机械工程测试技术第七章-振动测试

测试技术基础第七章振动测试7.1概述小轿车的乘坐舒适性试验框图测试技术基础第七章振动测试机械振动定义机械振动是物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动。机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，例如单摆。构成机械振动系统的基本要素有惯性、恢复性和阻尼。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M、刚度K和阻尼C表征。测试技术基础第七章振动测试产生的物理原因机械在运动时，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，产生各种振动。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，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械阻抗等。测试技术基础第七章振动测试机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测量方法按振动信号的转换方式分:电测法机械测量法光测法测试技术基础第七章振动测试振动的分类(1)从产生振动的方式来分：自由振动：仅受初始条件(初始位移、初始速度)激励而引起的振动；受迫振动：系统在持续外力激励下的振动。自激振动：在没有外激励作用的情况下，由系统自身激发所产生的一种振动(2)从振动的规律来分简谐振动复合周期振动瞬态振动随机振动(3)按系统自由度分单自由度振动多自由度振动连续弹性体振动▲测试技术基础第七章振动测试mkcz(t)f(t)f(t)kzdtdzc22dtzdm7.2振动的基本知识力作用在质量块上的单自由度系统质量m在外力的作用下的运动方程为)(22tfkzdtdzcdtzdmc—粘性阻尼系数；k——弹簧刚度；ƒ(t)—系统的激振力，即系统的输入；z(t)—系统的输出。拉氏变换ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为kcsmssfszsH21)()()((1)单自由度系统的受迫振动测试技术基础第七章振动测试kcsmssfszsH21)()()(令s=jw，则mkcz(t)f(t)f(t)kzdtdzc22dtzdm力作用在质量块上的单自由度系统122/11)()()(22kmkmcjkmkkjcmjfjzjH)/(2)/(1112nnjkwwwwmkn/wkmc2系统的固有频率系统的阻尼率测试技术基础第七章振动测试1230123456A(w)=0.05=0.10=0.25=0.50=1.00=0.152222)/(4)/(111)(nnkAww2)/(1)/(2)(nnarctgw幅频曲线相频曲线mkn/wkmc21230-90°0w/wn(w)=0.05=0.10=0.25=0.50=1.00=0.15-180°测试技术基础第七章振动测试1230123456A(w)w/wn=0.10=0.25=0.50=1.00=0.15在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率221wwnr随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；幅频曲线当无阻尼时，位移共振频率wr即为固有频率wn当系统的阻尼很小时，位移共振频率wr接近系统的固有频率wn，可用作为的估计值。测试技术基础第七章振动测试1230-90°0w/wn(w)=0.05=0.10=0.25=0.50=1.00=0.15-180°不管系统的阻尼率为多少，在w/wr=1时位移始终落后于激振力90º，此现象称为相位共振。相频曲线利用相频特性来确定固有频率比较准确幅频曲线1230123456A(w)=0.05=0.10=0.25=0.50=1.00=0.15测试技术基础第七章振动测试(2)由基础运动所引起的受迫振动mkcz0(t)z1(t)单自由度系统的基础振动mkcz(t)f(t)f(t)kzdtdzc22dtzdm力作用在质量块上的单自由度系统测试技术基础第七章振动测试mkcz0(t)z1(t)单自由度系统的基础振动设基础的绝对位移为Z1，质量m的绝对位移为Z0，则系统的振动可用方程式表示为：21201012012dtZdmkZdtdZcdtZdm拉氏变换并，令s=jw，得系统的幅频特性和相频特性22222)/(4)/(1)/()(nnnAww2)/(1)/(2)(nnarctgw测试技术基础第七章振动测试=0.3=0.5=0.707=1=2=5=10235-90°0w/wn(w)-180°141230w/wn12345A(w)=0.10=0.50=0.707=1.00=0.2522222)/(4)/(1)/()(nnnAww2)/(1)/(2)(nnarctgw幅频曲线相频曲线测试技术基础第七章振动测试(3)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；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；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振动，这种振动称为主振型。