振动参数及结构特性参数测量.pptx

振动幅值的测量振动幅值的测量位移幅值速度幅值加速度幅值力的幅值机械法光测法电测法第1页/共82页简谐振动位移幅值的测量简谐振动位移幅值的测量1 1、测幅尺、测幅尺是在一小块白色金属片上，画上带有刻度的三角形制成。使用时，将三角形按直角短边平行于振动方向粘帖在振动物体上，当振动频率较快时，标尺上的三角形因视觉暂留效果看起来形成上下两个灰色三角形，其重叠部分是一个白色三角形。第2页/共82页简谐振动位移幅值的测量简谐振动位移幅值的测量1 1、测幅尺、测幅尺振动幅值与测幅尺尺寸之间的关系使用限制1 1、频率不能太低 f f10Hz10Hz2 2、振幅不能太小，A A 0.1mm0.1mm3 3、上限受测幅尺尺寸限制4 4、单一方向应用：机械式和电动式振动台，振动筛等。特点：方便、简单、精度较差。第3页/共82页2 2、读数显微镜、读数显微镜简谐振动位移幅值的测量简谐振动位移幅值的测量类型内读数 0.05mm(min)0.05mm(min)外读数 0.01mm(min)0.01mm(min)当读数显微镜的放大倍数为k时，振动幅值为在振动物体上贴一反光线或细砂纸，并用灯照亮，当结构静止时，调整显微镜位置，以清晰的看到许多亮点，当结构振动时，由于视觉的暂留效果，这些亮点就成为许多直线。静止时振动时特点：测量的是绝对位移测量过程：第4页/共82页3 3、激光位移传感器激光位移传感器简谐振动位移幅值的测量简谐振动位移幅值的测量一般激光位移计包含一发光组件及一位置传感器（PSD)PSD)，利用入射及反射光间三角函数的关系来得到待测位移的。半导体激光的光源经过透镜将光束聚焦在待测物体上，待测物反射光经接收透镜聚焦于位置传感器上形成一光点，此光点位置随待测物位置改变而改变。感测头有两种，镜面反射式与散光式。一般镜面反射式用于反光良好或量测距离较近的待测物上，因为这种情况下入射角与反射角相等。散射式则用于距离较远或较粗燥的量测面上。传统的PSDPSD是测量投射到光点的位置，取其中心点为测量点，但由于光点的亮度分布并不是均匀的，取中心点的演算结果与实际位移误差较大，因此，现在新型的CCDCCD传感器采用光点中最亮的点为测量点，其测量精度较传统的PSDPSD要高。第5页/共82页4 4、电涡流位移传感、电涡流位移传感器器5 5、速度传感器、速度传感器6 6、加速度传感器、加速度传感器简谐振动位移幅值的测量简谐振动位移幅值的测量振动物体传感器前置放大器测振仪已知灵敏度如则振动位移为振动物体传感器放大器频率计测量放大器积分或微分第6页/共82页简谐振动频率测量简谐振动频率测量1 1、频率计（直读法）、频率计（直读法）振动物体传感器放大器频率计2 2、李莎育图形法振动物体传感器放大器信号发生器第7页/共82页3 3、图形法、图形法简谐振动频率测量简谐振动频率测量记忆示波器振动物体传感器放大器示波器振动物体传感器放大器记录仪信号发生器记录仪第8页/共82页频谱分析法频谱分析法复杂振动频率测量复杂振动频率测量振动物体传感器放大器分析仪分析仪的设置频率范围 输入量程与输入耦合方式 窗函数 测量内容及坐标第9页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-自由衰减法自由衰减法1 1、测量过程、测量过程系统激励2 2、测量仪器与测量系统振动物体传感器放大器记录仪信号发生器此法的核心：记录时间历程曲线第10页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-自由衰减法自由衰减法3 3、激励、激励1 1）初位移法：加一力或一力偶，使系统产生初位移或初始转角 后，突然卸力（一阶固有频率测量）2 2）敲击法：用力锤或其它施力工具（注意频率范围、敲击点）4 4、响应以单自由度系统为例第11页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-自由衰减法自由衰减法5 5、时间历程、时间历程第12页/共82页6 6、固有频率和阻尼比测、固有频率和阻尼比测量量结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-自由衰减法自由衰减法固有频率阻尼比：测出图中 A Ai i 和 A Ai+m i+m 幅值,求减幅系数对数减幅则由于第13页/共82页1 1、原理与方法、原理与方法 通过激振器给结构施加一简谐激振力，使其产生强迫振动，通过激振器给结构施加一简谐激振力，使其产生强迫振动，然后连续改变激振力的频率，当激励频率与结构固有频率相近然后连续改变激振力的频率，当激励频率与结构固有频率相近时，结构即产生共振（幅值出现极值），逐步调节激励频率，时，结构即产生共振（幅值出现极值），逐步调节激励频率，同时测量各频率点的振动幅值，绘出幅频特性曲线，曲线上各同时测量各频率点的振动幅值，绘出幅频特性曲线，曲线上各峰值点所对应的频率就是各阶固有频率。