第七章 振动测试

1、测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 第七章第七章 振动测试振动测试 7.1 概述概述 7.2 振动的基本知识振动的基本知识 7.3 振动的测量振动的测量 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 7.1 概述概述 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 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 机械振动定义机械振动定义 机械振动机械振动是物体在一定是物体在一定位置位置附近所作的附近所作的周期性周期性往复的往复的 运动。运动。 机械振动系统机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复，就是指围绕其静平衡位置作来回往复 运动的机

2、械系统，例如运动的机械系统，例如单摆单摆。 构成机械振动系统的基本要素有构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性惯性、恢复性和和阻阻 尼。尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢 复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼 就是能使系统能量消耗掉的性质。三个基本要素通常就是能使系统能量消耗掉的性质。三个基本要素通常 分别由物理参数质量分别由物理参数质量M、刚度、刚度K和阻尼和阻尼C表征。表征。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 产生的物理原因产生的物理原因 机械在运动时，由

3、于旋转件的不平衡、负载的不机械在运动时，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，产生各均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各 种振动。种振动。 振动研究所涉及的问题振动研究所涉及的问题 测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动测量设备运行时的振动参量，了解被测对象的振动 状态，寻找振源；状态，寻找振源； 对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的对设备激振，测试其受迫振动，以求得被测对象的 动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 机械振动测试系统的一般组成

4、框图机械振动测试系统的一般组成框图 机械振动测量方法机械振动测量方法 按振动信号的转换方式分按振动信号的转换方式分: 电测法电测法 机械测量法机械测量法 光测法光测法 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 振动的分类振动的分类 (1) 从产生振动的方式来分：从产生振动的方式来分： 自由振动自由振动：仅受初始条件：仅受初始条件(初始位移、初始速度初始位移、初始速度) 激励激励 而引起的振动；而引起的振动； 受迫振动：受迫振动：系统在持续外力激励下的振动。系统在持续外力激励下的振动。 自激振动：自激振动：在没有外激励作用的情况下，由系统自身在没有外激励作用的情况下，由系统自身

5、激发所产生的一种振动激发所产生的一种振动 (2)从振动的规律来分从振动的规律来分 简谐振动简谐振动 复合周期振动复合周期振动 瞬态振动瞬态振动 随机振动随机振动 (3)按系统自由度分按系统自由度分 单自由度振动单自由度振动 多自由度振动多自由度振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 7.2 振动的基本知识振动的基本知识 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在外力的作用下的运动方程为在外力的作用下的运动方程为 )( 2 2 tfkz dt dz c dt zd m c粘性阻尼系数；粘性阻尼系数； k弹簧刚度

6、；弹簧刚度； (t)系统的激振力，即系统的输入；系统的激振力，即系统的输入； z(t)系统的输出。系统的输出。 拉氏变换拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s) 传递函数为传递函数为 kcsmssf sz sH 2 1 )( )( )( (1)单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 kcsmssf sz sH 2 1 )( )( )( 令令s=jw w，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 1 2 2 /1 1 )( )( )( 2 2 k m km c j k m k kjcm

7、 jf jz jH ww ww w w w )/(2)/(1 11 2 nn jkwwww mk n /w km c 2 系统的固有频率 系统的阻尼率 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 22 2 2 )/(4)/(1 11 )( nn k A wwww w 2 )/(1 )/(2 )( n n arctg ww ww w 幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 mk n /w km c 2 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 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 2 21ww nr 随着的阻尼的增加

8、，共振峰向随着的阻尼的增加，共振峰向 原点移动；原点移动； 幅频曲线幅频曲线 当无阻尼时，位移共振频率当无阻尼时，位移共振频率w wr即即 为固有频率为固有频率w wn 当系统的阻尼当系统的阻尼 很小时，位移共振很小时，位移共振 频率频率w wr接近系统的固有频率接近系统的固有频率w wn，可，可 用作为的估计值。用作为的估计值。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 不管系统的阻尼率为多少，在不管系统的阻尼率为多少，在w w /w wr =1时位移始终落后于激时位移始终落后于激 振力振力90，此现象称为，此现象称为相位共振相位共振。 相频曲线相频曲线 利用相频特性来确定固

9、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 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 (2)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 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 单自由度系统的基础振动单自由度系统的基础振动 设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为 Z0，则系统的振动可用方程式表示为：，则系统的振动可用方程式表示为： 2 1 2 01 01 2 01 2 dt Zd m

10、kZ dt dZ c dt Zd m 拉氏变换并，令拉氏变换并，令s=jw w ，得系统的幅频，得系统的幅频 特性和相频特性特性和相频特性 22 2 2 2 )/(4)/(1 )/(1 )( nn n k A wwww ww w 2 )/(1 )/(2 )( n n arctg ww ww w 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 22 2 2 2 )/(4)/(1 )/(1 )( nn n k A wwww ww w 2 )/(1 )/(2 )( n n arctg ww ww w 幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测

11、试 (3)多自由度系统振动多自由度系统振动 多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的 常微分方程组；常微分方程组； 通过坐标变换，可以把系统的振动方程变成一通过坐标变换，可以把系统的振动方程变成一 组相互独立的二阶常微分方程组，其中的每一个组相互独立的二阶常微分方程组，其中的每一个 方程式可以独立求解；方程式可以独立求解； 系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚 度、当量质量、主振型等参数；度、当量质量、主振型等参数； 多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有 频率进行简谐

12、振动，这种振动称为主振型。频率进行简谐振动，这种振动称为主振型。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 (4) 机械阻抗的概念机械阻抗的概念 机械阻抗: 线性动力学系统在各种激励的情况下，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在频域内激励与响应之比 K(s)=F(s)/Y(s) K(w w)=F(w w)/Y(w w) 传递函数 H(s)=Y(s)/F(s) 频率响应函数 H(w w)=Y(w w)/F(w w) 机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数倒数 机械阻抗机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳的倒数为

