四、振动参数及结构特性参数测量

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1、第四部分,振动参数及结构特性参数测量,振动理论,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,简谐振动位移幅值的测量,1、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。,简谐振动位移幅值的测量,1、测幅尺,振动幅值与测幅尺尺寸之间的关系,使用限制,1、频率不能太低 f10Hz 2、振幅不能太小，A 0.1mm 3、上限受测幅尺尺寸限制 4、单一方向,应用：机械式和电动式振动台，振动筛等。

2、,特点：方便、简单、精度较差。,简谐振动位移幅值的测量,2、读数显微镜,类型,内读数 0.05mm(min) 外读数 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。,特点： 测量的是绝对位移,测量过程：,简谐振动位移幅值的测量,3、 激光位移传感器,一般激光位移计包含一发光组件及一位置传感器（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

3、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PSD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CCD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PSD要高。,简谐振动位移幅值的测量,4、电涡流位移传感器 5、速度传感器 6、加速度传感器,简谐振动频率测量,1、频率计（直读法）,2、李莎育图形法,简谐振动频率测量,3

4、、图形法,记忆示波器,记录仪,复杂振动频率测量,频谱分析法,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,结构固有特性参数测量-自由衰减法,1、测量过程,2、测量仪器与测量系统,此法的核心：记录时间历程曲线,结构固有特性参数测量-自由衰减法,3、激励,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）敲击法：用力锤或其它施力工具（注意频率范围、敲击点）,4、响应,以单自由度系统为例,结构固有特性参数测量-自由衰减法,5、时间历程,结构固有特性参数测量-自由衰减法,6、固有频率和阻尼比测量,固有频率,阻尼比：测出图中 Ai

5、和 Ai+m 幅值,求减幅系数,对数减幅,则,由于,结构固有特性参数测量-共振法,1、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，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，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频率相隔较远的轻阻尼结构。 2、测量仪器 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,结构固有特性参数测量-共振法,3、固有频率的测量, 固有频率与共振频率的区别,1）固有频率是由结

6、构固有参数和边界条件决定的，与激励方式无关。 2）共振频率指结构共振时的强迫振动频率。 3）系统的每阶固有频率分别对应多个共振频率,结构固有特性参数测量-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,结构固有特性参数测量-共振法, 固有频率的测量,共振的判别,（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

7、有差别，不同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样。,结构固有特性参数测量-共振法,共振的判别,（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：,结构固有特性参数测量-共振法,位移信号为： 共振时，=n，力信号和位移信号的相位差为/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或略小于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

8、图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。,将激振信号输入到示波器的x轴，位移传感器输出信号输入y轴，此时两通道的信号分别为： 激振信号为：,（一）位移判别法,结构固有特性参数测量-共振法,（二）速度判别法 将激振信号输入到示波器的x轴，速度传感器输出信号输入到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，x轴信号和y轴信号的相位差为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或略小于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,结构固有特性参数测量-共振法,n,（三）加速度

9、判别法 将激振信号输入到示波器的x轴，加速度传感器输出信号输入到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，x轴信号和y轴信号的相位差为/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或略小于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。,结构固有特性参数测量-共振法,4、阻尼比的测量,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）自

10、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,结构固有特性参数测量-共振法,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,结构固有特性参数测量-共振法,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,结构固有特

11、性参数测量-共振法,5、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,模态分析法,理论模态分析；实验模态分析（EMA) 运行模态分析 （OMA)；运行变形分析 （ODS),模态分析法,运行模态分析 通过只测量响应来决定模态模型 不需要输入力环境激励 模态测试类似于运行变形分析 优点 - 测试便宜和快速 - 无需激励设备 - 测试不干扰结构的正常工作 - 测试的响应代表了结构的真实工作环境,模态分析法,运行模态分析 测量能够被一次完成（快速，数据一致性好）或多次完成 （受限于传感器的数量） 一次测量（一个数

12、据组），不需要参考传感器 多次测量（多个数据组），对所有的数据组，需要一个或 多个固定的加速度传感器作为参考,-运行变形分析,确定结构在工作条件下的振动模式, 工作条件 - 负荷，压力，温度，流量 振动信号 - 稳态 - 准稳态 速度微小变化 升/降速 - 瞬态,-运行变形分析, ODS以如下方式描述被测对象 - 几何动画 - 加速度、速度、位移及其相位的列表 在不同的点和方向上进行测量,-运行变形分析,信号分析中 - 没有线性模型的假设 - 没有输入力的假设 - 实际的工作载荷 - 真实的边界条件 ODS的类型 - 时域ODS - 频谱域ODS(FFT或者Order) - 升/降速ODS,实

13、验模态分析,1、实验模态分析概述,用实验方法，来构造结构振动特性及行为的数学模型。通过实验数据的处理和分析，来寻求结构的模态参数。,试验模态分析法,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(粘性比例阻尼和结构比例阻尼)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尼系统中两种情况。 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。,为什么要做模态测试,当今需求

14、运行的速度越来越快 对燃油经济型要求越来越高 结构越来越轻量化 这些需求要求降低结构重量,结果 结构变得越来越轻“弱” 共振频率向激励频率的范围移动 由于动态载荷存在，结构将更容 易“失效”,为什么要做模态测试,为什么要做模态测试,改进有限元模型 在原样机上通过测试进行验证 通过引入阻尼来改进有限元模型 故障诊断 降低过大的振动电平 确保共振频率远离振动频率 仿真“假如。则” 确定载荷 复杂激励下结构的响应 结构动力学修改 结构综合分析 - 预测组装子部件或总装的动力学行为,模态测试：首先应用于飞机工业，今天也广泛应用于汽车及许多其他工业,故障诊断,频率响应函数,运行时的振动响应,基于验证的模

15、态模型,仿真“假如。则” 结构动力学修改 - 质量修改 - 刚度修改 - 动力吸振器 - 移动共振频率 强波响应仿真分析 - 当结构受到一个或多个激 励时动力学行为会怎样？,怎样做模态测试,建模 建立几何模型 定义自由度 确定测量方向 测量 频率响应函数 力锤或激振器激励 定义相干函数，自谱等用于验证 曲线拟合 频率 阻尼 留数（模态振型） 验证 MAC（模态置信因子） 相位分布 模态参与因子 模态置信因子,频率响应函数测量,试验模态分析法,主要方法 最小二乘复指数法 时间序列分析法 随机减量技术 ITD方法,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

16、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。,试验模态分析法,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,试验模态分析法,主要应用有： 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率、 模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。 2）可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机模 型更趋于完善和合理。 3）用来进行结构动力学修改、灵敏度分析和反问题的计算。 4）用来进行响应计算和载荷识别。,3、模态分析方法的应用,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