教学材料《仪器介绍》-第四章

实验1认识机械振动【实验目的】(1)掌握机械系统中的运动量

(2)了解机械振动及常见的机械振动的类型【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(装配组合简支梁和悬臂梁)1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;力传感器1只;电荷放大器1台;数据采集系统1套;信号分析软件1套;计算机1台【实验原理与方法]

机械系统中的运动量是指位移、速度和加速度。机械系统中运动量的振荡现象，称为机械振动，也就是相对已知的参考系。机械系统中一个随时间变化的运动量与平均值相比，时大时小交替变化的现象，称为机械振动。下一页返回实验1认识机械振动机械振动按产生的原因分为自由振动、受迫振动、参数振动和自激振动。常见的是自由振动和受迫振动。自由振动:当系统的平衡被破坏，只靠其弹簧恢复力来维持的振动，即去掉激励或约束之后所出现的振动。振动的频率就是系统的固有频率。存在阻尼时，其振幅逐渐衰减，如图4.1.1所示。

受迫振动:在外部周期激励的持续作用下，系统被迫产生的稳态振动。振动的特性与外部周期激励的大小、方向和频率密切相关。振动曲线如图4.1.2所示。上一页下一页返回实验1认识机械振动机械振动的测量是通过对运动量的测量，来实现对振动系统动态参数的识别。其实验内容是构成悬臂梁的自由振动系统及简支梁的受迫振动系统，观察两个振动系统振幅随时间变化的过程。测试框图如图4.1.3和图4.1.4所示。对运动量测试的传感器有位移传感器、速度传感器和加速度传感器。【实验步骤】(1)臂梁末端给予一个外界干扰(初位移)，然后立即将干扰撤去，系统便作自由振动，观察振幅自由衰减的波形。依次将外界干扰向前移，观察振幅自由振动衰减波形，并将振动波形记录下来，观察有何变化。上一页下一页返回实验1认识机械振动(2)支梁受迫振动系统中依次用10Hz,20Hz,30Hz的正弦信号激振简直梁，观察简支梁的响应波形，分别记录其振动波形。【实验数据处理与分析]

通过记录的振动曲线，分析悬臂梁系统，在不同位置施加干扰，观察振动振幅有何变化，衰减过程有何变化。观察简支梁振动系统，在不同频率正弦信号的激振下，响应波形的振幅及频率有何变化。上一页返回实验2简谐振动系统振幅与振动频率的测量【实验目的】(1)了解简单振动测试系统的组成

(2)掌握激振器、加速度传感器、电荷放大器等常用仪器设备工作原理及使用方法。

(3)掌握测试简谐振动系统振幅及振动频率的基本方法。【实验设备与仪器】

械振动综合实验装置(安装简支梁)1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;实验计算机1台。下一页返回实验2简谐振动系统振幅与振动频率的测量[实验原理与方法]

振动测试系统通常由激振系统、测试系统和分析系统三部分组成。激振系统是激发被测结构或机械的振动。激振系统中常用的设备称为激振设备，如激振器、振动台等。测试系统是将振动量加以转换、放大、显示或记录，如电荷放大器、示波器、数据采集仪等。分析系统是将测得的结果加以处理，根据研究的目的求得各种曲线和振动参数。常用信号分析软件来实现。本次实验通过测试简谐振动系统的振幅和振动频率，构成一个简单的振动测试系统如图4.2.1所示，观察振动系统的组成。上一页下一页返回实验2简谐振动系统振幅与振动频率的测量【实验方法与步骤】

(1)激振系统安装:将激振器通过顶杆作用在简支梁上(注意确保顶杆与激振器的中心在一直线上)，激振点位于简支梁中心偏左50mm处(已有安装螺孔)，将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器的输出端与激振器相连接。

(2)测试系统安装:用双面胶纸(或传感器吸力磁座)将加速度传感器安装在简支梁上(中心偏左50mm)并与电荷放大器的输入端连接，将电荷放大器输出端与数据采集仪输入端连接。