13、频率响应，又称为机械导纳 机械系统框图机械系统框图 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 7.3 振动的测量振动的测量 u 如果知道了系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以 求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就 是求取系统输入和输出的一种试验方法。 u为了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括 下述三个主要部分： 被测对象传感器测量电路 振动 分析仪 显示记录激振器 功率放大器信号发生器 机械振动测试系统组成框图 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 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

14、器和激振装置组成。 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、可调放大器 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谱 分析设备组成。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 (1) 振动的激励振动的激励 稳态正弦激励方法稳态正弦激励方法 激励信号激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激 励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处

15、的频率响应 的大小。的大小。 瞬态激励方法瞬态激励方法 激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一一 次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生 相应频带内的频率响应相应频带内的频率响应。是一种。是一种快速测试快速测试方法。方法。 快速正弦扫描快速正弦扫描 脉冲锤击脉冲锤击 阶跃松弛激励阶跃松弛激励 随机激励方法随机激励方法 纯随机激励纯随机激励 伪随机激励伪随机激励 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 瞬态激励方法瞬态激励方法 快速正弦扫描快速正弦扫描

16、正弦激励信号在所需的频正弦激励信号在所需的频 率范围内作快速扫描（数秒率范围内作快速扫描（数秒 内完成），内完成），激振信号频率在激振信号频率在 扫描周期扫描周期T内成线性增加，内成线性增加， 而幅值保持恒定而幅值保持恒定。 扫描信号的频谱曲线几乎扫描信号的频谱曲线几乎 是一根平坦的曲线，从而能是一根平坦的曲线，从而能 达到宽频带激励的目的。达到宽频带激励的目的。 min maxmin ( )sin2 ()f tFtft ff T 快速正弦扫频信号及其频谱 T ff tftAtp minmax min )(2sin)( 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 脉冲锤击激励脉冲

17、锤击激励 用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力脉冲力，使之发 生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱 曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。 特点：阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应 的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激 励方法。 阶跃松驰激励阶跃松驰激励 实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的 张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 随机激励方法随机激励方法 纯随机激励纯随机激励 理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在

18、整个时 间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几 乎平坦的直线。 伪随机激励伪随机激励 伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内 的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这 种方法的优点在于种方法的优点在于试验的可重复性试验的可重复性。 将白噪声在将白噪声在T内截断，然后按周期内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随反复重复，即形成伪随 机信号。机信号。 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 激振器激振器 电动式激振器电动式激振器 当当Fi以

19、简谐规律变化时，以简谐规律变化时， 则作用在激振对象上的力则作用在激振对象上的力F 也为同频率的简谐力。也为同频率的简谐力。 使用时在顶杆与激振对象使用时在顶杆与激振对象 之间加一个力传感器，以精之间加一个力传感器，以精 确地测出激振力确地测出激振力F(t) 00 ( ) sin i i FlnBI t FlnBItw 电动式激振器电动式激振器 1-弹簧；弹簧；2-壳体；壳体；3-磁钢；磁钢；4-顶杆；顶杆；5-磁极；磁极； 6-铁心；铁心；7-驱动线圈驱动线圈 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 电磁式激振器电磁式激振器 激振器是由通入线圈激振器是由通入线圈 中的交变电

20、流产生交变中的交变电流产生交变 磁场，而被测对象作为磁场，而被测对象作为 衔铁，在交变磁场作用衔铁，在交变磁场作用 下产生振动下产生振动。 电磁激振器是非接触电磁激振器是非接触 式的，没有附加质量和式的，没有附加质量和 刚度的影响，频率上限刚度的影响，频率上限 约为约为500-800Hz。 电磁激振器电磁激振器 1-底座；底座；2-铁心；铁心；3-励磁线圈；励磁线圈；4-衔铁；衔铁； 5-力检测线圈；力检测线圈；6-位移传感器位移传感器 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 脉冲锤脉冲锤 脉冲锤由锤体、手柄和可以调换 的锤头和配重组成，产生瞬态激励 力； 锤击力的大小锤击力

21、的大小由锤击质量和锤击 被测系统时的运动速度决定。 激励的频率范围激励的频率范围主要由接触表面 刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲 的持续时间越短，上限频率w 越高。 为了能调整激励频率范围，通常使 用一套不同材料的锤头。 T1，即，即w ww wn的情的情 况下，况下，A(w w)1，满足测试幅值不失真的条件；，满足测试幅值不失真的条件； 当系统的阻尼率当系统的阻尼率 接近接近0.7时，时， A(w w) 更接近直更接近直 线线 由相频图，当由相频图，当w w w wn 时，没有一条相频曲时，没有一条相频曲 线为近似斜率为负的直线，故不能满足动态线为近似斜率为负的直线，故不能满足动态 测试相位不

22、失真的条件；而当测试相位不失真的条件；而当w w (78)w wn时，时， 相位差接近相位差接近-180，此时满足测试相位不失真，此时满足测试相位不失真 的条件。的条件。 设计和使用惯性式拾振器时设计和使用惯性式拾振器时 使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统 的阻尼率在的阻尼率在0.50.7之间，这样可以保证工作频率之间，这样可以保证工作频率 的下限到的下限到w w =1.7w wn，幅值误差不超过，幅值误差不超过5 当使用当使用w w (78) w wn进行相位测试时，需要用移进行相位测试时，需要用移 相器获得相位信息。相器获得相位信息。 幅频曲线幅频曲线 相频曲线相频曲线 测试技术基础测试技术基础 第七章第七章 振动测试振动测试 (2) 测振传感器测振传感器 电涡流位移传感器 电容加速度传感器 压阻加速度传