第8章机械振动测试与分析.ppt

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1、主要内容主要内容：8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 振动的基本知识振动的基本知识8.3 8.3 振动的激励振动的激励8.4 8.4 测振传感器测振传感器(拾振器拾振器)8.5 8.5 振动信号分析仪器振动信号分析仪器8.6 8.6 振动测试系统及数据处理实例振动测试系统及数据处理实例8.7 8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计机械结构的固有频率和阻尼率估计8.8 8.8 小结小结第第8 8章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 8.1 8.1 概述概述振动研究所涉及的问题振动研究所涉及的问题 振动分析：振动分析：系统识别：系统识别

2、：环境预测：环境预测：已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应 已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性 已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态 机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 8.2 8.2 振动的基本知识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：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。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

3、量参考点为系统外的某一点绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点,该点相对于地该点相对于地球是静止不动的。球是静止不动的。电测法电测法机械测量法机械测量法光测法光测法按照测量时选择参考点的不同，可分为：按照测量时选择参考点的不同，可分为：振动的基本参数振动的基本参数 幅值幅值：振动强度的大小：振动强度的大小 频率频率：频谱分析寻找振源：频谱分析寻找振源 相位相位：确定共振点、振型测量等：确定共振点、振型测量等按照振动产生的原因按照振动产生的原因 自由振动自由振动受迫振动受迫振动 自激振动自激振动振动频率和固有频率之间的关系为振动频率和固有频率之间的关系为 其中，其中，n n为系统的固有频率，为系

4、统的固有频率，为阻尼率为阻尼率 系统的振动频率为激振频率系统的振动频率为激振频率 振动频率接近于系统的固有频率。振动频率接近于系统的固有频率。8.2.1 8.2.1 振动的分类振动的分类 按系统的输出分按系统的输出分 简谐振动简谐振动周期振动周期振动瞬态振动瞬态振动 随机振动随机振动 按系统自由度分按系统自由度分 单自由度系统振动单自由度系统振动 多自由度系统振动多自由度系统振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 按系统结构参数的特性分按系统结构参数的特性分 线性振动线性振动 非线性振动非线性振动 力作用在质量块上的单自由度系统力作用在质量块上的单自由度系统质量质量m m在外力的作用下的运动方程为

5、在外力的作用下的运动方程为 式中，式中，c c为粘性阻尼系数，为粘性阻尼系数，k k为弹簧刚度。为弹簧刚度。(t t)为系统的激振力，即系统的输入，为系统的激振力，即系统的输入，z z(t t)为系统的输出。为系统的输出。拉氏变换拉氏变换 m ms s2 2z z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为传递函数为 8.2.2 8.2.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 令令s=js=j，则则 力作用在质量块上的单自由度系统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固有频率 系统的阻尼率系统的阻尼率 幅频曲线幅频曲线 相

6、频曲线相频曲线 在在幅频曲线幅频曲线上幅值最大处的频率称上幅值最大处的频率称为为位移共振频率。位移共振频率。随随着着的的阻阻尼尼的的增增加加，共共振振峰峰向向原点移动；原点移动；当当无无阻阻尼尼时时，位位移移共共振振频频率率r r即为固有频率即为固有频率n n 当当系系统统的的阻阻尼尼很很小小时时，位位移移共共振振频频率率r r接接近近系系统统的的固固有有频频率率n n，可用作为可用作为n n的估计值。的估计值。幅频曲线幅频曲线 不管系统的阻尼率为多少，在不管系统的阻尼率为多少，在/n n=1=1时位移始终落后于激时位移始终落后于激振力振力9090，此现象称为，此现象称为相位共振相位共振。相频

7、曲线相频曲线 利用相频特性来确定固有频率比较准确。利用相频特性来确定固有频率比较准确。幅频曲线幅频曲线 由基础运动所引起的受迫振动由基础运动所引起的受迫振动 单自由度系统的基础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力作用在质量块上的单自由度系统设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z Z1 1，质量质量m m的绝对位移为的绝对位移为Z Z0 0，则系统的振动可则系统的振动可用方程式表示为：用方程式表示为：单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 拉氏变换，令拉氏变换，令s=j s=j 得系统的幅频特性和相频特性得系统的幅频特性和相频特性 幅频曲线幅频曲线 1.1.设备在运

