1、主要內(nèi)容：,8.1 概述 8.2 振動(dòng)的基本知識(shí) 8.3 振動(dòng)的激勵(lì) 8.4 測(cè)振傳感器(拾振器) 8.5 振動(dòng)信號(hào)分析儀器 8.6 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例 8.7 機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計(jì) 8.8 小結(jié),第8章 機(jī)械振動(dòng)測(cè)試與分析,小轎車(chē)的乘坐舒適性試驗(yàn)框圖,8.1 概述,振動(dòng)研究所涉及的問(wèn)題,振動(dòng)分析：,系統(tǒng)識(shí)別：,環(huán)境預(yù)測(cè)：,已知激勵(lì)條件和系統(tǒng)的振動(dòng)特性，求系統(tǒng)的響應(yīng),已知系統(tǒng)的激勵(lì)和系統(tǒng)的響應(yīng)，求系統(tǒng)的特性,已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，確定系統(tǒng)的激勵(lì)狀態(tài),機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一般組成框圖,8.2 振動(dòng)的基本知識(shí),機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量方法按振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式分為：,相對(duì)測(cè)量法：測(cè)量

2、參考點(diǎn)為系統(tǒng)中的某固定點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)點(diǎn)。 絕對(duì)測(cè)量法：測(cè)量參考點(diǎn)為系統(tǒng)外的某一點(diǎn),該點(diǎn)相對(duì)于地球是靜止不動(dòng)的。,電測(cè)法 機(jī)械測(cè)量法 光測(cè)法,按照測(cè)量時(shí)選擇參考點(diǎn)的不同，可分為：,振動(dòng)的基本參數(shù) 幅值：振動(dòng)強(qiáng)度的大小 頻率：頻譜分析尋找振源 相位：確定共振點(diǎn)、振型測(cè)量等,按照振動(dòng)產(chǎn)生的原因,自由振動(dòng),受迫振動(dòng),自激振動(dòng),振動(dòng)頻率和固有頻率之間的關(guān)系為,其中，n為系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼率,系統(tǒng)的振動(dòng)頻率為激振頻率,振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。,8.2.1 振動(dòng)的分類(lèi),按系統(tǒng)的輸出分,簡(jiǎn)諧振動(dòng),周期振動(dòng),瞬態(tài)振動(dòng),隨機(jī)振動(dòng),按系統(tǒng)自由度分,單自由度系統(tǒng)振動(dòng),多自由度系統(tǒng)振動(dòng),連續(xù)彈性體振動(dòng),按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參

3、數(shù)的特性分,線性振動(dòng),非線性振動(dòng),力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng),質(zhì)量m在外力的作用下的運(yùn)動(dòng)方程為,式中，c為粘性阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度。(t)為系統(tǒng)的激振力，即系統(tǒng)的輸入， z(t)為系統(tǒng)的輸出。,拉氏變換,ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s),傳遞函數(shù)為,8.2.2 單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng),令s=j，則,力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng),系統(tǒng)的固有頻率,系統(tǒng)的阻尼率,幅頻曲線,相頻曲線,在幅頻曲線上幅值最大處的頻率稱(chēng)為位移共振頻率。,隨著的阻尼的增加，共振峰向原點(diǎn)移動(dòng)；,當(dāng)無(wú)阻尼時(shí)，位移共振頻率r即為固有頻率n,當(dāng)系統(tǒng)的阻尼很小時(shí)，位移共振頻率r接近系統(tǒng)的固有頻率n，可用作為n

4、的估計(jì)值。,幅頻曲線,不管系統(tǒng)的阻尼率為多少，在/n=1時(shí)位移始終落后于激振力90，此現(xiàn)象稱(chēng)為相位共振。,相頻曲線,利用相頻特性來(lái)確定固有頻率比較準(zhǔn)確。,幅頻曲線,由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)所引起的受迫振動(dòng),單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng),力作用在質(zhì)量塊上的單自由度系統(tǒng),設(shè)基礎(chǔ)的絕對(duì)位移為Z1，質(zhì)量m的絕對(duì)位移為Z0，則系統(tǒng)的振動(dòng)可用方程式表示為：,單自由度系統(tǒng)的基礎(chǔ)振動(dòng),拉氏變換，令s=j,得系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性,幅頻曲線,1.設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)參量測(cè)試 振動(dòng)參量測(cè)試的目的是了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)、評(píng)定振動(dòng)等級(jí)和尋找振源，以及進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別、診斷和預(yù)估。,8.2.3 振動(dòng)測(cè)試的內(nèi)容,振動(dòng)參量測(cè)試的測(cè)量系統(tǒng)框圖,

5、2.振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)、機(jī)械阻抗試驗(yàn)和頻率響應(yīng)試驗(yàn) 振動(dòng)測(cè)試是對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行某種激勵(lì)，使其產(chǎn)生受迫振動(dòng)，以便求得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，如固有頻率、阻尼、阻抗、響應(yīng)和模態(tài)等。這類(lèi)測(cè)試又可分為振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)、機(jī)械阻抗試驗(yàn)和頻率響應(yīng)試驗(yàn)等。,小轎車(chē)的乘坐舒適性試驗(yàn)框圖,8.3 振動(dòng)的激勵(lì),1)激勵(lì)部分 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)(輸入)，使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振裝置組成。 2)拾振部分 檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式(通常為電信號(hào))。它主要由傳感器、可調(diào)放大器組成。 3)分析記錄部分 將拾振部分傳來(lái)的信號(hào)記錄下來(lái)供以后分析

