振动实验(一)

1、理论力学振动实验理论力学振动实验( (一一) )1 1、单自由度系统自由衰减振动实验、单自由度系统自由衰减振动实验2 2、单自由度系统单自由度系统强强迫迫振动实验振动实验2012年10月从广义上讲，如果表征某一种运动的物理量作时而增大时而减从广义上讲，如果表征某一种运动的物理量作时而增大时而减小的反复变化，就可以称这种运动为小的反复变化，就可以称这种运动为振动振动。一、振动的定义及研究内容一、振动的定义及研究内容: : 1 1、耳膜和声带的振动、耳膜和声带的振动; ; 2 2、桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动、桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动; ; 3 3、飞机、汽车和轮船运行中的振动、飞

2、机、汽车和轮船运行中的振动; ; 4 4、机床和刀具在加工时的振动。、机床和刀具在加工时的振动。如果变化的物理量是一些如果变化的物理量是一些机械量或力学量机械量或力学量，例如物体的位移、，例如物体的位移、速度、加速度、应力及应变等等，这种振动便称为速度、加速度、应力及应变等等，这种振动便称为机械振动机械振动 。 振动是自然界最普遍的现象之一。大至宇宙，小至原子、粒子，振动是自然界最普遍的现象之一。大至宇宙，小至原子、粒子，无不存在着振动。但是，对于大多数的工程系统来说，振动是有无不存在着振动。但是，对于大多数的工程系统来说，振动是有害的，它往往是造成部件或系统结构破坏的直接原因。害的，它往往是

3、造成部件或系统结构破坏的直接原因。 振动力学是研究机械振动的运动学和动力学的一门课程振动力学是研究机械振动的运动学和动力学的一门课程图一、地震使公路桥垮塌图一、地震使公路桥垮塌图二、地震使图二、地震使Tacoma Narrowe大桥产生扭振大桥产生扭振图三、雪灾使高压输电导线铁塔垮塌图三、雪灾使高压输电导线铁塔垮塌图图4 4、高频液压振动打桩机、高频液压振动打桩机二、振动问题的研究：二、振动问题的研究：系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应通常的研究对象称为通常的研究对象称为系统（研究对象）系统（研究对象）外部激振力等因素称为外部激振力等因素称为激励（输入）激励（输入）系统发

4、生的振动称为系统发生的振动称为响应（输出）响应（输出）1 1、振动问题的三个环节、振动问题的三个环节2 2、振动问题按这三个环节可分为三类问题、振动问题按这三个环节可分为三类问题系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应第一类问题第一类问题：已知激励和系统，求响应：已知激励和系统，求响应 正问题正问题主要任务主要任务在于验算结构、产品等在工作时的动力响应（如在于验算结构、产品等在工作时的动力响应（如变形、位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要变形、位移、应力等）是否满足预定的安全要求和其它要求求 。称为动力响应分析称为动力响应分析系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输

5、出）响应响应第二类问题第二类问题：已知激励和响应，求系统：已知激励和响应，求系统 第一种逆问题第一种逆问题主要任务主要任务获得系统的物理参数（如质量、刚度、阻尼系获得系统的物理参数（如质量、刚度、阻尼系数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振数等）和系统关于振动的固有特性（如固有频率、主振型等）的认识。型等）的认识。称为系统识别称为系统识别系统系统（输入）（输入）激励激励（输出）（输出）响应响应第三类问题第三类问题：已知系统和响应，求激励：已知系统和响应，求激励 第二种逆问题第二种逆问题 主要任务是主要任务是测评环境的影响测评环境的影响称为环境预测称为环境预测 例如：为了避免产品在公路

6、运输中的损坏，需要通过实地行车记录汽车振动例如：为了避免产品在公路运输中的损坏，需要通过实地行车记录汽车振动和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振动环境，运输过程对于产品和产品振动，以估计运输过程中是怎样的一种振动环境，运输过程对于产品是怎样的一种激励，这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装是怎样的一种激励，这样才能有根据地为产品设计可靠的减震包装 。（转子不平衡质量的大小和分布）（转子不平衡质量的大小和分布）三、机械振动的分类三、机械振动的分类按微分方程的形式可分为：按微分方程的形式可分为：线性振动线性振动-描述其运动的方程为线性微分方程（描述其运动的方程为线性微分方程（满足线性叠加原