(3)分析系统:数据采集仪输出端与计算机连接，通过专用软件在计算机在观察采集的信号并对采集的数据进行分析处理。上一页下一页返回实验2简谐振动系统振幅与振动频率的测量(4)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器在某一频率(可以为20Hz),调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V。调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至从数据采集软件的显示窗口能观察到光滑的正弦波，若功率放大器输出功率已较大仍得不到光滑的正弦波，应改变信号发生器的频率。

(5)用数据采集软件采集io个周期正弦波，显示所包含的时间。上一页下一页返回实验2简谐振动系统振幅与振动频率的测量(6)把在时间域采集的信号转换为频率域内，观察其振动频率。【实验数据处理与分析](1)分别列出加速度传感器电荷灵敏度、加速度传感器与电荷放大器的通道灵敏度以及数据采集幅值读数，并换算出振动加速度，写出转换公式。

(2)将测量的振动频率与信号发生器激振频率比较，计算出误差并分析误差原因。

(3)本测试方法能否测量非简谐振动的频率?上一页返回实验3振动系统固有频率测量【实验目的】

以简支梁为例，掌握不同的相位差合成李萨育图形法，学会用共振法测量振动系统的固有频率，加深了解常用简单振动测试仪器的使用方法【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(安装简支梁)1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;信号发生器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;计算机1台。下一页返回实验3振动系统固有频率测量【实验内容与原理]

李萨育图形是由运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运动轨，可以通过示波器或数据采集软件的X一Y轨迹图观察到。在图的X,Y轴上同时输入简谐振动两个信号，这两个信号不同的相位差合成不同的李萨育图形，如图4.3.1所示。

共振法测量振动系统的固有频率是比较常用的方法之一。共振是指当激振频率达到某一特定值时，振动量的振动幅值达到极大值的现象。振动的位移、速度及加速度的幅值其各自达到极大值时频率是不同的，只有在无阻尼的情况下，它们频率才相等，并且等于振动系统的固有频率。上一页下一页返回实验3振动系统固有频率测量但在弱阻尼的情况下，三种共振频率接近系统的固有频率。只有速度共振频率真正和固有频率相等，所以用速度共振的相位差判别共振。其判别依据为:当系统发生速度共振时，激振力和速度响应之间的相位差为90o，依据位移、速度、加速度响应判断速度共振的李萨育图形如图4.3.2、图4.3.3、图4.3.4所示。【实验方法与步骤】(1)如图4.3.5所示，将激振器通过顶杆连接到简支梁上(注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上)，激振点位于简支梁中心偏左50mm处(已有安装螺孔)，将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器与激振器相连接。该通道信号定义X轴。上一页下一页返回实验3振动系统固有频率测量

(2)用双面胶纸(或传感器吸力磁座)将加速度传感器粘贴在简支梁上(中心偏左50mm)并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端与数据采集仪的输入端相连接。该通道信号定义Y轴。

(3)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz,调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至简支梁有明显的振动(用眼观察或用手触摸)。上一页下一页返回实验3振动系统固有频率测量(4)将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，同时观察简支梁的振动情况并在采集软件的示波器处观察李萨育图形。当采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，信号发生器的频率读数即为振动系统的第一阶固有频率。再将信号发生器的频率向高调节，测出其他阶固有频率。调节信号发生器的频率时应注意观察简支梁的振动幅度，避免振动过大损坏实验设备。【思考题】(1)列出固有频率，并与理论值比较

(2)本实验能否用位移传感器?上一页返回实验4机械振动系统幅频特性曲线测量【实验目的】

以简支梁为例，了解和掌握机械振动系统幅频特性曲线的测量方法以如何由幅频特性曲线得到系统的固有频率，了解常用简单振动测试仪器的使用方法。【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(安装简支梁)1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;信号发生器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;计算机1台。下一页返回实验4机械振动系统幅频特性曲线测量【实验内容与原理]

简支梁系统在周期干扰力作用下，以干扰力的频率作受迫振动。振幅随着振动频率的改变而变化。由此，通过改变干扰力(激振力)的频率，以其为横坐标，以振幅B为纵坐标，得到的曲线即为幅频特性曲线。测试框图如图4.4.1所示。【实验方法与步骤】(1)将激振器通过顶杆连接到简支梁上(注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上)，激振点位于简支梁中心偏左50mm处(已有安装螺孔)，将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器与激振器相连接。上一页下一页返回实验4机械振动系统幅频特性曲线测量(2)用双面胶纸(或传感器磁座)将加速度传感器粘贴在简支梁上(中心偏左50mm)并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端与数据采集仪输入端连接。