此法适用与各阶固有峰值点所对应的频率就是各阶固有频率。此法适用与各阶固有频率相隔较远的轻阻尼结构。频率相隔较远的轻阻尼结构。2、测量仪器、测量仪器 激励系统：正弦信号发生器、功率放大器、激振器激励系统：正弦信号发生器、功率放大器、激振器 测量系统：传感器、放大器、示波器、频率计、测振仪测量系统：传感器、放大器、示波器、频率计、测振仪结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法第14页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法3 3、固有频率的测、固有频率的测量量固有频率与共振频率的区别1 1）固有频率是由结构固有参数和边界条件决定的，与激励方式无关。2 2）共振频率指结构共振时的强迫振动频率。3 3）系统的每阶固有频率分别对应多个共振频率各阶固有频率位移共振频率速度共振频率加速度共振频率第15页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法固有频率与共振频率的关系以单自由度系统为例，当系统受到作用力则令由第16页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法功放信号源放大器放大器放大器放大器测振仪示波器放大器频率计激振器1、2、3 位移传感器，4-力传感器固有频率的测量共振的判别（1 1）幅值判别法在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，而最大幅值所对应的频率就是结构的某阶共振频率，在小阻尼情况下，该频率近似等于固有频率，但在阻尼较大的情况下，不同的测量方法测量出的共振频率稍有差别，不同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样。第17页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法共振的判别（2 2）相位判别法 相位判别是根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振时的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素的影响。激振信号为：位移信号为：速度信号为：加速度信号为：第18页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法位移信号为：共振时，=n n，力信号和位移信号的相位差为/2/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n n或略小于n n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。n 将激振信号输入到示波器的x x轴，位移传感器输出信号输入y y轴，此时两通道的信号分别为：激振信号为：（一）位移判别法第19页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法（二）速度判别法将激振信号输入到示波器的x x轴，速度传感器输出信号输入到y y轴，此时两通道的信号分别为：激振信号为：速度信号为：共振时，=n n，x x轴信号和y y轴信号的相位差为0 0，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一条直线。当略大于n n或略小于n n时，图象都将由直线变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为直线的频率就是振动体的固有频率。n第20页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法n（三）加速度判别法将激振信号输入到示波器的x x轴，加速度传感器输出信号输入到y y轴，此时两通道的信号分别为：激振信号为：加速度信号为：共振时，=n n，x x轴信号和y y轴信号的相位差为/2/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当略大于n n或略小于n n时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。