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第四部分振动的激励与激振设备 在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能 如固有频率 阻尼 刚度 响应和模态等时 需要对被测对象施加一定的外力 让其作受迫振动或自由振动 以便获得相应的激励及其响应 激励方式通常可以分为稳态正弦激振 瞬态激振和随机激振三种 振动的激励与激振设备 稳态正弦激振 稳态正弦激振是最普遍的激振方法 它是借助激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力 其优点是激振功率大 信噪比高 能保证响应测试的精度 稳态正弦激振要求在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差 为了测得整个频率范围内的频率响应 必须用多个频率进行试验以得到系统的响应数据 需要注意的是在每个测试频率处 只有当系统达到稳定状态才能进行测试 这对于小阻尼系统尤为重要 因此测试时间相对较长 瞬态激振 瞬态激振为对被测对象施加一个瞬态变化的力 是一种宽带激励方法 常用的激励方式有以下几种 1 快速正弦扫描激振 2 脉冲激振 3 阶跃 张弛 激振 1 快速正弦扫描激振 激振信号由信号发生器供给 其频率可调 激振力为正弦力 但信号发生器能够作快速扫描 激振信号频率在扫描周期T内成线性增加 而幅值保持不变 快速正弦扫描激振力信号的函数表达式为 瞬态激振 1 快速正弦扫描激振 该激励方式能在两极限频率之间产生一平直谱 而在极限频率之外 谱幅为零 即矩形频谱幅值频谱在起始频率与终了频率处有明显的跃迁 基本上呈矩形 频谱曲线的平均值上叠加的小波幅与成正比 这种激励可以很方便地选定和准确控制所需的激振频率范围 瞬态激振 2 脉冲激振 脉冲激振是用一个装有传感器的锤子 又称脉冲锤 敲击被测对象 对被测对象施加一个力脉冲 同时测量激励和被测对象 脉冲的形成及有效频率取决于脉冲的持续时间 而持续时间则取决于锤端的材料 材料越硬 持续时间越小 则频率范围越大 脉冲锤激振简便高效 因此常被选用 但在着力点位置 力的大小 方向的控制等方面 需要熟练的技巧 否则会产生很大的随机误差 瞬态激振 3 阶跃 张弛 激振 阶跃激振的激振力来自一根刚度大 重量轻的弦 试验时 在激振点处 由力传感器将弦的张力施加于被测对象上 使之产生初始变形 然后突然切断张力弦 这相当于对被测对象施加一个负的阶跃激振力 阶跃激振属于宽带激振 在建筑结构的振动测试中被普遍应用 瞬态激振 随机激振 随机激振是一种宽带激振 一般用纯随机 伪随机或猝发随机信号为激励信号 1 纯随机信号一般由模拟电子噪声发生器产生 经低通滤波成为限带白噪声 在给定频带内具有均匀连续谱 可以同时激励该频带内所有模态 白噪声的自相关函数是一个单位脉冲函数 即除 0处以外 自相关函数等于零 在 0时 自相关函数为无穷大 而其自功率谱密度函数幅值恒为1 实际测试中 当白噪声通过功放并控制激振器时 由于功放和激振器的通频带是有限的 所以实际的激振力频谱不能在整个频率域中保持恒值 但如果在比所关心的有用频率范围宽得多的频域内具有相等的功率密度时 仍可视为白噪声信号 随机激振 2 在工程上 为了能够重复试验 常采用伪随机信号作为测试信号 把它作为测试的输入激励信号 伪随机信号是一种有周期性的随机信号 将白噪声在时间T 单位为s 内截断 然后按周期T重复 即形成伪随机信号 伪随机信号的自相关函数与白噪声的自相关函数相似 但是它有一个重复周期T 即伪随机信号的自相关函数Rx t 在 0 T 2T 以及 T 2T 各点取值a 2 而在其余各点之值均为零 采用伪随机信号激励的测试方法 既具有纯随机信号的真实性 又因为有一定的周期性 而在数据处理中避免了统计误差 随机激振 3 猝发随机信号只在测量周期的初始一段时间输出信号 其占用时间可任意调节 以适应不同阻尼的结构 与连续随机信号作为激励源不同的是 猝发随机激励时 能保证一个测量窗的响应信号完全由同一测量窗的激励信号引起 输入与输出相干性较好 而连续随机信号激励时 下一个测量窗的响应信号可能有一部分是由上一个测量窗的激励信号引起 激振设备 常用的激振器有电动式 电磁式和电液式三种 此外还有用于小型 薄壁结构的压电晶体激振器 高频激振的磁致伸缩激振器和高声强激振器等 激振设备的分类 按使用方式 激振设备的基本特性参数 1 最大激振力 2 最大负荷 3 最大空载和满载加速度 4 最大位移和最大速度 5 使用频率范围 6 失真度 7 台面的均匀度 8 台面的横向运动 机械式振动台与激振器 1 直接驱动式 当它们的主轴由电机带动旋转时 台面即产生确定的振动 台面由是主轴经过一个机构直接驱动的 台面的位移 机械式振动台与激振器 振幅的大小由偏心距确定振动频率由偏心轮回转速度确定转速是可调的频率范围窄 下限频率决定于调速机构在低速时稳定程度 上限频率受轴承磨损等因素的影响 不会太高 一般在50 60赫兹 输出波形较差不停车调幅困难 直接驱动式振动台的特点 2 离心式振动台 工作原理 两个转轴通过一对齿轮齿和 并由电机带动以相等的角速度 相反的转向转动 每一轴上有一质量为m 偏心距为e的偏心块 每一偏心块就有一离心力作用在转轴上 如果两偏心块的相对位置配置的好 则两个力的水平分力相互平衡 而垂直分力合成为一合力 若转轴以等角速度转动 则合力呈简谐变化 