(3)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz,调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至简支梁有明显的振动(用眼观察或用手触摸)。

(4)将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，观察简支梁的振动情况，若振动过大则减小功率放大器的输出功率。上一页下一页返回实验4机械振动系统幅频特性曲线测量(5)保持功率放大器的输出功率恒定，将信号发生器的频率重新由低向高逐步调节，记录调整频率的变化情况，采集各个调整频率下响应信号振动幅值对应的电压数据。【实验数据整理与分析](1)依据在不同频率下测得的振动幅值，以频率为横坐标，以振动幅值为纵坐标绘出加速度幅频特性曲线。

(2)根据加速度幅频特性曲线，找出振动系统的固有频率。

(3)依据幅频特性曲线，估算振动系统的相对阻尼系数。上一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量【实验目的】

了解振动系统的动态参数，掌握单自由度振动系统动态参数的测量方法。【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;信号发生器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;计算机1台。下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量【实验内容与原理】

振动系统的固有频率、阻尼、刚度、质量、振型称为系统的动态参数。在工程实际中对振动系统动态参数的识别l一分重要。在本次实验中，主要对单自由度系统的动态参数进行识别。测试框图如图4.5.1所示。单自由度系统固有频率和相对阻尼系数的识别，通过测试振动系统的加速度幅频特性曲线(见图4.5.2),依据曲线的峰值识别系统固有频率，依据半功率点等值计算出相对阻尼系数。对于质量的识别采用附加质量法。在试验测得系统固有频率和质量的基础，通过公式计算出系统刚度。上一页下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量曲线中峰值Bpeak对应的频率值fn(wn)为振动系统的固有频率。在峰值处作一条水平线，与曲线交与两点，这两点为半功率点，半功率对应的频率值为f1,f2(w1，w2)振动系统的相对阻尼系数为系统振动质量的测定，根据系统的振动情况在系统上加一小珐码△m，测试该状态下系统振动的固有频率fn1(wn1)振动质量上一页下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量式中，振动系统的刚度为上一页下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量【实验方法与步骤】(1)将激振器通过顶杆连接到单自由系统质量块上(注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上)，将信号发生器输出端分别连接到功率放大器及数据采集仪的输入端上，并将功率放大器与激振器相连接。

(2)用双面胶纸(或传感器磁座)将加速度传感器粘贴在质量块上，并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端分别与数据采集仪的输入端相连接。

(3)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz,调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至质量块有明显的振动(用眼观察或用手触摸)。上一页下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量(4)将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，观察质量块的振动情况，若振动过大则减小功率放大器的输出功率。

(5)保持功率放大器的输出功率恒定，将信号发生器的频率重新由低向高逐步调节，采集各频率值对应的振动信号的幅值数据。

(6)将信号发生器的频率重新由低向高逐步调节，注意观察采集软件的示波器的李萨育图形(X轴是加速度响应信号，Y轴是激振力信号)。当采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，信号发生器的频率读数就是系统的固有频率fn。上一页下一页返回实验5单自由度振动系统动态参数测量(7)在振动的单自由度系统上加一珐码(已知的微小质量)，观察李萨育图形，调整信号发生器的频率，使采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，记录信号发生器的频率读数，该频率为附加质量后的振动系统的固有频率fn。【实验数据与分析】(1)通过实验数据，绘出单自由度系统加速度幅频特性曲线。通过曲线识别出振动系统的固有频率、相对阻尼系数

(2)依据测得的两个振动系统的固有频率，计算出单自由读系统的质量。

(3)依据固有频率和质量计算出系统的刚度。

(4)比较依据共振法和幅频特性曲线识别系统的固有频率有何不同?上一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量【实验目的】

通过测试悬臂梁系统一阶的衰减系数及相对阻尼系数，掌握依据自由振动衰减法，测试振动系统衰减系数及相对阻尼系数的方法。【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(装配简支梁)1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;信号发生器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;计算机1台【实验内容与原理】

