机械装备动态性能4-5节

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1、第4节 激振设备振动激振设备主要是振动台和激振器。通 常，激振器是安装在被测物体上直接激振，从 而产生一个干扰力并作用于被测结构物上；而 振动台是把被测物体装在振动平台上，振动台 产生一个变化的振动位移，从而在被测物体上 产生一个与振动台的振动位移相对应的牵连惯 性力而激振。激振设备产生干扰力使被测物体 发生强迫振动，可以方便地实现在测试实验时 被测物体所要求的强迫振动形式。激振设备种类很多，根据 结构原理可分为机械式、电磁 式、液压式和压电式等多种形 式。一、 激振器1、机械惯性式激振器这种激振器是利用偏心质量的旋转， 使之产生周期变化的离心力，以起激振作 用。由两个带偏心质量而反向等速旋转

2、的 齿轮结构组成的机械惯性式激振器如图惯性式激振器示意图偏心质量齿轮旋转时，两质量的惯性力 的合力在铅区直方向以简谐规律变化，在 水平方向合力为零，则激振力的大小使用时，将激振器固定在被测物体上 ，激振力带动物体一起振动。此类激振器 一般都用直流电动机带动，改变直流电动 机的转速可调节干扰力的频率。这种激振器的优点是，制造简单，能 获得从较小到很大的激振力（0至几千公 斤）；缺点是工作频率范围很窄，一般为 0至100 Hz。由于受转速的影响，激振力 大小无法单独控制，另外，机械惯性式激 振器本身质量较大，对被激振系统的固有 频率有一定影响，且安装使用很不方便。2、电磁式激振器电磁式激振器 是将

3、电能转换成 机械能，并将其 传递给试验结构 的一种仪器。其 结构原理示意图 如图电磁式激振器由磁路系统（包括励磁线 圈、中心磁级、磁极板）与动圈、弹簧、顶 杆、外壳等组成。动圈固定在顶杆上，处在 中心磁极与磁极板之间的空气气隙中；顶杆 由弹簧支撑，工作时顶杆处于限幅器的中间 ，弹簧与壳体相连接。在励磁线圈中输人直流电流，使中心磁 极在磁极板的空气气隙中形成一个强大的磁 场；同时再给动圈输人一个交变电流Ie，电 流在磁场的作用下产生的电磁感应力力F使顶杆作上下运动，由顶杆传给 试件的激振力是电磁感应力F和可动部分 的惯性力、弹性力、阻尼力等的合力。 但由于激振器的可动部分质量很小，弹 簧较软（激

4、振器弹簧通常做成失稳状态 ，即在一定范围内，弹簧力不随弹簧变 形而改变），所以在一般情况下，其惯 性力、弹性力和阻尼力可以忽略。当输 人动圈内的电流Ie 。以简谐规律变化时 ，则通过顶杆作用在物体上的激振力也 以简谐规律变化。使用这种激振器时，是将它放置 在相对于被测试物体静止的地面上， 并将顶杆顶在被测试物体的激振处， 顶杆端部与被测试物体之间要有一定 的预压力，使顶杆处于限幅器中间， 且要注意满足相应的跟随条件式。激 振前顶杆应处于振动的平衡位置，这 样激振器的可动部分和固定部分才不 发生相应的碰撞。与电磁式激振器配套使用的仪器有信号发生 器、功率放大器和直流稳压电源。连接方框图如 图 所

5、示。（磁场采用永久磁铁产生时，激振器 不需要直流电源。）电磁式激振器系统连接示意方框图信号发生器是产生一定形式、一定频 率范围和一定大小振动信号的设备，并 向多功能形式发展，即同一信号发生器 可产生多种振动信号，正弦、脉冲（分 波、三角波）随机和瞬态随机等多种激 振信号。功率放大器是将信号发生器输出的电 压信号进行放大，给激振器提供与电压 信号成正比的电流，以使电磁式激振器 产生符合要求的激振力。电磁式激振器的优点是能获得较宽频带（从 零赫兹到1万赫兹）的激振力，即产生激振力的 频率范围较宽。而可动部分质量较小，从而对 被测物体的附加质量和附加刚度较小，使用也 方便。因此，应用比较广泛，但这种

