8.1 振动的基础知识
与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随
机振动，如图8.1所示。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。只要测
定这三个要素，也就决定了整个振动运动。
图8.1 振动的种类和特征 简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频
率的简谐运动的组合来表示。本节讨论最为简单的单自由度系统在两种不同激励
下的响应(即单自由度系统的受迫振动):
质量块受力产生的受迫振动
基础运动产生的受迫振动
以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。
在振动测量时，应合理选择测量参数。如振动位移是研究强度和变形的重要
依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；
振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振
动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。
简谐振动
简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即振动的运动规律为：
(8.2)
(8.3)
比较式(8.1)至(8.3)可见，速度的最大值比位移的最大值导前900 ，加速度的最
大值要比位移最大值导前1800 。
质量块受力产生的受迫振动 如图8.2所示为单自由度系统在质
量块受力所产生的受迫振动示意图。在
外力f(t)的作用下，质量块m的运动方
程为：
（8.4）
式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。
这是一个典型的二阶系统，其系统频率响应函数H(ω)和幅频特性函数、相
频特性函数ϕ(ω)分别为：
（8.5a）图8.2 质量块受力所产生的受迫振动
（8.5b）
（8.5c）
式中：ω基础运动的圆频率；
ζ振动系统的阻尼比， ； 。
（8.6）
由上式可见，在幅频特性图上，质量块受力产生的受迫振动其共振频率
ωr总是小于系统的固有频率ωn，阻尼越小两者越靠近，因此，在小阻尼情况下
课程名称：安全环境监测技术
授课章节 第16次课：第7章振动检测；7.1概述；7.2振动测量的类型
目的要求 了解振动产生的原因、危害及基本参数的测量，掌握振动测量的内容；掌握振动测量的类型、简谐振动及周期振动。
重点难点 重点：振动测量的内容难点：简谐振动及周期振动
第7章振动检测 引入新课（约5分钟）
7.1概述
（约15分钟）
一、振动的基本概念
1）振动的定义
是一种介质的波动，度量的物理量主要有频率、强度、振动方向和暴露时
问。
2）机械振动的定义
机械振动是一种特殊形式的机械运动，是系统在某一位置附近所作的往复
运动。
3)环境振动(environmentalvibration)的定义
指特定环境条件引起的所有振动，通常是由远近许多振动源产生的振动组
合，属于一种无规则的随机振动，其频率范围为l~80Hz0（举例）
二、振动的特点及危害 （约10分钟）
1）机械振动的特点
（1）振动是往复式的重复,运动有周期性
（2）在平衡位置的回复力为零
（3）振动会发出声音
2）机械振动的危害
在大多数情况下，振动是有害的，它对仪器设备的精度，寿命和可靠性都
会产生影响归纳为： 振动也有可以被利用的一面，如输送、清洗、磨削、监测等。可 （1）降低了疲劳寿命,加快了机械损坏,甚至引起伤亡事故。
（2）产生噪声,影响人们的身心健康。
三、机械振动的测试内容及研究方法
1）测试内容
（1）振动基本参数的测量
（2）结构或部件的动态特性测量
2）研究方法及步骤
（1）研究方法
①振动参数频谱及动态响应寻找根源及振动规律。
②振动进行长期观测、评估。
③采取合理的降振措施。 （约25分钟）
（2）步骤
①建立力学模型：根据需要对研究的物理系统进行简化，包括结构、参数、受力、运动情况等。
②建立数学模型：根据牛顿第二定律、达郎伯原理、拉格朗日方程等建立描述振动系统运动规律的微分方程。
震动测试标准
震动测试是指在一定条件下对产品进行振动试验，以评估产品在运输、使用和储存过程中对振动环境的适应能力，以及产品结构的可靠性和稳定性。在不同的行业和领域中，对于产品的震动测试标准也有所不同，接下来将对一些常见的震动测试标准进行介绍。
1. 国际标准。
国际上常用的震动测试标准包括ISO 16750（汽车电子设备振动试验）、ISO
13355（航空航天产品振动试验）、ISO 10819（手套振动性能测试）等。这些标准是由国际标准化组织制定的，具有全球通用性，适用于各种不同的产品和行业。
2. 行业标准。
不同行业有着各自的震动测试标准，例如汽车行业的JIS D 1601、航空航天行业的RTCA DO-160、电子产品行业的IEC 60068等。这些标准是由各行业的专业组织或协会制定，针对特定行业的产品特点和使用环境进行了详细规定，具有针对性和实用性。
3. 国家标准。
各个国家也会根据自身的国情和产业发展制定相应的震动测试标准，例如中国的GB/T 2423.10（电工电子产品环境试验 第2部分，试验 Fa，振动（固定频率））等。这些标准是在考虑国家实际情况和行业需求的基础上制定的，具有一定的局部性和适用性。
4. 企业标准。
一些大型企业也会根据自身的产品特点和质量要求，制定企业标准来进行震动测试，以确保产品的质量和可靠性。这些标准通常是在国际、行业和国家标准的基础上进行了细化和补充，更加贴近企业产品的实际情况。 总结。
不同的震动测试标准适用于不同的产品和行业，选择合适的标准进行测试对于评估产品的可靠性和稳定性至关重要。在进行震动测试时，需要根据产品的特点和使用环境选择相应的标准，并严格按照标准要求进行测试，以确保产品在实际使用中能够经受住各种挑战和考验。同时，不断完善和更新震动测试标准，也是提高产品质量和竞争力的重要手段。
机械结构的振动测试与模态分析
机械结构的振动是指在运动或工作过程中，由于受到外界激励或内部失稳因素的影响而出现的周期性或非周期性的振动现象。振动不仅会影响机械结构的正常运行，还可能导致结构疲劳、损坏，甚至产生严重事故。因此，了解机械结构的振动特性，进行振动测试和模态分析，对于结构设计、改进和维护具有重要意义。
1. 振动测试
振动测试是通过实验手段对机械结构的振动特性进行测量和分析的过程。常见的振动测试手段包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器等。通过这些传感器，可以测量到结构在不同频率范围内的振动加速度、振动速度和振动位移等参数。振动测试不仅可以定量地描述结构的振动特性，还可以研究振动的传播路径、频谱特性和共振现象等。
2. 模态分析
模态分析是对机械结构的振动特性进行分析和研究的过程。模态分析的目的是确定结构的振动模态，即结构的固有频率、振型和阻尼等参数。通过模态分析，可以了解机械结构在不同频率下的振动特性，并确定结构中可能存在的共振点和振动节点。同时，模态分析还可以帮助设计师优化结构的设计，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
3. 应用案例
以汽车底盘为例，进行振动测试和模态分析的应用。在汽车行驶过程中，底盘承受着来自路面的冲击和车辆运动的振动。通过振动测试，可以测量到底盘在不同行驶速度下的振动加速度和振动速度等参数。通过模态分析，可以确定底盘的固有频率和振型，判断底盘是否在某些特定频率下容易出现共振现象。根据振动测试和模态分析的结果，可以对底盘的结构进行优化，提高底盘的刚度和减小噪声，提高驾驶的舒适性和汽车的安全性能。 4. 振动测试与模态分析的意义
振动测试与模态分析对于机械结构的设计、改进和维护具有重要意义。通过振动测试，可以了解机械结构在不同工况下的振动特性，及时发现结构的振动异常和故障等。通过模态分析，可以确定结构的固有频率和振型，为结构的优化设计提供依据。同时，振动测试与模态分析还可以帮助工程师评估结构的可靠性和耐久性，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