这个力通过激振器的外壳作用于被试验的物体上 激振力的大小 机械式振动台与激振器 离心式振动台的特点 振动台的位移激振力与振动频率平方成正比振幅在 时只与偏心块质量 偏心距及台面总质量有关 而与振动频率几乎无关 频率范围窄 一般为60 100赫兹之间传到基础上的激振力小输出波形较好不停车调幅困难 机械式振动台与激振器 电动式振动台 组成 运动系统 线圈骨架 线圈 连杆 支撑弹簧和台面磁路系统 励磁线圈 永久磁铁 环形空气隙和外壳 a b c 电动式振动台 工作原理 利用带电导体在磁场中受到磁场力的作用而产生运动 当由励磁电源供以直流电流后 就在磁路的环形气隙中形成一个强大的恒定磁场 信号发生器产生交变信号 经功率放大器放大后 输入到动圈 它与磁场作用即产生一个交变的力 推动可动系统运动 若输入电流呈简谐变化时 则力的大小为 电动式振动台 频率特性 1 力学模型如图所示 其中 电动式振动台 2 运动方程 当较低时 由于 m1和m2可看作是刚体连接 系统可简化为如图a所示的单自由度系统 其运动方程为 令 则有 其中 电动式振动台 当较高时 由于 可忽略 系统可简化为如图b所示的两自由度系统 其运动方程为 则有 将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为 电动式振动台 磁场产生的方式支撑弹簧驱动线圈的阻抗特性冷却方式特点 1 频率范围宽 下限1 10Hz 上限上万Hz 2 输出加速度波形好3 输出推力大 易调节和控制4 操作方便 可实现多种波形振动5 造价高 电动式激振器 电动式激振器的结构如图所示 驱动线圈7固装在顶杆4上 并由支承弹簧1支承在壳体2中 线圈7正好位于磁极与铁芯6的气隙中 当线圈7通过经功率放大后的交变电流i时 根据磁场中载流体受力的原理 线圈将受到与电流i成正比的电动力的作用 此力通过顶杆传到被测对象 即为激振力 但是 由顶杆施加到被激对象上的激振力 不等于线圈受到的电动力 传动比 电动力与激振力之比 与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度 阻尼等因素有关 而且还是频率的函数 只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计 且激振器与被激对象的连接刚度好 顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力 绝对式电动激振器的安装一 电动激振器主要用于对被激对象作绝对激振 因而在激振时最好让激振器壳体在空间保持基本静止 使激振器的能量尽量用于对被激对象的激励上 为此 激振器的安装要能满足这一要求 当要求作较高频率的激振时 激振器用软弹簧悬挂起来 并加上必要的配重 以尽量降低悬挂系统的固有频率 使它低于激振频率1 3以上 低频激振时则将激振器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上 在很多无法找到安装激振器的参考物场合 可将激振器用弹簧支撑在被激对象上 此方法仅适合用于被测对象的质量远远超过激振器质量 且激振频率大于激振器安装固有频率的振动试验 绝对式电动激振器的安装二 为了保证测试精度 做到正确施加激振力 必须在激振器与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接 既保证激振力的传递又大大减小对被激对象的附加约束 此外 一般在柔性杆的一端串联着一力传感器 以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角 1 激振器2 试件3 弹簧4 柔性杆 电磁式激振器 电磁式激振器直接利用电磁力作激振力 常用于非接触激振场合 特别是对回转件的激振 如图所示 一定频率的交变信号经功率放大器放大后 通入绕在铁芯上的线圈中 这时在磁极附近就形成一个交变磁场 处在磁场中的磁性试验对象就受到交变的吸力 吸力的大小近似为 空气隙磁阻 铁芯磁路的磁阻 气隙与铁芯的截面积 气隙与铁芯材料导磁系数 气隙平均厚度与铁芯磁路长度 线圈匝数 电液式激振器 在激振大型结构时 为得到较大的响应 有时需要很大的激振力 这时可采用电液式激振器 其结构原理所示 信号发生器的信号经过放大后 经由电动激振器 操纵阀和功率阀所组成的电液伺服阀2 控制油路使活塞3作往复运动 并以顶杆1去激励被激对象 活塞端部输入一定油压的油 形成静压力p 对被激对象施加预载荷 用力传感器测量交变激励力p1和静压力p 1 顶杆2 电液伺服阀3 活塞 电液式激振器 电液式激振器的优点 激振力大 行程大 但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦 使电液式激振器的高频特性变差 一般只适用于较低的频率范围 通常为零点几Hz到数百Hz 其波形也比电动式激振器差 此外 它的结构复杂 制造精度要求也高 并需一套液压系统 成本较高 压电晶体激振器 工作原理 利用压电晶体的逆压电效应 即在压电晶体的两个极化面上加交变电流时 在它的某一方向就会发生伸缩或剪切变形 使用方法 用胶将压电晶体粘帖在试验物体表面 在它的两个极化面上加交变电压 当晶体片产生变形时 会带动试件产生相应的变形 这样在试件的局部区域起激振作用 而引起整个试件的振动 特点 1 激振力很小 大小与晶体片的大小及所施加的交变电压有关 2 仅适用于轻薄结构3 有附加质量和附加刚度 脉冲锤