6、激振器的 缺点是不能产生太大的激振力。电磁式激振器的安装方式有许多种，一般以 下面三种安装方式为主。1激振器固定安装方式如图所示，这种固定方式要求安装后， 激振系统的共振频率要高于激振器工作频 率的3 - 4倍以上。为此，应尽可能采用刚 性较好的支架。在这种情况下，传递给试 件的激振力就等于驱动线圈产生的电磁感 应力F。激振器固定安装方式2弹性悬挂安装方式用弹簧或橡皮绳将激振器悬挂在支架 上，如图所示。它要求安装频率要远低于 激振器的工作频率。此时施加于试件的激 振力近似地等于驱动线圈产生的电磁感应 力F。用手握激振器对试件做激振试验就属 于这种安装方式，一般手握激振器的固有 频率大约为2 H

7、z一3 Hz。激振器悬挂安装方式3弹性安装方 式弹性安装方 式如图示，它 适用于试验物 体的质量远大 于激振器的质 量，激振器的 工作频率远远 高于安装共振 频率的情况。 激振器弹性安装方式从以上三种安装方式可以看出，激振器都 通过激振顶杆和试件刚性地连接在一起，或者 通过预压力和试件连接起来。这样，试件就等 于在激振点处附加了一定的质量、刚度和阻 尼，它对试件的动态参数会产生一定的影响。 因此激振器的选择原则是以能激起试件振动为 前提，尽量选用功率小、质量小、刚度小的激 振器。对于轻型结构、刚度很弱（如薄板）的 试件，则要采用非接触式激振器激振为好。二、振动台机械式振动台有连杆偏心式和惯性离

8、心式 两种。它们的工作原理如图所示。惯性离心式振动台是基于旋转体偏心质量的 惯性力而引起振动平台的振动来工作的，其工 作原理与离心式激振器的工作原理相同。连杆偏心式振动台是基于偏心轮转动时，通 过连杆机构而使工作台作交变正弦运动来工作 的。振幅大小可用改变偏心距的大小来调节， 频率可用改变电动机转速来调节。1、机械式振动台机械式振动台的工作原理由于机械摩擦和轴承损耗的影响，这种振动台 频率一般不能超过50 Hz。连杆偏心式振动台的主 要优点是能够得到很低的频率，且振幅与频率的变 化无关；主要缺点是不能进行高频激振，小振幅时 失真度较大。一般来说，连杆偏心式振动台的有效 频率范围为0 . 5 H

9、z - 20 Hz； 惯性离心式振动台的有效频率范围为10 Hz - 70 Hz，且振幅在大于0.1 mm以上时效果较好。机 械式振动台的优点是结构简单，容易产生比 较大的振幅和激振力；缺点是频率范围小，振幅调 节比较困难，机械摩擦易影响波形，使波形失真度 较大。2、电磁式振动台电磁式振动台的结构原理与电磁式激振器 极为相似，如图示。它的驱动线圈绕在线圈骨 架上，通过连杆与台面刚性连接，并由上下支 撑弹簧悬挂在振动台的外壳上。振动台的固定 部分是由高导磁材料制成的，上面绕有励磁线 圈，当励磁线圈通以直流电流时，磁缸的气隙 间就形成强大的恒定磁场，而驱动线圈就悬挂 在恒定磁场中。电磁式振动台结构

10、原理图电磁式振式台的 优点是，噪音比机 械式振动台小，频 率范围宽，振动稳 定，波形失真度小 ，振幅和频率的调 节都比较方便。缺 点是有漏磁场的影 响，有些振动台低 频特性较差。电磁 式振动台的外形如 图所示。振动台的外形如图控制系统分为三路，一路是励磁部分，它 主要给励磁线圈提供励磁电流而产生恒定的磁 场；另一路是激励部分，它主要由信号发生器 和功率放大器等组成，其输出信号接到振动台 的驱动线圈上，以使其产生频率和幅值均为可 调的振动信号；第三路是测量部分，其传感器 装在台体内，测量放大器的输出可接各种显示 和记录设备。该部分用来测量台面的位移、速 度和加速度值。整个控制系统组装在控制柜中

11、。3、液压式振动台液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动 台台面的往复运动的一种机械，其原理如图所示。台体由电动力式驱动装置、控制阀、功率阀、液 压缸、高压油路（供油管路）和低压油路（回油管路 ）等主要部件组成。电动力式驱动装置由信号发生器、功率放大器供 给驱动线圈驱动电信号，从而驱动控制阀工作。由于 液压缸中的活塞同台面相连接，控制阀与功率阀有多 个进出油孔，分别通过管路与液压缸、液压泵和油箱 相连，这样在控制阀的控制下，通过不断改变油路就 可使台面按控制系统的要求进行工作。实际的液压振动台工作在闭环控 制状态，它的控制系统方框图如图所 示。信号发生器产生的振动信号与各 反馈回路传感器测量

