1、主要内容：,8.1 概述 8.2 振动的基本知识 8.3 振动的激励 8.4 测振传感器(拾振器) 8.5 振动信号分析仪器 8.6 振动测试系统及数据处理实例 8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计 8.8 小结,第8章 机械振动测试与分析,小轿车的乘坐舒适性试验框图,8.1 概述,振动研究所涉及的问题,振动分析：,系统识别：,环境预测：,已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应,已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性,已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态,机械振动测试系统的一般组成框图,8.2 振动的基本知识,机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为：,相对测量法：测量
2、参考点为系统中的某固定点或运动点。 绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点,该点相对于地球是静止不动的。,电测法 机械测量法 光测法,按照测量时选择参考点的不同，可分为：,振动的基本参数幅值：振动强度的大小频率：频谱分析寻找振源相位：确定共振点、振型测量等,按照振动产生的原因,自由振动,受迫振动,自激振动,振动频率和固有频率之间的关系为,其中，n为系统的固有频率，为阻尼率,系统的振动频率为激振频率,振动频率接近于系统的固有频率。,8.2.1 振动的分类,按系统的输出分,简谐振动,周期振动,瞬态振动,随机振动,按系统自由度分,单自由度系统振动,多自由度系统振动,连续弹性体振动,按系统结构参数的特
3、性分,线性振动,非线性振动,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,式中，c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度。(t)为系统的激振力，即系统的输入， z(t)为系统的输出。,拉氏变换,ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s),传递函数为,8.2.2 单自由度系统的受迫振动,令s=j，则,力作用在质量块上的单自由度系统,系统的固有频率,系统的阻尼率,幅频曲线,相频曲线,在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率。,随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；,当无阻尼时，位移共振频率r即为固有频率n,当系统的阻尼很小时，位移共振频率r接近系统的固有频率n，可用作为n的估计
4、值。,幅频曲线,不管系统的阻尼率为多少，在/n=1时位移始终落后于激振力90，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,由基础运动所引起的受迫振动,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,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：,单自由度系统的基础振动,拉氏变换，令s=j,得系统的幅频特性和相频特性,幅频曲线,1.设备在运行时的振动参量测试振动参量测试的目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和预估。,8.2.3 振动测试的内容,振动参量测试的测量系统框图,2.振动
5、环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验振动测试是对机械设备或结构部件进行某种激励，使其产生受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能参数，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。这类测试又可分为振动环境模拟试验、机械阻抗试验和频率响应试验等。,小轿车的乘坐舒适性试验框图,8.3 振动的激励,1)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。2)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。3)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
6、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。,稳态正弦激振,施加一个稳定的单一频率的正弦激振力(t)=F0sint。,随机激振,优点：设备通用，可靠性较高,缺点：需要较长的测定时间,一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态特性。,用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振。,Sxy (jf)=H(jf) Sx(jf),该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵。,带宽激振法,8.3.1 激振的方式,瞬态激振, 快速正弦扫描激振,脉冲激振,阶跃激振,采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励,(t+
7、T)= (t)=A0sin2(at+b)t (0tT),式中，a=(max-min)/T，b=min,用一般装有力传感器的锤子敲击试件，使试件受到脉冲力的作用而引起的激振。,快速正弦扫描信号及其频谱,振动台和激振器,满足条件：,在一定的频率范围内提供波形良好、幅值足够的稳定交变力。,某些情况下需要施加稳定力，使结构受到一定的预加载荷。,电动式激振器,当激振器的可动系统质量很小，弹性系数极低时，弹性力和惯性力可忽略，认为电动力等于激振力。,激振器通过顶杆传递给被测对象的激振力为电动力和可动系统的惯性力、弹性力、阻尼力之差，还是频率的函数。,8.3.2 激振设备,图8.12 电动式激振器 1弹簧片
8、组；2壳体；3心杆；4顶杆；5永久磁铁；6铁心；7驱动线圈,安装方法,电磁式激振器,铁芯对被测对象产生的电磁吸力为,式中，A为铁芯的截面积，0为真空的导磁率,图8.14 电磁激振器 1底座；2铁心；3励磁线圈；4力检测线圈；5被测对象；6电容位移传感器,电液式激振器,电液式激振器1顶杆；2电液伺服阀；3活塞；4力传感器,又称为“拾振器”,根据振动测量的力学原理,惯性式（绝对式）拾振器,相对式拾振器,按照测量时拾振器是否和被测件接触,接触式拾振器,又可分为相对式和绝对式两种。,非接触式拾振器,接触式相对拾振器又称为跟随式拾振器。,8.4 测振传感器(拾振器),惯性式拾振器的力学模型,惯性式拾振器
9、内的惯性系统可以看成由基础运动引起质量块的受迫振动。,1.拾振器的工作原理,电涡流式位移传感器,磁电式速度传感器,2.选择测振传感器的原则,采用位移传感器的情况 用速度传感器的情况 采用加速度传感器的情况,8.5 振动信号分析仪器,1. 振动计,2. 频率分析仪,3. 频率特性与传递函数分析仪,4. 数字信号处理系统,8.6 振动测试系统及数据处理实例,汽车平顺性测试系统框图,汽车的平顺性测试过程框图,40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线,矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图,驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数,驾驶员坐椅纵向加速度自功
10、率谱密度函数,不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级,机械结构各模态有如下参数,固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数,对多自由度系统还有特定参数：主振型,自由振动法,估计方法,稳态正弦激励法,共振法,总幅值法,分量法,矢量法,8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计,1.总幅值法,1) 固有频率n的估计, 若0.1，r=n,若不小于0.1或要精确估计n值，需要先估计的值,幅频曲线,2)阻尼率的估计,幅频曲线,若在n附近取2-1=，2+1=2n，且足够小，此时=1，或=2，则,单自由度系统的幅频特性曲线,由于在n附近，即/n1,单自由度系统的幅频特性曲线,若,解上式，得,实部部分：,虚
11、部部分：,2、分量法,实部频率曲线,虚部频率曲线,分析,当=n时，,当,时，实部具有最大值；,当,时，实部具有最小值；,此时,则,实部频率曲线,在,时，,Im(j)具有极小值,虚部频率曲线,当,时,成立,可按如下方法求模态的固有频率和阻尼率,在同相分量曲线中，满足实部分模为零的频率为固有频率n ；,在正交分量曲线中，峰值对应的频率为固有频率n,求系统的阻尼率,实部频率曲线,虚部频率曲线,3、矢量法,多自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图,在M点左右任取两点求值,单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图,8.8 小结,振动的基本知识，振动的分类，单自由度系统的受迫振动，多自由度系统振动，机械阻抗的概念。笔式记录仪、检流计式笔录仪和函数记录仪的基本工作原理。 振动的激励激振的方式：稳态正弦、随机和瞬态激振。激振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。 测振传感器：惯性式和压电式加速度拾振器；二者的工作原理。选择测振传感器的原则。 振动信号分析仪器：振动计，频率分析仪，频率特性分析仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。 机械结构的特征参数固有频率和阻尼率计算方法：估计总幅值法，分量法和矢量法。,
