振动测试技术作业

简支梁振动系统动态特性测试姓名：汪亚彬学号：0214134班级：土木工程（3）班课程：振动测试技术2015年7月21日一、振动测试概述1、振动的分类及描述答:1、在振动理论中，把物体的振动按自由度分，可分为：单自由度振动、多自由度振动、无限自由度振动；2、按激励类型分，可分为：自由振动、受迫振动、自激振动、固有振动、参数振动；3、从振动特性看，可分为：线性振动和非线性振动；4、按信息与数据的形式分，可分为：确定性振动及随机振动两大类。其中确定性振动按响应持续时间，又可分为:瞬态振动、稳态振动；按响应的周期性可分为：周期振动及非周期振动两类；周期振动可用数学表达式)((nTtyty）表示，它还可以进一步分为简谐振动及复杂周期振动两类；非周期振动又可分为准周期振动及瞬变振动两类。一、确定性振动1、简谐振动简谐振动是一种最简单、最基本的振动形式，其时变函数为sin()(Aty)2sin()00ftAwt式中：A----振幅；w----圆频率，单位：弧度/秒（rad/s）；f----频率，单位：赫兹（Hz）；0----相对于时间原点的初相角，单位：弧度（rad）;)(ty----为t时刻的瞬时幅值。2、复杂周期振动复杂周期振动可用如下的周期性时变函数表示),()(nTtytyn1，2，3···，它由与基波成为整倍数的波形所组成。或者，复杂周期振动是由静态分量0y项与无穷多个振幅、初相角不相同、频率与基频称整数倍的间谐波分量叠加而成，当然其中有些项的幅值可以为零。3、准周期振动如果若干个频率不成比例关系的简谐振动叠加在一起，合成后的振动不呈现周期性，称为准周期振动。例如：)7sin()5sin()sin()(332211tytytyty所表示的振动，表现在时程曲线不呈现周期性。4、瞬变振动除了周期振动及准周期振动以外的所有确定性振动，均为瞬变振动。瞬变振动的幅值随时间增长而趋于零，所以它是在有限的时间内完成的振动。二、随机振动随机振动是一种非确定性振动，它普遍地存在于各个方面，例如车辆在不平整的路面上行驶时产生的振动；风、地震作用于建筑物产生的振动；海浪引起海上建筑的振动等等。这种振动的共同特点是：振动的瞬时值是无法精确预测的；此外，即使在相同的条件下重复做多次试验，也不会出现完全相同的结果。随机振动是由连续分布在一定频带内所有频率上的正弦波组成，故它的频谱是在一定频率范围内的连续谱。随机振动虽然无法用精确的数学关系式来描述，但在大量的观测中，随机振动在任何一段时间的状态都具有一定的统计规律性。随机振动可用概率统计特性参数------平均值、均方值、均方根值、幅值概率密度函数、相关函数、功率谱密度等来描述。2、振动基本参量表示方法答：振幅、频率、相位、及阻尼等描述振动所必须的量统称为振动参数。在周期振动中，最基本的振动参量为振动的幅度、频率和相位，称为振动三要素。这三个量的表示方法分别为：1、幅度表示法振动的幅度可以有三种表示方法，即峰值、平均值和有效值。（1）峰值：指波形上的最大值（不是极大值），通常用峰y、my表示。对简谐振动可以用峰值来描述振动的强度，但对复合运动来讲，峰值只提供了关于振动在某一时刻的数据，而未考虑到整个时间历程。（2）平均值：它是绝对平均值的简称，它能照顾到振动的整个时间历程，由下式给出dttyTTT0)(1lim通常用符号平均y或ay表示。对于周期振动)()(tyTty，则dttyTyTa0)(1（3）有效值：兼顾了运动的时间过程且又与振动的能量含量有关，因此有效值是一个很重要的描述量值，其符号为RMSy。有效值由下式表示dttyyTTRMS)(lim02对于周期振动则有dttyTyTRMS02)(12、频率与相位表示法频率即是振动运动在单位时间内的循环次数，通常用“f”表示，单位为1/s或赫兹（Hz）。周期与频率互为倒数，即Tf1对于简谐振动)0sin(wtyym式中w称为圆频率Tfw22圆频率的单位用“弧度/秒”（rad/s）来表示。