第21页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法4 4、阻尼比的测量、阻尼比的测量1 1）半功率点法首先激励系统使其处在共振状态，记录该状态时的振动幅值 和共振频率 ，再计算 ，分别往高和往低方向调节激励频率，读取响应幅值为 时所对应的激励频率 和 ，利用下面公式计算阻尼比2 2）自由衰减法当系统处在某阶共振状态时，突然卸力，系统将按该阶固有振动进行衰减，记录衰减时间历程曲线后，由波形参数计算阻尼比第22页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法3 3）共振频率法在振动系统上安装位移、速度，或速度、加速度传感器，分别测出其共振频率，由注意：当阻尼远远小于1 1时，此法不好用，因为三者频率相差不太 大，不好测准，必须采用精密仪器第23页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法4 4）放大系数法在正弦激励下，系统的动力放大系数为当共振时测量方法：首先调节激励频率使系统达到共振状态，测出系统响应的最大位移，再用相同力幅的静力作用在系统同一激励点上，测出同一响应点的静变形，即可计算出阻尼比第24页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-共振法共振法5 5、振型的测量、振型的测量当系统处在共振状态时，测量各响应点的幅值（测量点应尽可能多些），并利用李莎育图形法测量各响应点之间的相位差，画出振型图即可功放信号源放大器放大器放大器放大器测振仪示波器放大器频率计激振器1、2、3 位移传感器，4-力传感器第25页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法1 1、模态分析、模态分析 模态分析是在假定实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，来寻求其“模态参数”的一种参数识别方法。模态分析的实质，是一种坐标转换。其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动形式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。第26页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法什么叫实模态分析？它有哪几种情况？什么叫实模态分析？它有哪几种情况？对无阻尼系统和比例阻尼对无阻尼系统和比例阻尼(粘性比例阻尼和结构比例阻尼粘性比例阻尼和结构比例阻尼)系统系统而言，表示系统主振型的模态矢量是实数矢量，称为实模态系统，而言，表示系统主振型的模态矢量是实数矢量，称为实模态系统，相应的模态分析过程称为实模态分析。它有在无阻尼系统和比例阻相应的模态分析过程称为实模态分析。它有在无阻尼系统和比例阻尼系统中两种情况。尼系统中两种情况。什么叫复模态分析？它有哪几种情况？什么叫复模态分析？它有哪几种情况？具有一般粘性阻尼和一般结构阻尼振动系统的模态矢量是复具有一般粘性阻尼和一般结构阻尼振动系统的模态矢量是复矢量，故称该系统为复模态系统，有关的模态分析称为复模态分析。矢量，故称该系统为复模态系统，有关的模态分析称为复模态分析。它有一般粘性阻尼和一般结构阻尼系统两种情况。它有一般粘性阻尼和一般结构阻尼系统两种情况。第27页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法2 2、模态参数识别方法 1）时域法：从时域响应数据中直接识别模态参数.时域模态参数辨识与频域方法不同，无须将所测得响应与激励的时间历程信号变化到频域中去，而是直接在时域中进行参数辨识。主要方法主要方法 最小二乘复指数法最小二乘复指数法 时间序列分析法时间序列分析法 随机减量技术随机减量技术 ITDITD方法方法第28页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法2）频域法：在测量频率响应函数基础上，利用最小二乘估计识别模态参数。有单模态识别法和多模态识别法，前者对各模态耦合较小的系统可达到满意的识别精度，而后者则适合于模态耦合较大的系统频域法识别法最小二乘圆拟合法非线性加权最小二乘法直接偏导数法正交多项式拟合法分区模态综合法频域总体识别法第29页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法主要应用有：主要应用有：1 1）用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频）用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。2 2）可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机）可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机模模 型更趋于完善和合理。