7、理满足线性叠加原理）非线性振动非线性振动-描述其运动的方程为非线性微分方程（描述其运动的方程为非线性微分方程（不满足叠加原理不满足叠加原理）按激励的有无和性质可分为：按激励的有无和性质可分为：固有振动固有振动-无激励时系统所有可能的运动的集合，反映系统振动的无激励时系统所有可能的运动的集合，反映系统振动的固有属性固有属性自由振动自由振动-激励消失后系统所作的振动。激励消失后系统所作的振动。强迫振动强迫振动-系统在外界激励下所作的振动。系统在外界激励下所作的振动。随机振动随机振动-系统在非确定性的随机激励下所作的振动。系统在非确定性的随机激励下所作的振动。自激振动自激振动-系统受到其自身运动诱发

8、出来的激励作用而产生和维持的振动。系统受到其自身运动诱发出来的激励作用而产生和维持的振动。 （油膜振荡、琴弦发出乐声、机床颤振、机翼颤动）（油膜振荡、琴弦发出乐声、机床颤振、机翼颤动）参数振动参数振动-激励因素以系统本身的参数随时间变化的形式出现的振动。激励因素以系统本身的参数随时间变化的形式出现的振动。按系统的输入类型：按系统的输入类型：自由振动自由振动系统受初始干扰或原有的外激振力取消后产生的振动系统受初始干扰或原有的外激振力取消后产生的振动（锤击法）（锤击法）强迫振动强迫振动系统在外激振力作用下产生的振动系统在外激振力作用下产生的振动 （电脑机箱风扇振动）（电脑机箱风扇振动）自激振动自激

9、振动系统在输入和输出之间具有反馈特性，并有能源补充而产生的振动。系统在输入和输出之间具有反馈特性，并有能源补充而产生的振动。 （油膜振荡、琴弦发出乐声、机翼颤动）（油膜振荡、琴弦发出乐声、机翼颤动）按系统的输出按系统的输出(振动规律振动规律)： 简谐振动简谐振动振动量为振动量为时间的正、余弦函数时间的正、余弦函数瞬态振动瞬态振动为时间的非周期函数为时间的非周期函数随机振动随机振动不是时间的确定性函数不是时间的确定性函数周期性振动周期性振动振动量为振动量为时间的周期函数时间的周期函数四、振动系统的力学模型：四、振动系统的力学模型：1 1、振动系统的三要素：、振动系统的三要素：质量、刚度、阻尼质量

10、、刚度、阻尼 a a、质量是感受惯性的元件；、质量是感受惯性的元件； b b、刚度是感受弹性的元件；、刚度是感受弹性的元件； c c、阻尼是消耗能量的元件。、阻尼是消耗能量的元件。2 2、描述振动系统的两类力学模型：、描述振动系统的两类力学模型：a a、连续系统模型（、连续系统模型（无限多自由度系统；分布参数系统无限多自由度系统；分布参数系统） 所用的数学工具为所用的数学工具为偏微分方程偏微分方程b b、离散系统模型（、离散系统模型（多自由度系统；单自由度系统多自由度系统；单自由度系统） 所用的数学工具为所用的数学工具为常微分方程常微分方程3 3、单自由度振动系统的、单自由度振动系统的简化简化

11、：质量块质量块简支梁简支梁mS(t)=Hsint()sin0stHt 当当 且为且为小小阻尼时，系统为自由衰减振动阻尼时，系统为自由衰减振动( )sin0stHt 当当 且为且为小小阻尼时，系统为强迫振动阻尼时，系统为强迫振动该系统的振动微分方程：该系统的振动微分方程：sin()mxcxkxHpt激振力激振力振动系统振动系统()sin0stHt 当当 且为且为无无阻尼时，系统为自由振动阻尼时，系统为自由振动铰支座铰支座四、实验振动系统和测试系统：四、实验振动系统和测试系统：简支梁传感器激振器质量块吸振器隔振器非接触激振器测振仪激振信号源数据采集器计算机悬臂梁Ae-ntxt0T Tt1tat=t