8、行时的振动参量测试设备在运行时的振动参量测试 振动参量测试的目的是了解被测对象的振动状态、评定振动参量测试的目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和预估。振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和预估。8.2.38.2.3 振动测试的内容振动测试的内容振动参量测试的测量系统框图振动参量测试的测量系统框图 2.2.振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验 振动测试是对机械设备或结构部件进行某种激励，使其振动测试是对机械设备或结构部件进行某种激励，使其产生受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性产生

9、受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能参数，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测能参数，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测试又可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试试又可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验等。验等。小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 8.3 8.3 振动的激励振动的激励 1)1)激励部分激励部分 实现对被测系统的激励实现对被测系统的激励(输入输入)，使系统发生振动。它主，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。2)2)拾振部分拾振部分 检测并放

10、大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换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成一定的形式(通常为电信号通常为电信号)。它主要由传感器、可调放大。它主要由传感器、可调放大器组成。器组成。3 3)分析记录部分分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频近行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。谱分析设备组成。稳态正弦激振稳态正弦激振 施加一个稳定的单一频率的正弦激振力施加一个稳定的单一频率的正弦激振力(t t)=F)=F0 0sin

11、tsint。随机激振随机激振优点：设备通用，可靠性较高优点：设备通用，可靠性较高 缺点：需要较长的测定时间缺点：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。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。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。S Sxyxy(jfjf)=)=H H(jfjf)S Sx x(jfjf)该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵。该方法具有快

12、速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵。带宽激振法带宽激振法 8.3.1 8.3.1 激振的方式激振的方式 瞬态激振瞬态激振 快速正弦扫描激振快速正弦扫描激振 脉冲激振脉冲激振 阶跃激振阶跃激振 采用周期为采用周期为T T的频率线性变化的正弦信号进行激励的频率线性变化的正弦信号进行激励(t+T)=(t+T)=(t)=A(t)=A0 0sin2(at+b)t (0tT)sin2(at+b)t (0tT)式中，式中，a=(a=(maxmax-minmin)/T)/T，b=b=minmin 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

13、起的激振。作用而引起的激振。快速正弦扫描信号及其频谱快速正弦扫描信号及其频谱 振动台和激振器振动台和激振器 满足条件：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。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。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。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激振器通

14、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。统的惯性力、弹性力、阻尼力之差，还是频率的函数。8.3.2 8.3.2 激振设备激振设备 图8.12 电动式激振器1弹弹簧簧片片组组；2壳壳体体；3心心杆杆；4顶顶杆杆；5永永久久磁磁铁；铁；6铁心；铁心；7驱动线圈驱动线圈安装方法安装方法 电磁式激振器电磁式激振器 铁芯对被测对象产生的电磁吸力为铁芯对被测对象产生的电磁吸力为 式中，式中，A A为铁芯的截面积，为铁芯的截面积，0 0为真空的导磁率为真空的导磁率 图图8.14 8.14 电磁激振器电磁激振器1 1底座；底座；2 2铁心；铁心；3 3励磁线

15、圈；励磁线圈；4 4力检测线圈；力检测线圈；5 5被测对象；被测对象；6 6电容位移传感器电容位移传感器 电液式激振器电液式激振器 电液式激振器电液式激振器 1 1顶杆；顶杆；2 2电液伺服阀；电液伺服阀；3 3活塞；活塞；4 4力传感器力传感器又称为又称为“拾振器拾振器”根据振动测量的力学原理根据振动测量的力学原理 惯性式（绝对式）拾振器惯性式（绝对式）拾振器相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按照测量时拾振器是否和被测件接触 接触式拾振器接触式拾振器 又可分为相对式和绝对式两种。又可分为相对式和绝对式两种。非接触式拾振器非接触式拾振器 接触式相对拾振器又称为跟随式拾振

16、器。接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器。8.4 8.4 测振传感器测振传感器(拾振器拾振器)惯性式拾振器的力学模型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成由基础运动引起质量块的受迫振动。惯性式拾振器内的惯性系统可以看成由基础运动引起质量块的受迫振动。幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 1.1.拾振器的工作原理拾振器的工作原理电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器磁电式速度传感器磁电式速度传感器2.2.选择测振传感器的原则选择测振传感器的原则 采用位移传感器的情况采用位移传感器的情况 用速度传感器的情况用速度传感器的情况 采用加速度传感器的情况采用加速度传感器的情况 8.5 8.5

