武汉理工大学检测技术Chapter8学习教案.pptx

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1、会计学1武汉理工大学检测武汉理工大学检测(jin c)技术技术Chapter8第一页，共48页。主要主要(zhyo)内容内容8.1 概述(i sh)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1页/共48页第二页，共48页。小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 8.1 概述概述(i sh)第2页/共48页第三页，共48页。振动振动(zhndng)研究所涉及的问题研究所涉及的问题 振动分析振动分析 已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应已知激励

2、条件和系统的振动特性，求系统的响应 系统识别系统识别 已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性 环境预测环境预测 已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态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机械振动测试系统的一般组成框图 第3页/共48页第四页，共48页。8.2 8.2 振动振动振动振动(zhndng)(zhndng)的基本知识的基本知识的基本知识的基本知识机械振动机械振动(zhndng)的测量方法按振动的测量方法按振动(zhndng)信号的转换信号的转换方式分为：方式分为：相对测量法：测量参考点为

3、系统中的某固定点或运动点相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点绝对绝对(judu)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。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。电测法电测法机械测量法机械测量法光测法光测法按照测量时选择参考点的不同，可分为：按照测量时选择参考点的不同，可分为：第4页/共48页第五页，共48页。按照振动产生按照振动产生(chnshng)的原因的原因 自由自由(zyu)振动振动受迫振动受迫振动(shu p zhn dn)自激振动自激振动振动频率和固有频率之间的关系为振动频率和固有频率之间的关系为 其中，其中，n为系统的固有

4、频率，为系统的固有频率，为阻尼率为阻尼率 系统的振动频率为激振频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。振动频率接近于系统的固有频率。8.2.1 振动的分类振动的分类 第5页/共48页第六页，共48页。按系统按系统(xtng)的输出分的输出分 简谐振动简谐振动(zhndng)周期周期(zhuq)振动振动瞬态振动瞬态振动 随机振动随机振动 按系统自由度分按系统自由度分 单自由度系统振动单自由度系统振动 多自由度系统振动多自由度系统振动 连续弹性体振动连续弹性体振动 按系统结构参数的特性分按系统结构参数的特性分 线性振动线性振动 非线性振动非线性振动 第6页/共48页第七页，共4

5、8页。力作用力作用(zuyng)(zuyng)在质量块上的单自由度系统在质量块上的单自由度系统质量质量m在外力的作用下的运动在外力的作用下的运动(yndng)方程为方程为 式中，式中，c为粘性为粘性(zhn xn)阻尼系数，阻尼系数，k为弹簧刚度。为弹簧刚度。(t)为系统的激振力，即系统的输入，为系统的激振力，即系统的输入，z(t)为系统的输出。为系统的输出。拉氏变换拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为传递函数为 8.2.2 单自由度系统的受迫振动单自由度系统的受迫振动 第7页/共48页第八页，共48页。令令s=j，则，则 力作用在质量力作用在质量(zhlin

6、g)(zhling)块上的单自由度系统块上的单自由度系统系统系统(xtng)的固有频率的固有频率 系统系统(xtng)的阻尼率的阻尼率 第8页/共48页第九页，共48页。幅频曲线幅频曲线(qxin)相频曲线相频曲线(qxin)第9页/共48页第十页，共48页。在幅频曲线在幅频曲线(qxin)上幅值最大处的频率称为位移共振频率上幅值最大处的频率称为位移共振频率 随着随着(su zhe)的阻尼的增加，共振峰向原点移动；的阻尼的增加，共振峰向原点移动；当无阻尼当无阻尼(zn)时，位移共振频率时，位移共振频率r即为固有频率即为固有频率n 当系统的阻尼当系统的阻尼 很小时，位移共振频率很小时，位移共振频

7、率r接近系统的固有频率接近系统的固有频率n，可用作为的估计值。，可用作为的估计值。幅频曲线幅频曲线 第10页/共48页第十一页，共48页。不管系统不管系统(xtng)的阻尼率为多少，在的阻尼率为多少，在/r=1时位移始终落后于激振力时位移始终落后于激振力90，此现象称为相位共振。，此现象称为相位共振。相频曲线相频曲线(qxin)利用利用(lyng)相频特性来确定固有频率比较准确相频特性来确定固有频率比较准确 幅频曲线幅频曲线 第11页/共48页第十二页，共48页。由基础由基础由基础由基础(jch(jch)运动所引起的受迫振动运动所引起的受迫振动运动所引起的受迫振动运动所引起的受迫振动 单自由度

8、系统的基础单自由度系统的基础(jch)振动振动 力作用力作用(zuyng)在质量块上的单自由度系统在质量块上的单自由度系统第12页/共48页第十三页，共48页。单自由度系统的基础单自由度系统的基础(jch)振动振动 设基础的绝对位移为设基础的绝对位移为Z1，质量，质量m的绝对位移为的绝对位移为Z0，则系统，则系统(xtng)的振动可用方程式表示为：的振动可用方程式表示为：拉氏变换拉氏变换(binhun)并，令并，令s=j 得系统的幅频特性和相频特性得系统的幅频特性和相频特性 第13页/共48页第十四页，共48页。幅频曲线幅频曲线(qxin)相频曲线相频曲线(qxin)第14页/共48页第十五页