型更趋于完善和合理。3 3）用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。）用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。4 4）用来进行响应计算和载荷识别。）用来进行响应计算和载荷识别。3 3、模态分析方法的应用 第30页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4、机械导纳、传递函数与频响函数1）机械阻抗和机械导纳：机械阻抗和机械导纳的概念来源于机电类比，在电学中，常用复数符号 和 表示线路中电压和电流的有效值和初相位，并将它们的比值定义为阻抗，即同时将阻抗的倒数定义为导纳类似地，机械阻抗定义为机械系统受到简谐激励时激振力的复数力幅与响应的复数振幅之比，并将机械阻抗的倒数定义为机械导纳。第31页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法由于系统的响应可以是位移、速度和加速度，因而机械阻抗（导纳）有六种形式位移阻抗速度阻抗加速度阻抗位移导纳速度导纳加速度导纳第32页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法以单自由度系统受简谐力作用时的响应为例，可以看出系统机械阻抗（或导纳）得知取决于系统的物理参数（质量、刚度、阻尼），并且是频率的函数，同一系统的六种阻抗（导纳）是相互联系的。第33页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法有阻尼单自由度系统导纳的五种曲线及其特点有阻尼单自由度系统的位移导纳表达式为：由此可得到导纳的五种曲线第34页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法1 1）幅频曲线和相频曲线a,ba,b点：为半功率点，其对应频率分别为：其幅值为：d d点：该点反映静变形。在相频曲线上，a,b,ca,b,c点对应的相位分别为：-45-450 0，-135-1350 0，-90-900 0.C C点：该点对应在小阻尼时，该点可认为是峰值点。其对应频率为C C点：共振峰点，位移导纳的幅频和相频图第35页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法2 2）实频曲线和虚频曲线d d点：在实频曲线上，该点反映静变形。其对应频率为C C点：共振峰点，C C点：实频曲线上在小阻尼时，虚频曲线上该点可认为是峰值点，且a,ba,b点：实频曲线上，其对应频率分别为：其幅值为：虚频曲线上半峰值处所对应的频率为 及 。第36页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法3 3）五种类型的导纳曲线的比较三种导纳的幅频和相频图第37页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法3 3）五种类型的导纳曲线的比较三种导纳的实频图和虚频图第38页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法3 3）五种类型的导纳曲线的比较三种导纳圆第39页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法2）传递函数：在电路或控制理论中，将输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比定义为传递函数。如果把机械系统的激振力看作输入量，把振动的位移响应看作输出量，则机械系统的传递函数定义为其中对于单自由度系统，当初始位移和初始速度都为零时，则有在小阻尼情况下，S的解为一对共轭复根，即其中第40页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法3 3）频率响应函数单自由度多单自由度其中l和p 两点之间的频响函数表示在p点作用单位力时，在l点所引起的响应。根据模态分析原理，要测得频响函数模态矩阵中的任一行或任一列，可采用不同的测试方法-要得到矩阵中的任一行，要求采用各点轮流激励，一点响应的方法；要得到矩阵中任一列，采用一点激励，多点测量响应的方法 系统输出与输入的傅立叶变换之比称为频响函数第41页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4）噪声对频响函数估算形式的影响第一估算式频响函数的三种估算形式如下：第二估算式第三估算式在没有噪声污染的理想情况下，这三种估算形式是等价的。