第六章 振动测试

第六章振动的测试第六章 振动的测试第一节 概述机械振动是工业生产和日常生活中极为常见的现象。

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。

机械振动测试的目的可以分为两类：（1）寻找振源、减少或消除振动，即消除被测量设备和结构所存在的振动。

（2）测定结构或部件的动态特性以改进结构设计，提高抗振能力。

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。

第二节 惯性式传感器的力学模型由直接作用在质量上的力所引起的受迫振动如图6－1所示单自由度系统，质量m 在外力的作用下的运动方程为)(22t f kz dtdz c dt z d m =++ 式中，c 为黏性阻尼系数；k 为弹簧刚度系数；ƒ(t )为系统的激振力，即系统的输入；z (t )为系统的输出。

图6－1单自由度系统在质量块上受力时引起的受迫振动)(2)(11)(2n n j k H ωωξωωω+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-= 即222)2()(11)(n n kA ωωξωωω+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=2)(12arctan )(n n ωωωωξωϕ n ω为系统的固有频率，m k n =ω；ζ为系统的阻尼率，km c 2=ξ。

图6-2所示。

在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率，它和系统的固有频率的关系为221ξωω-=n r显然，随着阻尼的增加，共振峰向原点移动；当无阻尼时，位移共振频率r ω即为固有频率n ω；当系统的阻尼率ζ很小时，位移共振频率r ω接近系统的固有频率n ω，可用作n ω的估计值。

振动测试知识要点及要求1了解振动测试的目的和分类第六章振动测试一、知识要点及要求1）了解振动测试的目的和分类；2）掌握单自由度系统受迫振动的原理；3）掌握振动的激励方法，以及激振器的种类和选用原则；4）掌握振动的测量方法，以及测振传感器的种类和选用原则；5）掌握振动的分析方法，以及机械系统振动参数的估计方法；6）了解测振装置的校准方法及设备。

二、重点内容及难点（一）振动测试的目的和分类机械振动是工程技术和日常生活中常见的现象。

在大多数的情况下，机械振动是有害的。

但振动也有可以被利用的一面，如振动机械具有能耗少、效率高、结构简单的特点。

机械运转中的振动及其产生的噪声，一般都具有相同的频率组成。

振动测试在生产和科研的许多方面都占有重要地位。

振动测试大致可分为两类：1）测量设备和结构所存在的振动；目的是监测工况、估计振源、评价运转质量等。

2）对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动；目的是研究设备或结构的力学动态特性。

（二）单自由度系统的受迫振动测试工作中的许多工程问题，往往可以用弹簧-阻尼器-质量块构成的单自由度模型来描述，但是在不同的场合下所处理的输入、输出量往往是不同的，从而其频率响应函数及幅频、相频特性也不同。

1、质量块受力所引起的受迫振动2、基础运动所引起的受迫振动（三）振动的激励1、激振方式包括稳态正弦激振、随机激振、瞬态激振。

2、常用激振器激振器是对被测对象施加某种预定要求的激振力，激起被测对象振动的装置。

常用的为电动式、电磁式、电液式；此外还有用于小型、薄壁对象的压电晶体片激振器，用于高频的磁致伸缩激振器和高声强激振器；以及用于脉冲激振的脉冲锤，用于阶跃激振的张弛弦等。

（四）振动的测量1、测振方法振动测量方法按振动信号转换后的形式可分为：电测法、机械法、光学法。

目前广泛使用的是电测法，而电测法中测振用的传感器又称为拾振器。

1）按测振时拾振器是否与被测件接触可分为：接触式和非接触式。

实验一 简谐振动幅值测量一、实验目的1.了解振动信号位移、速度、加速度之间的关系。

2.学会用各种传感器测量简谐振动的位移、速度、加速度幅值。

二、实验装置框图简谐振动的位移、速度、加速度幅值测量试验的实验装置与仪器框图见图1-1。

图1-1 实验装置框图三、实验原理在振动测量中，有时往往不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。

振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用位移传感器或速度传感器、加速度传感器来测量。

设振动位移、速度、加速度分别为x 、v 、a ，其幅值分别为X 、V 、A ：x = Bsin (ωt -ψ) （1）v =dtdy =ωBcos (ωt -ψ) （2） )sin(222ψ--==wt B w dtyd a （3）式中：B 一一位移振幅 ω—振动角频率 ψ—初相位X=B （4） V=ωB=2πfB （5）A=ω2B=(2πf)2B （6）振动信号的幅值可根据式（6）中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来测量。

也可利用动态分析仪中的微分、积分功能来测量。

四、实验方法1、安装激振器把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。

2、连接仪器和传感器把加速度传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到电荷放大器的输入端，并将电荷放大器的输出接到数采分析仪的1通道。