测试技术基础第七章振动测试(4)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，在频域内激励与响应之比K(s)=F(s)/Y(s)K(w)=F(w)/Y(w)◊传递函数H(s)=Y(s)/F(s)◊频率响应函数H(w)=Y(w)/F(w)◊机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳机械系统输入输出(激励)(响应))(tf)(ty机械系统框图▲测试技术基础第七章振动测试7.3振动的测量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。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第七章振动测试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。测试技术基础第七章振动测试(1)振动的激励稳态正弦激励方法激励信号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的大小。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相应频带内的频率响应。是一种快速测试方法。快速正弦扫描脉冲锤击阶跃松弛激励随机激励方法纯随机激励伪随机激励测试技术基础第七章振动测试瞬态激励方法快速正弦扫描正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（数秒内完成），激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。minmaxmin()sin2()ftFtftffT快速正弦扫频信号及其频谱TfftftAtpminmaxmin)(2sin)(测试技术基础第七章振动测试脉冲锤击激励用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力，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。测试技术基础第七章振动测试随机激励方法纯随机激励理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在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。这种方法的优点在于试验的可重复性。将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。测试技术基础第七章振动测试激振器电动式激振器当Fi以简谐规律变化时，则作用在激振对象上的力F也为同频率的简谐力。使用时在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t)．00()siniiFlnBItFlnBItw电动式激振器1-弹簧；2-壳体；3-磁钢；4-顶杆；5-磁极；6-铁心；7-驱动线圈测试技术基础第七章振动测试电磁式激振器激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动。电磁激振器是非接触式的，没有附加质量和刚度的影响，频率上限约为500-800Hz。电磁激振器1-底座；2-铁心；3-励磁线圈；4-衔铁；5-力检测线圈；6-位移传感器测试技术基础第七章振动测试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。T2/w，w是所感兴趣的频率上限。脉冲锤测试技术基础第七章振动测试(2)测振传感器(拾振器)分类：接触式和非接触式接触式：按壳体的固定方式分为相对式：壳体固定在基础上，测杆和被测对象相联，敏感被测对象相对于基座的振动；绝对式：壳体固定在被测对象上，弹簧支撑一个惯性体感受振动，又称为惯性式测振传感器；振动测试：对振动位移、振动速度、振动加速度这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。测试技术基础第七章振动测试(1)拾振器的工作原理惯性式拾振器内的惯性系统可以看出由基础运动引起质量块的受迫振动。mz01z1ckz022222)/(4)/(1)/()(nnnAww2)/(1)/(2)(nnarctgw惯性式拾振器的力学模型=0.3=0.5=0.707=1=2=5=10235-90°0w/wn(w)-180°141230w/wn12345A(w)=0.10=0.50=0.707=1.00=0.25幅频曲线相频曲线测试技术基础第七章振动测试由幅频图，只有当w/wn1，即wwn的情况下，A(w)≈1，满足测试幅值不失真的条件；当系统的阻尼率接近0.7时，A(w)更接近直线由相频图，当wwn时，没有一条相频曲线为近似斜率为负的直线，故不能满足动态测试相位不失真的条件；而当w(7~8)wn时，相位差接近-180º，此时满足测试相位不失真的条件。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，同时使系统的阻尼率在0.5~0.7之间，这样可以保证工作频率的下限到w=1.7wn，幅值误差不超过5％当使用w(7~8)wn进行相位测试时，需要用移相器获得相位信息。=0.3=0.5=0.707=1=2=5=10235-90°0w/wn(w)-180°141230w/wn12345A(w)=0.10=0.50=0.707=1.00=0.25幅频曲线相频曲线测试技术基础第七章振动测试(2)测振传感器电涡流位移传感器电容加速度传感器压阻加速度传感器磁电式速度计压电加速度计光学测振仪1-顶杆;2-弹簧片;3-磁钢;4-