12、a-t1A-A五、单自由度系统自由衰减振动实验：五、单自由度系统自由衰减振动实验：衰减振动数据记录表：衰减振动数据记录表：传感器传感器m敲击敲击自由衰减振动测试装置图自由衰减振动测试装置图自由衰减振动波形图自由衰减振动波形图振幅经过a次衰减计算公式：计算公式：1()/aTtta周期1/fT固有 率频三种阻尼状态比较三种阻尼状态比较欠阻尼是一种振幅逐渐衰减的减幅周期振动；欠阻尼是一种振幅逐渐衰减的减幅周期振动；过阻尼是一种幅值按指数规律衰减的非周期蠕动；过阻尼是一种幅值按指数规律衰减的非周期蠕动；临界阻尼也是按指数规律衰减的非周期运动临界阻尼也是按指数规律衰减的非周期运动. .强迫振动测试装置图

13、强迫振动测试装置图六、单自由度系统强迫振动实验：六、单自由度系统强迫振动实验：幅频特性曲线数据记录表：幅频特性曲线数据记录表：计算公式：计算公式：00)/ 2baf阻尼比；固有 率（频频m幅频响应曲线幅频响应曲线七、自由衰减振动和强迫振动实验目的七、自由衰减振动和强迫振动实验目的：1 1、了解振动系统和测振系统的组成及原理；、了解振动系统和测振系统的组成及原理；2 2、了解单自由度系统了解单自由度系统振动振动模型的有关概念；模型的有关概念；3 3、学习用、学习用衰减振动波形衰减振动波形及及共振法测试振动系统固有频率的原理和方法共振法测试振动系统固有频率的原理和方法；5 5、测定简支梁振动系统的

14、固有频率、周期、阻尼比及幅频特性曲线；、测定简支梁振动系统的固有频率、周期、阻尼比及幅频特性曲线；八、实验仪器及设备八、实验仪器及设备1 1、简支梁振动系统；、简支梁振动系统；2 2、ZG-1ZG-1型传感器型传感器2 2只；只；3 3、SJF-3SJF-3型激振信号源；型激振信号源；4 4、SCZ2-3SCZ2-3型测振仪；型测振仪；5 5、JZ-1JZ-1型激振器；型激振器；6 6、虚拟测试系统。、虚拟测试系统。九、实验步骤：九、实验步骤：单自由度系统自由衰减振动单自由度系统自由衰减振动(1)将传感器置于集中质量块上，输出端接测振仪。(2)在计算机屏幕上点击左下角“退出系统”处按单，进入F

15、FT频 谱分析仪。(3)点击左下角“数据源”处按扭再线，采样参数选择：频道1024Hz、通道1或2、采样长度取5。 (4)参数设定好后，点击确定按扭、同时用手轻敲击简支梁 （每1-2秒敲击3次）。 (5)波形窗口出现后，用页面控制按扭选择一段规则波形来确定分析波峰次数a，用鼠标点击选定起始波峰处，从波形图上方读出时间值并记录下来；同理，记录终止波峰处的时间值，计算a个波峰间的时间差。 (6)根据公式计算出简支梁振动系统的周期T和固有频率f。TfattTa/1:/ )(1固有频率周期：(1)将传感器置于集中质量块上，输出端接测振仪。(2)将激振器接入激振信号源的输出端，开启激振信号源的电源开关，

16、将电流调到80至100mA之间，使系统产生正弦振动。(3)按一定的规律，调节激振信号源输出信号的频率，从测振仪上读出给定的各频率所对应的振动幅值并记录下来。(4)以频率为横坐标，振动幅值为纵坐标，绘出系统的幅频特性曲线来。(5)在幅频特性曲线上，以幅值等于0.707Bmxa为纵坐标，作一条水平线相交与幅频特性曲线上的a、b两点，以a、b两点向横坐标作垂线，相交于两个频率a和b，再用公式计算出阻尼比和固有频率f。(6)在幅频特性曲线上，找出最大的幅值Bmxa所对应的频率值， 即为简支梁振动系统的固有频率f。十、实验步骤：十、实验步骤：单自由度系统强迫振动单自由度系统强迫振动00) / 2baf阻尼比：；固有率：（例：例：提升机系统重物重量提升机系统重物重量 钢丝绳的弹簧刚度钢丝绳的弹簧刚度重物以重物以 的速度匀速下降的速度匀速下降求：绳的上端被卡住时，（求：绳的上端被卡住时，（1 1）重物的振动频率，）重物的振动频率， （2 2）钢丝绳中的最大张力）钢丝绳中的最大张力51.47 10WN45.78 10kN cm15minVm解：解： （1 1）振动频率）振动频率 重物匀速下降时处于静平衡位置，重物匀速下降时处于静平衡位置，若将坐标原点取在