3、仪器参数设置打开数采仪器的电源开关，开机进入DAS2003数采分析软件的主界面，设置采样率（2kHz）、量程范围，输入加速度传感器的灵敏度。

打开一个窗口，分别显示三个通道的信号。

4、采集并显示数据调节扫频信号源的输出频率，使梁产生振动。

分别调整电荷放大器为加速度、速度、位移状态，同时在窗口中读取当前振动的最大值（位移、速度、加速度）。

5、计算数据与实验数据比较按公式计算位移、速度或加速度值，并与实验数据比较。

第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ， 收敛性 。

4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。

6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。

第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

各章节习题(后附答案)第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。

4、 非周期信号包括 信号和 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。

6、 对信号的双边谱而b ，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at的频谱。

4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。

第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(tt x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、 为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有 、和 。

振动测试原理振动测试是一种常用的工程测试手段，它可以用来测量物体在振动过程中的各种参数，如振幅、频率、相位等，从而帮助工程师分析和评估物体的振动性能。

振动测试原理是基于物体在受到外力作用时会产生振动的基本物理规律，下面将详细介绍振动测试的原理及其应用。

振动测试的原理主要包括振动的基本概念、振动的传播方式和振动测试的基本方法。

首先，振动是物体在受到外力作用时产生的周期性的运动。

振动的基本参数包括振幅、频率和相位。

振幅是振动的最大偏离量，频率是单位时间内振动的周期数，相位是振动的起始相对位置。

这些参数可以通过振动测试手段来准确测量，从而帮助工程师分析物体的振动特性。

其次，振动可以通过不同的传播方式进行传递，主要包括机械振动和声波振动。

机械振动是物体在受到外力作用时产生的直接机械振动，而声波振动是振动通过介质（如空气、水等）传播的声波。

振动测试可以通过传感器和仪器来测量不同传播方式下的振动参数，从而帮助工程师分析物体的振动传播特性。

最后，振动测试的基本方法包括模态分析、频谱分析和振动响应测试。

模态分析是通过激励物体的振动，测量物体的振动模态（如固有频率、振型等）来分析物体的结构特性。

频谱分析是通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而分析物体的频率分布特性。

振动响应测试是通过激励物体的振动，测量物体的响应信号来分析物体的动态特性。

这些方法可以帮助工程师全面地了解物体的振动特性，从而指导工程设计和优化。

综上所述，振动测试原理是基于物体在受到外力作用时会产生振动的基本物理规律，通过测量物体在振动过程中的各种参数，帮助工程师分析和评估物体的振动性能。

振动测试的原理包括振动的基本概念、振动的传播方式和振动测试的基本方法，通过这些原理，工程师可以全面地了解物体的振动特性，从而指导工程设计和优化。

振动测试----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------用试验方法测量机械的振动量（如位移、速度和加速度等）和系统特征参数(如固有频率、阻尼、振型等)，以及振动环境的模拟等，都属于振动测试。

研究机械振动时通常采用理论分析和测试两种手段。

通过测试可验证理论分析计算的正确性，提供所需的修正依据。

20世纪80年代以来，振动测试仪器有了显著的进步，如传递函数分析仪、实时频率分析仪和快速傅里叶分析仪的相继应用，并与电子计算机相结合，为振动测试和测试结果的分析处理提供了方便的条件，从而也进一步推动了振动理论的研究和发展。

系统的振动特性也可以应用激光全息照相法拍下实物或模型在振动时的全息照片，根据全息照片中的干涉条纹图案来分析。

机械振动的研究可归结为机械系统的激励、响应和振动特性三个方面的问题。

在已知其中两个方面的情况下可求第三方面的问题。

与之相对应，振动测试的基本内容包括：①已知激励和系统的振动特性情况下求响应，即振动量的测量；②已知激励和响应的情况下求系统的振动特性，即系统特征参数的测定，也称参数识别；③已知系统的振动特性和响应的情况下求激励，即环境预测，这种测试称为振动环境模拟试验。

振动量的测量测量机械系统某些选定点上的振幅(位移、速度和加速度)、频率、相位、振动的时间历程和频谱等。

这种测量通常在机械系统的工作状态下进行，以了解其实际振动状况。

对某些精密和大型机械设备的振动监控和诊断所作的测量也属这种性质。

振动量测量按振动信号和转换方式可分为电测法、光测法和机械测振法，其中以电测法应用最为广泛。

图1为一个较完整的振动量电测系统。

测振传感器（拾振器）将机械振动量转换为与它成比例的电量。

常用的测振传感器有发电型(如压电式、电动式和磁电式等)和电参数变化型(如电感式、电容式、电阻式和涡流式等)两类。