实际由于噪声影响，三种估算形式有差异。第42页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4）噪声对频响函数估算形式的影响第一估算式4.1）只有响应信号受到噪声污染第二估算式第三估算式平均平均平均第43页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4）噪声对频响函数估算形式的影响第一估算式4.2）只有激励信号受到噪声污染第二估算式第三估算式第44页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4）噪声对频响函数估算形式的影响第一估算式4.3）激励和响应信号都受到噪声污染第二估算式第三估算式第45页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4 4）噪声对频响函数估算形式的影响4.4）上述情况下频响函数的三种估算式之间的关系只有响应信号受到噪声污染只有激励信号受到噪声污染响应与激励信号受到噪声污染且有第46页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法5 5、频率响应函数的测量1）结构支承方式：2）激振器安装方式：自由悬挂刚性安装按实际工作状况支承悬挂式紧固在刚性基础上弹性支承在被测物体上第47页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法3）测点布置与激振点的选择测点布置：测点数目及布置情况依据具体结构和测试目标而定，高阶模态由于振型复杂，需要足够的测点才能清楚地识别出来激振点的选择：1)预先估计得到模态的节线和反节线位置，避免放在节线附近和反节线上2)在自由悬挂状态下，选择放在结构的端部3在测试过程，要变换几次激励点的位置，检查是否有遗漏的模态第48页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法4）测量仪器与测试系统 激励系统：激振器（信号发生器、功率放大器），力锤激励系统：激振器（信号发生器、功率放大器），力锤 测量系统：传感器、放大器测量系统：传感器、放大器 分析系统：信号分析仪，采集器等分析系统：信号分析仪，采集器等第49页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法5）激励方法 在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、在测量机械设备或结构的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼阻尼 刚度、响应和模态等时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作刚度、响应和模态等时，需要对被测对象施加一定的外力，让其作受迫受迫 振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激励方式如下：振动或自由振动，以便获得相应的激励及其响应。激励方式如下：步进正弦激振法步进正弦激振法 自动正弦慢扫频激励自动正弦慢扫频激励 快速扫频正弦激励快速扫频正弦激励 冲击激励冲击激励 阶跃（张弛）激励阶跃（张弛）激励 纯随机激励纯随机激励 伪随机激励伪随机激励 猝发随机激励猝发随机激励 激励方式:单点激励多点激励单点分区激励第50页/共82页步进正弦扫频激振步进正弦扫频激振 步进正弦扫频激振是最普遍的激振方法，它是借助激振步进正弦扫频激振是最普遍的激振方法，它是借助激振设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。设备对被测对象施加一个频率可控的简谐激振力。步进正弦激振频率改变有两种方式，即线性扫频和对步进正弦激振频率改变有两种方式，即线性扫频和对数扫频，对于被测结构关心固有频率范围不大的情形，数扫频，对于被测结构关心固有频率范围不大的情形，采用线性扫频；对于关心固有频率范围较大的情形，采采用线性扫频；对于关心固有频率范围较大的情形，采用对数扫频。用对数扫频。扫频速度的控制：频率的变化要尽可能慢，以使系统响扫频速度的控制：频率的变化要尽可能慢，以使系统响应达到稳定状态。在共振区附近，频率改变要小，而在应达到稳定状态。在共振区附近，频率改变要小，而在非共振区，频率改变可以多一些。这对于小阻尼系统尤非共振区，频率改变可以多一些。这对于小阻尼系统尤为重要。为重要。