对于有阻尼的单自由度系统，其自由振动可用下式描述下一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量式中，A为振幅;ωd为系统固有频率;n为系统衰减系数;t为时间;α为初相位角。曲线如图4.6.1所示。

在振动理论中，常用对数衰减比来描述系统的衰减性能，它的定义是两个相邻正波峰幅值比的自然对数值)如图4.6.1所示，对数衰减比为式中，上一页下一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量所以衰减系数为系统的相对阻尼系数、固有频率、衰减系数三者之间的关系为上一页下一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量

(1)如图4.6.2所示将激振器通过顶杆连接到悬臂梁上，激振点位于悬臂梁靠根部1/3处，将信号发生器输出端分别与功率放大器和数据采集仪的输入端连接，并将功率放大器与激振器相连接。

(2)用双面胶纸(或传感器磁座)将加速度传感器A粘贴在悬臂梁上2测点，(试验时固定不动，用于与其他测点比较相位)，将加速度传感器B粘贴在悬臂梁上11号测点，再将两传感器分别与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端与数据采集仪的输入端相连接。上一页下一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量(3)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz,调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至悬臂梁有明显的振动(用眼观察或用手触摸)。

(4)将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，观察采集软件的示波器的李萨育图形。当采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，信号发生器的频率读数即为第一阶固有频率。再将信号发生器的频率向高调节，测出第二阶固有频率。调节信号发生器的频率时应注意观察悬臂梁的振动幅度，避免振动过大损坏实验设备。上一页下一页返回实验6振动系统衰减系数及相对阻尼系数的测量(5)再将信号发生器调到第一阶固有频率值，保持功率放大器输出功率不变，测量传感器(加速度传感器B)从悬臂梁的右端等距跑点，依次记下与测量传感器相连的幅值数据。归一化即可得到第一阶振型。然后再测试第二阶振型。

(6)在采集信号数据时，要注意观察采集软件的示波器上两波形(加速度传感器A,B)的相位变化，同向为正，反向为负。【实验数据与分析】

列出固有频率，绘出归一化振型。上一页返回实验7简支梁固有频率与振型测量(激振法)【实验目的】(1)测量简支梁的固有频率和固有振型

(2)掌握多自由度系统固有频率和振型的简单测量方法【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置1套;激振器及功率放大器1套;加速度传感器1只;电荷放大器1台;信号发生器1台;数据采集仪1台;信号分析软件1套;计算机1台。下一页返回实验7简支梁固有频率与振型测量(激振法)【实验内容与原理】

依据共振法测试简支梁的一阶、二阶固有频率，原理同本章实验3。测试框图如图4.7.1用跳沙法观察简支梁一阶、二阶振型

测试简支梁的振型，根据简支梁的长度，划分若干个单元格，依次标号。将信号发生器的频率调整到一阶固有频率处，观察简支梁的振动情况，在该频率下，分别测试每个单元的振幅。依据测得的振幅，通过归一化，绘出简支梁的一阶振型。上一页下一页返回实验7简支梁固有频率与振型测量(激振法)【实验方法与步骤】(1)将激振器通过顶杆连接到简支梁上(注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上)，激振点位于简支梁中心偏左50mm处(已有安装螺孔)，将信号发生器输出端分别与功率放大器和数据采集仪的输入端连接，并将功率放大器与激振器相连接。(2)用双面胶纸(或传感器磁座)将加速度传感器A粘贴在简支梁上5号测点(试验时固定不动，用于与其他测点比较相位)，将加速度传感器连接，将电荷放大器输出端与数据采集仪的输入端连接。上一页下一页返回实验7简支梁固有频率与振型测量(激振法)(3)将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz,调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至质量块有明显的振动(用眼观察或用手触摸)。