12、得到的阀位移、 液压脉动及台面位移信号一起在控制 部分进行处理，最后产生误差信号送 到电动驱动装置的驱动线圈中，然后 经控制阀和功率阀使振动台产生稳定 的振动。液压振动台控制系统方框图由于液压振动台可比较方便地提供大的激振 力，台面能承受大的负载，因此一般都做成大型 设备，以适应大型结构的模型试验。它的工作频 率段下限可低至零赫，上限可达几百赫。由于台 面由高压油推动，因而避免了漏磁对台面的影响 。但是，台面的振动波形直接受油压及油的性能 的影响。因此，压力的脉动、油液受温度的影响 等都将直接影响台面的振动波形。所以，与电磁 式振动台相比，它的波形失真度相对来说要大一 些。四、其它激振方法1、

13、磁动式激振器磁动式激振器是一种非接触式激振器。 一般轻型结构或质量小、刚度很弱的试件进 行激振试验时常采用它，它对被激励的物体 的动态特性没有什么影响。磁动式激振器原理图磁动式激振器激振力变化曲线2、压电晶体片激振把晶体片用502胶或914胶粘贴在试件 上（一般粘贴在应变最大处），利用压电 晶体的逆压电效应，在晶体片的两个极面 上加一正弦的交变电压，晶体片就会产生 正弦交变的伸缩，该伸缩力作用在被测部 件上，就可激励它产生强迫振动。若保持 晶体片两个极面上的电压幅值不变，逐步 改变电压的频率，使被激励试件产生共振 ，从而就能找到共振频率，并可测出幅频 曲线等振动参数。晶体片激振适用于比较小的轻

14、型结构及 刚度很弱的连续体的激振，由于晶体片比较 小，对激振系统带来的附加质量和附加刚度 也比较小。3、力锤及应用力锤又称手锤，是目前试验模态分析中经常采 用的一种激励设备。它的结构有两种形式，如图所示 。它由锤帽、锤体和力传感器等几个主要部件组合而 成。当用力锤敲击试件时，冲击力的大小与波形由力 传感器测得并通过放大记录设备记录下来。因此，力 锤实际上是一种手握式冲击激励装置。使用不同的锤 帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲，相应的力谱也不 同。常用的锤帽材料有橡胶、尼龙、铝、钢等。使用 不同的锤帽材料，力谱的带宽不同。一般橡胶锤帽的 带宽窄，钢最宽。因此，使用力锤激励结构时，要根 据不同的结构

15、和分析频带选用不同的锤帽材料。第5节 基本振动参数的测量及仪器设备本节将介绍振动系统振动参数的一般测量方 法，包括：简谐振动的频率及振幅的测量、两 个同频简谐振动相位差的测量、衰减系数的测 量以及用光学原理对振幅的测量。同时还对 振动测量中应该注意的问题及相应的仪器设备 的工作原理加以说明。一、简谐振动频率的测量1、李萨如图形比较法利用示波器、信号发生器以及常用的振动 信号测试设备所组成的测试系统，来测简谐振 动的振动频率，称之为李萨如图形比较法。运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运 动轨迹，称为李萨如图形。使用李萨如图形法测量振动频率的测量 系统如图示，它是把被测振动信号送入示波 器的垂直

16、偏转轴Y，而把已知频率的比较电 压信号（由信号发生器提供）送人水平偏转 轴X，这时在电子示波器的显示屏上将形成 李萨如图形。李萨如图形，可用数学方法加 以说明。李萨如图形测频的实验框图此式是一个正椭圆方程，其李萨如图形为一个正椭圆图形。通过频谱分析仪对周期信号的频率成分 （ 谐波）的分析，从而测量出信号所包含的各 次谐波频率和幅值。这种方法是复杂周期 信号频率测量的主要方法。根据仪器选择 的不同，信号的分析频率可从5Hz到 20000Hz；频率分辨能力可从若干赫提高到 01Hz左右 2、用频谱分析仪测量将信号输人仪器，可直接读出信 号的频率值（和幅值）。这种方法使 用方便，波形也不限于正弦波，但它 要求被测信号基波频率比较稳定。频 率计数器有指针式和数字式两种 3、用频率计测量 将振动信号与时标信号同时记录在纸 带上，根据时标刻度即可计算出信号的频 率（或周期）。大多数记录仪都有时标信 号， 使用十分方便。这种方法的测量误 差比较大，但是它可以测定随时间变化的 振动频率，也可测量两个以上随时