第51页/共82页步进正弦扫频激振步进正弦扫频激振其优点其优点是激振功率大，能量集中、是激振功率大，能量集中、信噪比高，能保证信噪比高，能保证响应测试的精度；信号的频率和幅值易于控制；激励的响应测试的精度；信号的频率和幅值易于控制；激励的能量级不同时，在非线性结构中将产生不同的频率响应能量级不同时，在非线性结构中将产生不同的频率响应函数，因而能检测出系统的非线性程度；采用适调多点函数，因而能检测出系统的非线性程度；采用适调多点激励时，在模态实验中可以直接得到频域数据。激励时，在模态实验中可以直接得到频域数据。其缺点其缺点是：需逐个测量各个频率点上的稳态响应，测试是：需逐个测量各个频率点上的稳态响应，测试周期长，特别是小阻尼结构，更加明显；不能通过平均周期长，特别是小阻尼结构，更加明显；不能通过平均消除系统非线性因素的影响；容易产生泄漏误差。消除系统非线性因素的影响；容易产生泄漏误差。第52页/共82页自动正弦慢扫频激振自动正弦慢扫频激振用自动控制的方法使激励信号的频率缓慢而连续变化，用自动控制的方法使激励信号的频率缓慢而连续变化，从低到高扫过所关心的频率范围。从低到高扫过所关心的频率范围。扫频速度：如果以某一速度进扫频速度：如果以某一速度进 行从低频到高频扫描所得的频行从低频到高频扫描所得的频 响函数与以同一速度从高频到响函数与以同一速度从高频到 低频所得的频响函数相同，则低频所得的频响函数相同，则 该速度就是合适的速度。该速度就是合适的速度。第53页/共82页 该扫频方式在一个测量窗口内，提该扫频方式在一个测量窗口内，提供一个频率从指定低频到指定高频供一个频率从指定低频到指定高频的按一定规律连续变化的正弦信号。的按一定规律连续变化的正弦信号。扫频一次就是一个激励过程，可以扫频一次就是一个激励过程，可以多次重复。多次重复。快速正弦扫描激振力信号的函数快速正弦扫描激振力信号的函数 表达式为：表达式为：快速正弦扫描激振-瞬态激振第54页/共82页该激励方式能在两极限频率之间产生一平直谱，该激励方式能在两极限频率之间产生一平直谱，而在极限频率之外，谱幅为零，即矩形频谱而在极限频率之外，谱幅为零，即矩形频谱 幅值频谱在起始频率幅值频谱在起始频率 与终了频率与终了频率 处有明处有明显的跃迁，基本上呈矩形，频谱曲线的平均值显的跃迁，基本上呈矩形，频谱曲线的平均值上叠加的小波幅与上叠加的小波幅与 成正比，这种激励可以很成正比，这种激励可以很方便地选定和准确控制所需的激振频率范围。方便地选定和准确控制所需的激振频率范围。快速正弦扫描激振-瞬态激振第55页/共82页其优点其优点是：可消除泄漏误差，信噪比好，测试速度快，容易控制激励的频率含量是：可消除泄漏误差，信噪比好，测试速度快，容易控制激励的频率含量等。等。其缺点其缺点是：为控制猝发时间，需特殊硬件，不能消除结构非线性因素的影响。是：为控制猝发时间，需特殊硬件，不能消除结构非线性因素的影响。快速正弦扫描激振-瞬态激振第56页/共82页 脉冲激振是用一个装有传感器的锤子（又称脉冲锤）敲击被测对脉冲激振是用一个装有传感器的锤子（又称脉冲锤）敲击被测对象，对被测对象施加一个力脉冲，同时测量激励和被测对象。脉冲象，对被测对象施加一个力脉冲，同时测量激励和被测对象。脉冲的形成及有效频率取决于脉冲的持续时间。而的形成及有效频率取决于脉冲的持续时间。而持续时间持续时间则取决于锤则取决于锤端的材料，材料越硬，端的材料，材料越硬，持续时间持续时间越小，则频率范围越大。越小，则频率范围越大。其优点是：脉冲锤激振设备简单，价格低廉，使用方便，对工作环其优点是：脉冲锤激振设备简单，价格低廉，使用方便，对工作环境适应性较强，境适应性较强，特别适应于现场测试；激励频率成分与能量可大特别适应于现场测试；激励频率成分与能量可大致控制，试验周期短，无泄漏。致控制，试验周期短，无泄漏。缺点是：信噪比缺点是：信噪比 较差，特别是对大型结构，激励能量往往不足以较差，特别是对大型结构，激励能量往往不足以激起足够大的响应信号。激起足够大的响应信号。且在着力点位置、力的大小、方向的控制且在着力点位置、力的大小、方向的控制等方面，需要熟练的技巧，否则会产生很大的随机误差。等方面，需要熟练的技巧，否则会产生很大的随机误差。冲击激励-瞬态激振第57页/共82页 阶跃激振是通过突加或突卸力载荷（或位移）实现对系阶跃激振是通过突加或突卸力载荷（或位移）实现对系统的瞬态激励。如使用一根刚度大、重量轻的绳索拉紧统的瞬态激励。如使用一根刚度大、重量轻的绳索拉紧被测结构某一部分，突然释放绳索中的拉力，就会形成被测结构某一部分，突然释放绳索中的拉力，就会形成系统的一个阶跃激励。系统的一个阶跃激励。阶跃激励的特点是能给结构输入阶跃激励的特点是能给结构输入很大的能量，但激励中高频成分较少，一般只能激励出很大的能量，但激励中高频成分较少，一般只能激励出系统的低阶主振动。系统的低阶主振动。阶跃激振属于宽带激振，阶跃激振属于宽带激振，适用于大适用于大型、重型结构的模态分析在建筑结构的振动测试中被普型、重型结构的模态分析在建筑结构的振动测试中被普遍应用。遍应用。