9、，共48页。多自由度系统多自由度系统多自由度系统多自由度系统(xtng)(xtng)的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组 通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互(xingh)(xingh)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独立的二阶常微分方程组，其中的每一

10、个方程式可以独立求解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系统参数由若干个固有频率系统参数由若干个固有频率系统参数由若干个固有频率(yu pn l)(yu pn l)、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数。、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数。、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数。、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 二自由度系统振型二自由度系统振型 8.2.3 多自由度系统振动

11、多自由度系统振动 第15页/共48页第十六页，共48页。机械机械(jxi)阻抗阻抗:线性动力学系统线性动力学系统(xtng)在各种激励的情况下，在频域内激励与响应之比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)传递函数传递函数 频率响应频率响应(pn l xin yn)函数函数 H(s)=Y(s)/F(s)H()=Y()/F()机械系统框图机械系统框图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为系统传递函数或频率响应函数的倒数 K()=F()/Y()机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳 8.2.4 机械阻抗的概念机

12、械阻抗的概念 第16页/共48页第十七页，共48页。设激振力为设激振力为(t)=F0ejt 位移位移(wiy)阻抗阻抗 速度速度(sd)阻抗阻抗 加速度阻抗加速度阻抗(zkng)位移导纳位移导纳 速度导纳速度导纳 加速度导纳加速度导纳 第17页/共48页第十八页，共48页。8.3 振动振动(zhndng)的激励的激励 1)激励部分激励部分 实现对被测系统的激励实现对被测系统的激励(输入输入)，使系统发生振动。它主要，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。由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。2)拾振部分拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成检测并

13、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一定的形式(xngsh)(通常为电信号通常为电信号)。它主要由传感器、可。它主要由传感器、可调放大器组成。调放大器组成。3)分析记录部分分析记录部分 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。谱分析设备组成。第18页/共48页第十九页，共48页。稳态正弦稳态正弦(zhngxin)激振激振 施加一个稳定施加一个稳定(wndng)的单一频率的正弦激振力，的单一频率的正弦激振

14、力，(t)=F0sint。随机随机(su j)激振激振优点：设备通用，可靠性较高优点：设备通用，可靠性较高 缺点：需要较长的测定时间缺点：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，价格昂贵该方法具有快速实时的优点，但

15、设备较复杂，价格昂贵.带宽激振法带宽激振法 8.3.1 激振的方式激振的方式 第19页/共48页第二十页，共48页。瞬态激振瞬态激振 快速快速(kui s)正弦扫描激振正弦扫描激振 脉冲脉冲(michng)激振激振 阶跃激振阶跃激振 采用周期采用周期(zhuq)为为T的频率线性变化的正弦信号进行激励的频率线性变化的正弦信号进行激励(t+T)=(t)=A0sin2(at+b)t (0t(78)n时，相位差接近时，相位差接近-180，此时满足测试相位不失真的条件。，此时满足测试相位不失真的条件。使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的阻尼率在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.

16、50.7之间，这样可以保证工作频率的下限到之间，这样可以保证工作频率的下限到=1.7n，幅，幅值误差不超过值误差不超过5 当使用当使用(78)n进行相位测试时，需要用移相器获得相进行相位测试时，需要用移相器获得相位信息。位信息。设计和使用惯性式拾振器时设计和使用惯性式拾振器时 第26页/共48页第二十七页，共48页。2、选择、选择(xunz)测振传感器的原则测振传感器的原则 采用采用(ciyng)(ciyng)位移传感器的情况位移传感器的情况 用速度传感器的情况用速度传感器的情况 采用采用(ciyng)(ciyng)加速度传感器的情况加速度传感器的情况 第27页/共48页第二十八页，共48页。

17、8.5 振动振动(zhndng)信号分析仪器信号分析仪器 1、振动计振动计 2、频率、频率(pnl)分析仪分析仪 3、频率特性与传递函数分析仪频率特性与传递函数分析仪 4、数字、数字(shz)信号处理系统信号处理系统 第28页/共48页第二十九页，共48页。8.6 振动振动(zhndng)测试系统及数据处理实例测试系统及数据处理实例 汽车平顺性测试系统框图汽车平顺性测试系统框图 第29页/共48页第三十页，共48页。汽车的平顺性测试过程汽车的平顺性测试过程(guchng)(guchng)框图框图 40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线 第3

18、0页/共48页第三十一页，共48页。矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图矩形窗、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率谱密度函数驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数第31页/共48页第三十二页，共48页。不同不同(b tn)车速下驾驶员坐椅处加权加速度方车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级均根及振级速度速度/km/h40506070800.09510.22510.35510.45510.565199.563107.0471

