛員坐椅橫向加

15、速度自功率譜密度函數(shù) 駕駛員坐椅垂向加速度自功率譜密度函數(shù)駕駛員坐椅垂向加速度自功率譜密度函數(shù) 駕駛員坐椅縱向加速度自功率譜密度函數(shù)駕駛員坐椅縱向加速度自功率譜密度函數(shù)33不同車速下駕駛員坐椅處加權(quán)加速度方均根不同車速下駕駛員坐椅處加權(quán)加速度方均根及振級及振級速度速度/km/h40506070800.09510.22510.35510.45510.565199.563107.047111.007113.162115.042主觀感主觀感覺覺沒有不沒有不舒服舒服沒有不沒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當(dāng)不相當(dāng)不舒服舒服34機(jī)械結(jié)構(gòu)各模態(tài)有如下參數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)各模態(tài)有如下參

16、數(shù) 固有頻率、阻尼率、當(dāng)量剛度、當(dāng)量質(zhì)量等參數(shù)固有頻率、阻尼率、當(dāng)量剛度、當(dāng)量質(zhì)量等參數(shù) 對多自由度系統(tǒng)還有特定參數(shù)：主振型對多自由度系統(tǒng)還有特定參數(shù)：主振型 自由振動法自由振動法 估計方法估計方法穩(wěn)態(tài)正弦激勵法穩(wěn)態(tài)正弦激勵法 共振法共振法總幅值法總幅值法分量法分量法矢量法矢量法8.7 機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計 351、總幅值法、總幅值法 1) 固有頻率固有頻率n的估計的估計 221nr 若若0.1，r=n 若若不小于不小于0.1或要精確估計或要精確估計n值，值，需要先估計需要先估計的值的值 幅頻曲線幅頻曲線 362)阻尼率阻尼率的估計的估計 21nr222

17、2)/(4)/(111)(nnkjA221nrkkkkkjAnnnnnnr2144411)21 (4)21 (11121421111)/(4)/(111)(42422222222222222kjAr21)(幅頻曲線幅頻曲線 3722)22(nn2)(nnn212)(nnn若在若在n附近取附近取2-1=，2+1=2n，且，且足夠小，此時足夠小，此時=1，或，或=2，則，則單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線 22221nnn224nnn3822411 nk由于由于在在n附近，即附近，即/n1 22222, 1)/(4)/(111)(nnkjAkkjAjAnr21411)()(22

18、2, 1 kjAr21)(nn21單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線 2242 n3921)()(2, 1rjAjA若若 2142)()(222, 1nrjAjA222, 142)()( nrjAjA解上式，得解上式，得 n240)/(2)/(1/1)(1)(22nnjkkcjjmjH2222222)()(1)(1)(cmkjcmkjcmkkcjjmjH22222)()(cmkmkjRe2222)(cmkcjIm實(shí)部部分：實(shí)部部分： 虛部部分：虛部部分： 2、分量法分量法 41222222222222242222222222222222224111412241)(nnnnnn

19、nekkmkkmckmcmkmkmkkmcmkmmkcmkmkjR2222222222222222222222222222241242224221)(nnnnnnnmkkmkkmckmcmkmkkmcmkkmcmkmkckmcmkmccmkcjI222224111)(nnnekjR2222412)(nnnmkjI42222224111)(nnnekjR2222412)(nnnmkjI實(shí)部頻率曲線實(shí)部頻率曲線 虛部頻率曲線虛部頻率曲線 43kkkkkjRe)1 (41)1 (411)22(421)21 (4421)21 (4)21 (1)21 (11)(22222max222224111)(nn

20、nekjR2222412)(nnnmkjI分析分析 當(dāng)當(dāng)=n時，時，0)(nejR 當(dāng)當(dāng) 211n時，實(shí)部具有最大值；時，實(shí)部具有最大值； 當(dāng)當(dāng) 211n時，時，實(shí)部實(shí)部具有最小值；具有最小值； kjRe)1 (41)(maxkjRe)1 (41)(minkkkkkjRe)1 (41)1 (411)22(421)21 (4421)21 (4)21 (1)21 (11)(22222min44此時此時 nn)1 (211nn)1 (212n212則則實(shí)部頻率曲線實(shí)部頻率曲線 45在在 24221122131nn時，時，kjIm21)(min2222412)(nnnmkjIIm(j)具有極小值具有極小值虛部頻率曲線虛部頻率曲線 當(dāng)當(dāng) kjIjIjImmm41)(21)()(min21n212時時 成立成立 46可按如下方法求模態(tài)的固有頻率和阻尼率可按如下方法求模態(tài)的固有頻率和阻尼率 在同相分量曲線中，滿足實(shí)部分模為零的頻率為固有頻率在同相分量曲線中，滿足實(shí)部分模為零的