(4)将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，观察采集软件的示波器的李萨育图形。当采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，信号发生器的频率读数即为第一阶固有频率。再将信号发生器的频率向高调节，测出第二阶固有频率。调节信号发生器的频率时应注意观察简支梁的振动幅度，避免振动过大损坏实验设备。上一页下一页返回实验7简支梁固有频率与振型测量(激振法)(5)再将信号发生器调到第一阶固有频率值，保持功率放大器输出功率不变，将加速度传感器移到简支梁的右端第一个单元，依次测得所有单元的振动幅值，并记录存储。经过归一化即可得到简支梁第一阶振型。依据此方法也可测试第二阶振型。【实验数据与分析】

列出简支梁一阶、二阶固有频率，绘出简支梁一阶、二阶固有振型。上一页返回实验8悬臂梁试验模态分析(锤击法)【实验目的】

掌握试验模态分析的基本方法，了解单点激励(锤击)多点响应实验方法，多点激励(锤击)单点响应实验方法【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(装配简支梁)1套;力锤1只;加速度传感器1只;电荷放大器1台;数据采集仪1台;信号分析软件(锤击测振软件)1套;计算机1台;模态分析软件1套【实验内容与原理]

试验模态分析法是通过测量结构(零件)上某点的动态输入力和输出响应，并将测得的这些数据转换成频响函数，通过频响函数曲线来识别系统的动态参数。下一页返回实验8悬臂梁试验模态分析(锤击法)试验模态分析法总体上由四个方面组成:第一步建立测量系统试验装置，即固定试件，安装传感器，连接数据采集系统，校准等。第二步是测试采集数据，最常见的是估计频响函数。第三步系统参数识别，从测得的频响函数曲线中识别动态参数。第四步对所得到的结果进行验证。对悬臂梁进行试验模态分析。测试框图如图4.8.1所示。

测试系统的激励部分为力锤，响应为加速度传感器。通过测试悬臂梁系统原点传递函数曲线和跨点传递函数曲线，确定系统的模态参数(各阶固有频率、模态刚度、相对阻尼系数、模态质量、振型)。上一页下一页返回实验8悬臂梁试验模态分析(锤击法)【实验方法与步骤】

根据悬臂梁的长度，划分若干个单元格，依次标号。①单点激励(锤击)多点响应实验方法，用力锤锤击悬臂梁上某一点，分别把加速度传感器放置到每个单元格，采集激励信号和响应信号，通过采集的激励信号和响应信号对每个单元作传递函数分析。②多点激励(锤击)单点响应实验方法，把加速度传感器放置悬臂梁上某一点，根据标号依次锤击每个单元格，分别采集激励信号和响应信号，通过采集的激励信号和响应信号对每个单元作传递函数分析。通过原点传递函数曲线确定振动系统的各阶固有频率、相对阻尼系数、模态质量、模态刚度，依据每个单元格的传递函数曲线确定振动系统的振型。上一页下一页返回实验8悬臂梁试验模态分析(锤击法)【实验数据与分析】

列出悬臂梁一阶、二阶、三阶的模态参数，对一阶振型进行动画显示。【思考题】(1)对比“单点激励(锤击)多点响应实验方法”和“多点激励(锤击)单点响应实验方法”实验，是否能得到一致的实验结论?(2)移动悬臂梁上的配重块，观察实验结果对振型的影响。上一页返回实验9圆盘结构试验模态分析(锤击法)【实验目的】

掌握圆盘结构和类似结构的试验模态测试与分析的基本方法。【实验设备与仪器】

机械振动综合实验装置(装配有圆盘)1套;力锤1只;加速度传感器1只;电荷放大器2只;数据采集仪1台;信号分析软件(锤击测振软件)1套;模态分析软件1套;计算机1台【实验内容及原理】

试验模态分析法是通过测量结构(零件)上某点的动态输入力和输出响应，并将测得的这些数据转换成频响函数，通过频响函数曲线来识别系统的动态参数。下一页返回实验9圆盘结构试验模态分析(锤击法)试验模态分析法总体上由四个方面组成:第一步建立测量系统试验装置，即固定试件，安装传感器，连接数据采集系统，校准等。第二步是测试采集数据，最常见的是估计频响函数。第三步系统参数识别，从测得的频响函数曲线中识别动态参数。第四步对所得到的结果进行验证。对圆盘结构进行试验模态分析，测试框图如图4.9.1所示。

测试系统的激励部分为力锤，响