6、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。,穩(wěn)態(tài)正弦激振,施加一個(gè)穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力(t)=F0sint。,隨機(jī)激振,優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備通用，可靠性較高,缺點(diǎn)：需要較長(zhǎng)的測(cè)定時(shí)間,一般進(jìn)行掃頻激振，通過(guò)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(dòng)態(tài)特性。,用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為振動(dòng)的信號(hào)源進(jìn)行的激振。,Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf),該方法具有快速實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。,帶寬激振法,8.3.1 激振的方式,瞬態(tài)激振, 快速正弦掃描激振,脈沖激振,階躍激振,采用周期為T(mén)的頻率線性變化的正弦

7、信號(hào)進(jìn)行激勵(lì),(t+T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0tT),式中，a=(max-min)/T，b=min,用一般裝有力傳感器的錘子敲擊試件，使試件受到脈沖力的作用而引起的激振。,快速正弦掃描信號(hào)及其頻譜,振動(dòng)臺(tái)和激振器,滿足條件：,在一定的頻率范圍內(nèi)提供波形良好、幅值足夠的穩(wěn)定交變力。,某些情況下需要施加穩(wěn)定力，使結(jié)構(gòu)受到一定的預(yù)加載荷。,電動(dòng)式激振器,當(dāng)激振器的可動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量很小，彈性系數(shù)極低時(shí)，彈性力和慣性力可忽略，認(rèn)為電動(dòng)力等于激振力。,激振器通過(guò)頂桿傳遞給被測(cè)對(duì)象的激振力為電動(dòng)力和可動(dòng)系統(tǒng)的慣性力、彈性力、阻尼力之差，還是頻率的函數(shù)。,8.3.2 激振設(shè)備,圖8.12 電

8、動(dòng)式激振器 1彈簧片組；2殼體；3心桿；4頂桿；5永久磁鐵；6鐵心；7驅(qū)動(dòng)線圈,安裝方法,電磁式激振器,鐵芯對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的電磁吸力為,式中，A為鐵芯的截面積，0為真空的導(dǎo)磁率,圖8.14 電磁激振器 1底座；2鐵心；3勵(lì)磁線圈；4力檢測(cè)線圈；5被測(cè)對(duì)象；6電容位移傳感器,電液式激振器,電液式激振器 1頂桿；2電液伺服閥；3活塞；4力傳感器,又稱(chēng)為“拾振器”,根據(jù)振動(dòng)測(cè)量的力學(xué)原理,慣性式（絕對(duì)式）拾振器,相對(duì)式拾振器,按照測(cè)量時(shí)拾振器是否和被測(cè)件接觸,接觸式拾振器,又可分為相對(duì)式和絕對(duì)式兩種。,非接觸式拾振器,接觸式相對(duì)拾振器又稱(chēng)為跟隨式拾振器。,8.4 測(cè)振傳感器(拾振器),慣性式拾振器的

9、力學(xué)模型,慣性式拾振器內(nèi)的慣性系統(tǒng)可以看成由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)引起質(zhì)量塊的受迫振動(dòng)。,1.拾振器的工作原理,電渦流式位移傳感器,磁電式速度傳感器,2.選擇測(cè)振傳感器的原則,采用位移傳感器的情況 用速度傳感器的情況 采用加速度傳感器的情況,8.5 振動(dòng)信號(hào)分析儀器,1. 振動(dòng)計(jì),2. 頻率分析儀,3. 頻率特性與傳遞函數(shù)分析儀,4. 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),8.6 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理實(shí)例,汽車(chē)平順性測(cè)試系統(tǒng)框圖,汽車(chē)的平順性測(cè)試過(guò)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,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),駕駛員坐椅垂向加速度自功率譜密度函數(shù),駕

10、駛員坐椅縱向加速度自功率譜密度函數(shù),不同車(chē)速下駕駛員坐椅處加權(quán)加速度方均根及振級(jí),機(jī)械結(jié)構(gòu)各模態(tài)有如下參數(shù),固有頻率、阻尼率、當(dāng)量剛度、當(dāng)量質(zhì)量等參數(shù),對(duì)多自由度系統(tǒng)還有特定參數(shù)：主振型,自由振動(dòng)法,估計(jì)方法,穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)法,共振法,總幅值法,分量法,矢量法,8.7 機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼率估計(jì),1.總幅值法,1) 固有頻率n的估計(jì), 若0.1，r=n,若不小于0.1或要精確估計(jì)n值，需要先估計(jì)的值,幅頻曲線,2)阻尼率的估計(jì),幅頻曲線,若在n附近取2-1=，2+1=2n，且足夠小，此時(shí)=1，或=2，則,單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線,由于在n附近，即/n1,單自由度系統(tǒng)的幅頻特性曲線,若,解上

11、式，得,實(shí)部部分：,虛部部分：,2、分量法,實(shí)部頻率曲線,虛部頻率曲線,分析,當(dāng)=n時(shí)，,當(dāng),時(shí)，實(shí)部具有最大值；,當(dāng),時(shí)，實(shí)部具有最小值；,此時(shí),則,實(shí)部頻率曲線,在,時(shí)，,Im(j)具有極小值,虛部頻率曲線,當(dāng),時(shí),成立,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n ；,在正交分量曲線中，峰值對(duì)應(yīng)的頻率為固有頻率n,求系統(tǒng)的阻尼率,實(shí)部頻率曲線,虛部頻率曲線,3、矢量法,多自由度系統(tǒng)的位移導(dǎo)納的奈奎斯特圖,在M點(diǎn)左右任取兩點(diǎn)求值,單自由度系統(tǒng)的位移導(dǎo)納的奈奎斯特圖,8.8 小結(jié),振動(dòng)的基本知識(shí)，振動(dòng)的分類(lèi)，單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，多自由度系統(tǒng)振動(dòng)，機(jī)械阻抗的概念。筆式記錄儀、檢流計(jì)式筆錄儀和函數(shù)記錄儀的