19、11.007113.162115.042主观感主观感觉觉没有不没有不舒服舒服没有不没有不舒服舒服有一些有一些不舒服不舒服有一些有一些不舒服不舒服相当不相当不舒服舒服第32页/共48页第三十三页，共48页。机械结构机械结构(jigu)各模态有如下参数各模态有如下参数 固有频率、阻尼率、当量固有频率、阻尼率、当量(dngling)刚度、当量刚度、当量(dngling)质量等参数质量等参数 对多自由度系统还有特定对多自由度系统还有特定(tdng)参数：主振型参数：主振型 自由振动法自由振动法 估计方法估计方法稳态正弦激励法稳态正弦激励法 共振法共振法总幅值法总幅值法分量法分量法矢量法矢量法8.7 机

20、械结构的固有频率和阻尼率估计机械结构的固有频率和阻尼率估计 第33页/共48页第三十四页，共48页。1、总幅值法、总幅值法 1)固有频率固有频率(yu pn l)n的估计的估计 若若0.1，r=n 若若不小于不小于0.1或要精确或要精确(jngqu)估计估计n值，需要先估计值，需要先估计的值的值 幅频曲线幅频曲线(qxin)第34页/共48页第三十五页，共48页。2)阻尼阻尼(zn)率率的估计的估计 幅频曲线幅频曲线(qxin)第35页/共48页第三十六页，共48页。若在若在n附近附近(fjn)取取2-1=，2+1=2n，且，且足够小，此时足够小，此时=1，或，或=2，则，则单自由度系统单自由

21、度系统(xtng)的幅频特性曲线的幅频特性曲线 第36页/共48页第三十七页，共48页。由于由于(yuy)在在n附近，即附近，即/n1 单自由度系统单自由度系统(xtng)的幅频特性曲线的幅频特性曲线 第37页/共48页第三十八页，共48页。若若 解上式，得解上式，得 第38页/共48页第三十九页，共48页。实部部分实部部分(b fen)：虚部部分虚部部分(b fen)：2、分量、分量(fn ling)法法 第39页/共48页第四十页，共48页。第40页/共48页第四十一页，共48页。实部频率实部频率(pnl)曲线曲线 虚部频率虚部频率(pnl)曲线曲线 第41页/共48页第四十二页，共48页

22、。分析分析(fnx)当当=n时，时，当当 时，实部具有时，实部具有(jyu)最大值；最大值；当当 时，实部具有时，实部具有(jyu)最小值；最小值；第42页/共48页第四十三页，共48页。此时此时(c sh)则则实部频率实部频率(pnl)曲线曲线 第43页/共48页第四十四页，共48页。在在 时，时，Im(j)具有具有(jyu)极小值极小值虚部频率虚部频率(pnl)曲线曲线 当当 时时 成立成立(chngl)第44页/共48页第四十五页，共48页。可按如下可按如下(rxi)方法求模态的固有频率和阻尼率方法求模态的固有频率和阻尼率 在同相分量在同相分量(fn ling)曲线中，满足实部分模为零的

23、频率为固有频率曲线中，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，峰值对应的频率在正交分量曲线中，峰值对应的频率(pnl)为固有频率为固有频率(pnl)n 求系统的阻尼率求系统的阻尼率 实部频率曲线实部频率曲线 虚部频率曲线虚部频率曲线 第45页/共48页第四十六页，共48页。3、矢量、矢量(shling)法法 多自由度系统多自由度系统(xtng)(xtng)的位移导纳的奈奎斯特图的位移导纳的奈奎斯特图 在在M M点左右点左右(zuyu)(zuyu)任取两点求任取两点求值值 单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图 第46页/共48页第四十七页，共48页。

24、8.8 小结小结(xioji)振振动动的的基基本本知知识识，振振动动的的分分类类，单单自自由由度度系系统统的的受受迫迫振振动动，多多自自由由度度系系统统振振动动，机机械械阻阻抗抗的的概概念念。笔笔式式记记录录仪仪、检流计式笔录检流计式笔录(bl)(bl)仪和函数记录仪的基本工作原理。仪和函数记录仪的基本工作原理。振振动动的的激激励励激激振振的的方方式式：稳稳态态正正弦弦、随随机机和和瞬瞬态态激激振振。激振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。激振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。测测振振传传感感器器：惯惯性性式式和和压压电电式式加加速速度度拾拾振振器器；二二者者的的工工作原理。选择测振传感器的原则。作原理。选择测振传感器的原则。振振动动信信号号分分析析仪仪器器：振振动动计计，频频率率分分析析仪仪，频频率率特特性性分分析仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。析仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。机机械械结结构构的的特特征征参参数数固固有有频频率率和和阻阻尼尼率率计计算算方方法法：估估计计总幅值法，分量法和矢量法。总幅值法，分量法和矢量法。第47页/共48页第四十八页，共48页。