阶跃激振一般是在其它激励很难实现时采用，并非一种阶跃激振一般是在其它激励很难实现时采用，并非一种常用且优选的激励方式常用且优选的激励方式阶跃（张弛）激励-瞬态激振第58页/共82页纯随机激振纯随机激振纯随机信号一般由模拟电子噪声发生器产生，经低通滤波成为限带白噪声，在给定频带内具有均匀连续谱，可以同时激励该频带内所有模态。白噪声的自相关函数是一个单位脉冲函数，即除=0=0 处以外，自相关函数等于零，在=0=0 时，自相关函数为无穷大，而其自功率谱密度函数幅值恒为1 1。实际测试中，当白噪声通过功放并控制激振器时，由于功放和激振 器的通频带是有限的，所以实际的激振力频谱不能在整个频率域中保持恒值，但如果在比所关心的有用频率范围宽得多的频域内具有相等的功率密度时，仍可视为白噪声信号。第59页/共82页纯随机激振纯随机激振纯随机信号优点是：纯随机信号优点是：可以经过多次平均消除噪声干扰和非线性因素的影响，得可以经过多次平均消除噪声干扰和非线性因素的影响，得到线性估算较好的频响函数；测试速度快，可做在线识别。到线性估算较好的频响函数；测试速度快，可做在线识别。其缺点是：其缺点是：容易产生泄漏，虽然可以加窗控制，但会导致分辨率的降低，特别容易产生泄漏，虽然可以加窗控制，但会导致分辨率的降低，特别是小阻尼系统；激振力谱难以控制是小阻尼系统；激振力谱难以控制第60页/共82页伪随机激振伪随机激振 在工程上，为了能够重复试验，常采用在工程上，为了能够重复试验，常采用伪随机信号伪随机信号作为作为输入激励信号。将白噪声在时间输入激励信号。将白噪声在时间T T（单位为（单位为s s）内截断，）内截断，然后按周期然后按周期T T重复，即形成伪随机信号。重复，即形成伪随机信号。其自相关函数与白噪声的自相关函数相似，但由于它有其自相关函数与白噪声的自相关函数相似，但由于它有一个重复周期一个重复周期T T，它的自相关函数，它的自相关函数 Rx(t)Rx(t)在在=0,=0,T T,2 2T T,.,.以及以及-T T,-2,-2T T,.,.各点取值为各点取值为a2 a2，而在其余，而在其余各点之值均为零。各点之值均为零。伪随机信号激励方法，既具有纯随机信号的真实性，又伪随机信号激励方法，既具有纯随机信号的真实性，又因为有一定的周期性，在数据处理中避免了统计误差。因为有一定的周期性，在数据处理中避免了统计误差。第61页/共82页伪随机激振伪随机激振伪随机信号优点是：伪随机信号优点是：激励信号的大小和频率成激励信号的大小和频率成分易于控制，测试速度快；如果分析仪的采样分易于控制，测试速度快；如果分析仪的采样周期等于伪随机信号周期的整数倍，就可以消周期等于伪随机信号周期的整数倍，就可以消除泄漏误差。除泄漏误差。其缺点是：其缺点是：抗干扰能力差；由于信号的严格重抗干扰能力差；由于信号的严格重复性，不能采用多次平均来减少噪声干扰和测复性，不能采用多次平均来减少噪声干扰和测试结构非线性因素的影响。试结构非线性因素的影响。第62页/共82页猝发随机激振猝发随机激振 猝发随机信号只在测量周期的初始一段时间输出信号，猝发随机信号只在测量周期的初始一段时间输出信号，其占用时间可任意调节，以适应不同阻尼的结构。其占用时间可任意调节，以适应不同阻尼的结构。与连与连续随机信号作为激励源不同的是，猝发随机激励时，能续随机信号作为激励源不同的是，猝发随机激励时，能保证一个测量窗的响应信号完全由同一测量窗的激励信保证一个测量窗的响应信号完全由同一测量窗的激励信号引起，输入与输出相干性较好号引起，输入与输出相干性较好。而连续随机信号激励。而连续随机信号激励时，下一个测量窗的响应信号可能有一部分是由上一个时，下一个测量窗的响应信号可能有一部分是由上一个测量窗的激励信号引起。测量窗的激励信号引起。猝发随机信号具有周期随机信号的全部猝发随机信号具有周期随机信号的全部优点优点，既具周，既具周期性，有具随机性，同时有具瞬态性，测试速度较伪随期性，有具随机性，同时有具瞬态性，测试速度较伪随机要快，是一种优良的激励信号。其机要快，是一种优良的激励信号。其缺点是缺点是：为了控制：为了控制猝发时间，需增加特殊硬件设备。猝发时间，需增加特殊硬件设备。第63页/共82页6、模态参数测量与识别模态参数测量模态参数测量第64页/共82页模态参数测量模态参数测量第65页/共82页模态实验过程模态实验过程第66页/共82页第67页/共82页频率响应函数测量第68页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法峰值法当结构的阻尼很小，模态频率不很密集时，认为在某一阶模态频率的附近，主要是这一阶的模态导纳对频响函数作出贡献，在估计模态参数时，用一理想的单自由度频响函数去拟合实测的频响函数，就称为单模态分析法，或单自由度拟合法。当阻尼较大，模态频率又很密集时，对一段包含几个峰谷的实测频响函数，就要用多自由度频响函数去拟合，就称多模态分析法。