17、 振动信号分析仪器振动信号分析仪器 1.1.振动计振动计 2.2.频率分析仪频率分析仪 3.3.频率特性与传递函数分析仪频率特性与传递函数分析仪 4.4.数字信号处理系统数字信号处理系统 8.6 8.6 振动测试系统及数据处理实例振动测试系统及数据处理实例 汽车平顺性测试系统框图汽车平顺性测试系统框图 汽车的平顺性测试过程框图汽车的平顺性测试过程框图 40km/h40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线 矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图 驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅横向加速度自功率

18、谱密度函数 驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级振级速速 度度/km/h/km/h404050506060707080800.09510.09510.22510.22510.35510.35510.45510.45510.56510.565199.56399.563107.04107.047 7111.00111.007 7113.16113.162 2115.04115.042 2主观感主观感觉觉没有

19、不没有不舒服舒服没有不没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当不相当不舒服舒服机械结构各模态有如下参数机械结构各模态有如下参数 固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数 对多自由度系统还有特定参数：主振型对多自由度系统还有特定参数：主振型 自由振动法自由振动法 估计方法估计方法稳态正弦激励法稳态正弦激励法 共振法共振法总幅值法总幅值法分量法分量法矢量法矢量法8.7 8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计机械结构的固有频率和阻尼率估计 1.1.总幅值法总幅值法 1)1)固有频率固有频率n n的估计的估计 若若0.10.1，r

20、r=n n 若若不小于不小于0.10.1或要精确估计或要精确估计n n值，值，需要先估计需要先估计的值的值 幅频曲线幅频曲线 2)2)阻尼率阻尼率的估计的估计 幅频曲线幅频曲线 若在若在n n附近取附近取2 2-1 1=，2 2+1 1=2=2n n，且，且足够小，此时足够小，此时=1 1，或或=2 2，则则单自由度系统的幅频特性曲线单自由度系统的幅频特性曲线 由于由于在在n n附近，即附近，即/n n11 单自由度系统的幅频特性曲线单自由度系统的幅频特性曲线 若若 解上式，得解上式，得 实部部分：实部部分：虚部部分：虚部部分：2 2、分量法、分量法 实部频率曲线实部频率曲线 虚部频率曲线虚部

21、频率曲线 分析 当=n时，当 时，实部具有最大值；当 时，实部具有最小值；此时此时 则则实部频率曲线实部频率曲线 在在 时，时，Im(jIm(j)具有极小值具有极小值虚部频率曲线虚部频率曲线 当当 时时 成立成立 可按如下方法求模态的固有频率和阻尼率可按如下方法求模态的固有频率和阻尼率 在同相分量曲线中，满足实部分模为零的频率为固有频率在同相分量曲线中，满足实部分模为零的频率为固有频率n n ；在正交分量曲线中，峰值对应的频率为固有频率在正交分量曲线中，峰值对应的频率为固有频率n n 求系统的阻尼率求系统的阻尼率 实部频率曲线实部频率曲线 虚部频率曲线虚部频率曲线 3 3、矢量法、矢量法 多自

22、由度系统的位移导纳的奈奎斯特图多自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图 在在M M点左右任取两点求点左右任取两点求值值 单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图 8.8 8.8 小结小结 振振动动的的基基本本知知识识，振振动动的的分分类类，单单自自由由度度系系统统的的受受迫迫振振动动，多多自自由由度度系系统统振振动动，机机械械阻阻抗抗的的概概念念。笔笔式式记记录录仪仪、检检流流计式笔录仪和函数记录仪的基本工作原理。计式笔录仪和函数记录仪的基本工作原理。振振动动的的激激励励激激振振的的方方式式：稳稳态态正正弦弦、随随机机和和瞬瞬态态激激振振。激激振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。测测振振传传感感器器：惯惯性性式式和和压压电电式式加加速速度度拾拾振振器器；二二者者的的工工作作原理。选择测振传感器的原则。原理。选择测振传感器的原则。振振动动信信号号分分析析仪仪器器：振振动动计计，频频率率分分析析仪仪，频频率率特特性性分分析析仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。机机械械结结构构的的特特征征参参数数固固有有频频率率和和阻阻尼尼率率计计算算方方法法：估估计计总总幅值法，分量法和矢量法。幅值法，分量法和矢量法。