0wt称为相位或相角，当t=0时，00wt，故0称为初相角。相位与初相位的单位一般用弧度（rad）表示。3、非简谐振动的频谱表示法以频率作为横坐标，以幅值为纵坐标，画出的图形即称为幅值谱图。频谱图是在频率域内扫描该振动，它清晰直观地表明了某振动包含的频率成分及幅值大小。相位频谱图表明在不同频率时二个信号间的相位关系。3、振动测试仪器分类及配套使用答：振动测试仪器分为：激振设备、测振传感器、放大器、和记录仪器、分析仪器等。其中，激振设备按照加载方式的不同，分为惯性力加载、电磁加载、液压振动台、结构疲劳试验机、电液伺服加载系统等。传感器按其测量方法，可分为非接触式与接触式两类。非接触式在测量过程中，传感器与振动体没有接触，因而对振动体的振动特性不会产生影响；接触式的只有把传感器固连于振动体才能进行测量。按测量原理，振动传感器又可分为相对式与绝对式（惯性式）两类。按其转换方式来分又有磁电式、压电式、电阻片式、电容式、电感式等。测振传感器分为1、磁电式速度传感器2、压电式加速度传感器3、电阻应变式加速度传感器；测振放大器分为1、电压放大器2、电荷放大器3、动态电阻应变仪；配套使用方式为：磁电式拾振器→电压放大器↘压电式加速度计→电荷放大器→动态数据采集仪→计算机主机→打印机应变式传感器→动态电阻应变仪↗（显示终端）4、窗函数的分类及用途答：窗函数是用来对信号进行截取，以减少频谱能量泄漏的截断函数，称为窗。可分为以下主要类型：1、幂窗，如矩形窗、三角窗、梯形窗等；2、三角函数窗，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，如汉宁窗、海明窗等；3、指数窗，如高斯窗。5、信号采集及分析过程中出现的问题，怎样解决？答：信号采集过程中会发生频率混迭，因此须满足采样定理，即信号采样频率必须为原信号中最高频率成分的2倍。但满足采样定理，只能保证不发生频率混迭，而不能保证此时的采样信号能真实反映原信号x(t)，工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍；信号处理过程中进行信号的截断时，会发生能量泄漏，处理方法是1、对信号进行整周期截断2、对信号施加主瓣宽度窄，衰减性的窗函数。二、惯性式速度型与加速度型传感器1、惯性式速度传感器的分类答：惯性式速度传感器主要是磁电式速度传感器，可分为1、动圈式2、磁阻式；动圈式又分为1、线速度型2、角速度型。力学原理：以惯性式拾振器力学模型为基础，以导线在磁场中运动而切割磁力线产生感应电动势为换能原理的磁电式拾振器。依照电磁感应定律，在线圈中就有感应电动势产生，其大小为：mvnBlve510n—线圈匝数B—磁感应强度I—每匝线圈平均长度v—被测体振动速度2、压电晶体加速度计答：压电式加速度计是以惯性式拾振器力学模型为基础，以压电晶体的压电效应为换能原理的压电式拾振器。所谓“压电效应”是指压电晶体在受到机械作用力时而发生变形，其表面产生电荷。所受到的机械作用力越大，则产生的电荷越多，而当作用力去掉后，晶体又回到原来不带电的状态。当压电式拾振器固定在试件上面而承受振动是，质量块将产生一可变力F，作用于压电晶体片上，使压电晶体受到一惯性力F为：F=ma=Cq式中m—质量块a--振动体加速度C—压电系数三、振动特性参数的常用量测方法1、振动基本参数的量测1）简谐振动频率的测量振动频率测量常用方法如下：1、用数字式频率计直接测读震动信号通过传感器、放大器变成电压信号后输入频率计，可直接读出其频率值。此种方法简便，具有较高的精度、稳定性，且不只限于对简单谐波形的测量。2、振动波形与时标信号比较法（简称录波比较法）把振动波形的时程曲线记录于记录纸上，同时记录时标信号，然后进行比较。例如，如果时标信号为1s，则只要计算在两条时标信号间的完整波个数即是振动信号的频率值。为了减少读书误差，有时可以统计十条时标线间的振动个数，进行计算。