频域模态参数识别单模态分析法多模态分析法幅频峰值法实频、虚频峰值法直接由实测频响函数的峰值峰值频率、半功率带宽等数据确定模态参数第69页/共82页H()F()X()|H()|1kH()0 90 1800=k/m12m1cf(t)x(t)kcm结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析模态分析法法1）幅频峰值法-单自由度系统第70页/共82页模态分析模态分析Frequencyf(t)x(t)kcmf(t)x(t)kcmx(t)f(t)kcm单单自由度模态系统自由度模态系统1）幅频峰值法-多自由度系统结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法第71页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析模态分析法法1）幅频峰值法-多自由度系统假定：在比例粘性阻尼下，在r r 的一定频率内，只有第 r r 阶模态导纳对频响函数作出贡献，且令 l=p,l=p,lrlr=prpr=1 1第72页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法1）幅频峰值法-多自由度系统|H()|1kH()0 90 1800=k/m12m1c模态频率的确定：幅频曲线上峰值对应的频率或相频曲线上9090度所对应的频率模态阻尼比的确定：半功率点法第73页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法模态阻尼系数为模态刚度、模态质量和模态阻尼系数的确定：在=r r 处，由于则又模态质量为则模态刚度为模态振型：由所有测点频响函数的幅值与相位确定第74页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法2）实频、虚频峰值法假定与幅频峰值法相同，这时，第r r阶频响函数的实部与虚部分别为：第75页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法模态频率和模态阻尼比的确定：由实频曲线可知，当 时，实频有极大值 ；当 时，实频有极小值 ；极大值与极小值之差为 ，当阻尼比 ，此差值为 。第76页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法模态频率和模态阻尼比的确定：因此在阻尼不大时，可由虚频极值确定无阻尼模态频率，由实部两个极值点计算模态阻尼比由虚频曲线可知，当 时，虚频有极小值 ，当阻尼比 时，可认为在 时有极小值 。第77页/共82页结构固有特性参数测量结构固有特性参数测量-模态分析法模态分析法注意：峰值法的应用范围当结构的阻尼很小，模态频率不很密集时，认为在某一阶模态频率的附近，主要是这一阶的模态导纳对频响函数作出贡献，在估计模态参数时，用一理想的单自由度频响函数去拟合实测的频响函数。当阻尼较大，模态频率又很密集时，对一段包含几个峰谷的实测频响函数，就要用多自由度频响函数去拟合，即用多模态分析法。第78页/共82页冲击运动的测量冲击运动的测量测量内容：测量内容：冲击峰值、波形持续时间、冲击波形冲击峰值、波形持续时间、冲击波形冲击信号的特点冲击信号的特点 冲击是一种能量传递过程，要测准、测好冲击是一种能量传递过程，要测准、测好冲击信号，掌握冲击信号的特点是非常重要的。冲击信号，掌握冲击信号的特点是非常重要的。冲击信号可分为理想冲击信号和复杂冲击信号，冲击信号可分为理想冲击信号和复杂冲击信号，其共同特点是过程发生比较突然，持续时间比其共同特点是过程发生比较突然，持续时间比较短暂，能量比较集中。较短暂，能量比较集中。第79页/共82页冲击运动的测量冲击运动的测量测量系统的选择测量系统的选择 冲击信号频谱范围分布在冲击信号频谱范围分布在；对同一种脉冲信号，；对同一种脉冲信号，脉冲持续时间越小，则频谱分布范围越宽。由此可见，要全部测脉冲持续时间越小，则频谱分布范围越宽。由此可见，要全部测准脉冲信号是不可能的，因为任何测试系统都不可能具有准脉冲信号是不可能的，因为任何测试系统都不可能具有0 0测量频带，因此在工程实际中，常规定脉冲信号的持续时间为绝测量频带，因此在工程实际中，常规定脉冲信号的持续时间为绝大部分能量集中的那段时间。同样的，脉冲信号的频谱宽度也是大部分能量集中的那段时间。同样的，脉冲信号的频谱宽度也是规定为绝大部分能量集中的那段频段，一般规定占脉冲信号总能规定为绝大部分能量集中的那段频段，一般规定占脉冲信号总能量的量的90%90%的频带作为频谱宽度。的频带作为频谱宽度。当测量系统的低频或高频响应不好时，对冲击信号的测量当测量系统的低频或高频响应不好时，对冲击信号的测量总要带来误差。以矩形