3、利萨如图形测读法利用阴极射线示波器观察利萨如图形也能进行振动频率的测量，它的具体方法如下：将被测的振动信号变为电压信号y，输入到阴极射线示波器的y轴；再用音频信号发生器输出一个正弦电压信号x，输入到示波器的x轴。调动音频信号发生器的信号频率xf，当它与被测信号频率yf相等时，示波器上即出现一个椭圆。当两者呈现其他比例关系时，会出现某种特定的图形。2）振动幅值的测量1、振动楔测量振幅法振动楔也称为振动标，它是一块上面印有三角形的轻质金属薄板或纸板制成。测量振动物体幅值时，将振动楔固定于该物体上，它随着振动物体振动。用振动楔测量振幅简单、直观、方便，但精度较差。其适用范围是：频率大于10Hz，振幅大于0.1mm。2、读数显微镜测振幅法试验时，可在振动物体上贴一小块金刚砂纸，用灯照亮后，物体静止时，在读数显微镜中可观察到某些反射特别亮的光点。物体振动后，这些亮点即变成为亮线，通过测读亮线长度，即为振幅2A值。此方法只能用于频率高于10Hz的振幅测量。除可观察振幅稳定的周期振动外，还可观察两个方向互相垂直的振动。3、位移时程曲线的记录如果需记录位移时程曲线，可用位移传感器进行测量并记录。3）相位的测量1、用相位计测读相位计有模拟式和数字式两种：模拟式相位计输出直流电压，它与输入信号相位差成正比，它便于与x-y记录仪相配使用；数字式相位计则直接显示相位差角，测量精度较高。2、波形比较把被测信号送入双线示波器的1Y轴，另外取基准信号输入到示波器的2Y轴，调节扫描旋钮，使荧光屏上只出现一个周期波，从波形图中可与测读Tt及值，则被测信号与基准信号间的相位差值，可由下式计算得到：0360Tt2、结构动力特性参数量测结构动力特性参数通常指1、结构的固有频率2、阻尼比3、振型等参数。测试方法主要有1、自由振动法2、共振法3、脉动法。1）自由振动法：借助于外荷载是结构产生一初位移(或初速度)，是结构由于弹性而自由振动起来，由此记录下它的振动波形，从而得出其自振特性。激振方法有：1、突加荷载2、突卸荷载2）共振法：共振法即利用专门的激振设备（电磁式激振器或偏心式起振机等），对结构施加一简谐荷载使结构产生一恒定的强迫简谐振动，借助共振原理来得到结构自振特性的方法。强迫振动频率可由激振设备的信号发生器上调节并读取，或由专门的测速、测频仪上读取。3）脉动法：脉动法是借助于被测结构物周围的不规则微弱干扰（如地面脉动、空气流动等）所产生的微弱振动作为激励测定建筑物自振特性的一种方法。这种脉动是经常存在的。此法可反映被测建筑物的固有频率。其最大优点是不用专门的激振设备，简便易行，不受结构物大小的限制。在用脉动法测量结构动力特性时，要求拾振器灵敏度高。测量时只要将拾振器放在被测物上即可。一、结构固有频率采用共振法时，共振频率与固有频率有着确定的关系，且存在着位移共振、速度共振、加速度共振三种情况。（1）位移共振：位移的振幅值达到最大值时，称为位移共振，也就是通常所称的“共振”。此时，2021wwy，式中，为系统的共振频率0w，0wn（2）速度共振：如果测定振动的速度值，当速度达到最大值时，即称速度共振。速度的幅值为wA。当有阻尼时，速度共振频率就是结构的固有频率。（3）加速度共振：如果测定振动的加速度值，当加速度达到最大值时，称为加速度共振。加速度的幅值为Aw2。二、阻尼比ncrmwccc2，为自振频率nw，对数衰减率为jiiuujln1代入小阻尼体系阻尼比的近似计算式，可得jiiuujln21。三、振型曲线的测量对于比较复杂、大型、刚度较大的结构，需用传感器及测振仪器，测出被测结构上各点的振幅（或加速度）值及相位，以绘出其振型曲线。用示波器记录在共振时各点振动信号，然后读出同一瞬时各点振幅值、各振幅间的相位关系，按各点振幅值及相位关系，画出振型曲线。（2）用双线示波器测量各点间的相位关系，取双线示波器中的一条扫描记录参考点的信号，而参考点可以选取激振力信号或其他信号点。另一条扫描线逐点显示各测点的波形，以参考点波形为基准，与其比