第1章振动测试的基本知识

第1章振动测试的基本知识1.1振动过程分类方法机械振动按振动产生原因自由振动强迫振动自激振动按振动系统结构参数分类按振动的时间规律按确定振动的独立坐标数分类线性振动非线性振动确定性振动随机振动周期振动非周期振动单自由度振动多自由度振动连续弹性体振动确定性振动随机振动周期振动非周期振动简谐振动复杂周期振动准周期振动瞬态振动非平稳振动平稳随机振动各态历经振动确定性振动随机振动周期振动非周期振动非平稳振动确定性振动随机振动简谐振动复杂周期振动准周期振动各态历经振动周期振动非周期振动非平稳振动确定性振动随机振动非各态历经振动平稳随机振动简谐振动复杂周期振动准周期振动各态历经振动周期振动非周期振动非平稳振动确定性振动随机振动1.2工程振动中的被测参数1.2.1简谐振动中的测试参数主要参数有:位移、速度、加速度、激振力、频率、振幅等位移x(t)=Asin(ωt)=Asin(2πft)速度v(t)=ωAcos(ωt)=ωAsin(2πft+π/2)加速度a(t)=–ω2Asin(ωt)=ω2Asin(2πft+π)由此可见，位移振幅A和频率ω(或f)是两个十分重要的特征量速度加速度位移2在测量中，振动参数的大小常用其峰值，绝对平均值和有效值来表示。峰值（或用Peak–Peak）表示XPeak=max[x(t)];（XPeak，XP_P)XP_P=max[x(t)]-min[x(t)]位移绝对平均值位移有效值()TxAttXT02d)(1),(xxAttATxTRMS21d)(sin1022RMSx为了计算、分析方便，常用“dB”(分贝）数来表示，称为振动级。其规定如下：式中：a1，v1，x1是指测量得到的有效值（或峰值）a2，v2，x2是指某一参考值（一般取a2=10-2mm/s2，v2=10-5mm/s，x2=10-8mm;或者取为1)dBlog20xdBlog20VdBlog2021dB21dB21dBxxvvaaa例如：声级计的p2=20μpa有的仪表1mv0dB或者1v0dB某放大器的增益为40dB，表示输入信号的幅值是输入信号幅值的100倍。这种所谓的分贝标尺起到了将大范围的变化加以等精度压缩的作用。1.2.2有阻尼的自由衰减振动的测试参数解得A–位移振幅，C–阻尼系数，n–衰减系数Pn–无阻尼时固有频率（）衰减系数或阻尼系数是一个重要特征值，且只能通过振动测试测出。0kxcxxmtfAetPAetnpAetxdntdntnnt2sin(sin(sin()(22mkPn(2/)ncm1111111=ln=ln1=ln2dddiiidiTfTAAAiAAnnTiA可测得周期1.2.3复杂周期振动的测试参数)()(kTtxtx)sincos()(1110nnntnbtnaatx220d1TTtxTa221dcos2TTnttnxTa221dsin2TTnttnxTb)sin()(110nnntncatx00ac22nnnbacnnnabarctgc0—均值cn—谐波分量n—相位差ω1—基频T/21用Ｆｏｕｒｅｒ级数展开：1.2.4准周期振动的测试参数两个或两个以上的无关联的周期性振动的（各频率之比不为有理数）混合，称为准周期性振动。例如因不是有理数，所以就不是周期函数；但它的频谱仍为离散谱。)50sin()3sin()2sin()(321txtxtxtx503,5021.2.5非周期振动的测试参数非周期振动的频谱分析法是十分有效的。非周期振动的频谱分析法则是基于傅立叶积分变换的傅立叶变换存在的条件是：被积函数满足狄里赫莱条件(Dirichlet’sCondition);在区间(a，b)内函数仅有有限个最大和最小值点;在区间(a，b)内函数仅有有限个不连续点，不存在无限不连续点。傅立叶变换收敛。傅立叶变换的数学表达式为:式中为频率变量，是频率的复函数，将转化成:与都是频率的实函数—幅频曲线—相频曲线根据振动信号的频谱，可以判断振动系统的动力学特性。2()()d()()djftjftXfxtetxtXfeff()Xf()Xf()()()jfXfXfe|()|Xf)ff|()|Xf)f1.3振动测试方法及分类测试方法机械法—适用被测振动频率较低、振幅较大和精度不高的场合。光学法—可实现无接触测量，但只能作相对测试，故需良好隔振。电测法—是瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的唯一测试手段。振动测试参考坐标绝对式—选惯性空间（大地）作测量时的参考坐标相对式—选空间动点或不动点作测量时的参考坐标相对式惯性式测量范围：0.01—15mm0.01—20mm频率范围：0—330Hz2—330Hz供电电源：无无体积：大大灵敏度：低低价格：便宜测试环境：无电磁干扰、但须考虑温度、安装及腐蚀问题例：手持式振动仪、测振表盖格尔振动仪机械法：杠杆（相对式接触式）或惯性原理（绝对式接触式）接收并记录振动的方法。光测法电测法测量范围：1/4波长或更低—m宽（大、中、小量程均有）频率范围：中低频宽（大、中、小量程均有）可选传感器：较少规格型号多电源或光源：激光或其它光源需要体积：大中、小（Kistler公司1mm注塑监控用力传感器）灵敏度：高光波长（如1微米）高、中、低均有价格：贵高、中、低档均有测试环境：要求隔振、现场测量较困难、不接触式、温度及腐蚀要求低接触式、需考虑温度、湿度、腐蚀及电磁干扰等影响例：读数显微镜激光干涉仪（麦克尔逊干涉条纹）激光散斑法（ESPI电子散斑）高速摄影法伺服式加速度计压电式加速度计惯性式速度计角位移计传感器生产商：丹麦B&K、瑞士Kistler、美国Endevoc、上海B&W、扬州无线电二厂、秦皇岛传感器研究所等光测法：将机械振动转换为光信息进行测量的方法。电测法：机电变换原理。（重点）电测法的优点：是目前用得最广泛的测量方法，与机械式和光学式的测试方法比较，具有以下的优点:（1）频带宽，灵敏度和分效率高，动态测量范围较大;（2）传感器质量大小可选择余地大，可减小传感器质量的附加影响，有必要的话，可选择触式的传感器（3）可以根据被测参量的不同选用不同的振动传感器;（4）能进行远距离测量或遥测;（5）便于对测得的信号进行贮存，以便进一步分析;（6）适合于多点同步测量和对信号进行实时分析。1.3工程振动测试及信号分析的任务1、已知输入力{F}，在被测试系统维持一定的[M]，[C]，[K]之下来求输出，这便是求系统的响应，这是结构动力学的正问题。2、对于还不清楚的系统，包括正在设计中的系统的模型，给一定的{F}，并测知，从而通过模态参数(模态频率，振型，阻尼等)来求系统的物理特性参数[M]，[C]，[K]，这就是“参数识别”和“系统识别”。通常这一类问题为结构动力学的第一类逆问题，这类问题对振动测试的要求，除了要精确测定外，还要应用模态分析的方法来识别参数。{},{},{}xxx{},{},{}xxx{},{},{}xxx3、在已知系统参数的情况，测出即可求出输入{F}。这便是载荷识别，是结构动力学的第二类逆问题。这类问题对振动测试的要求，除了精确测出外，往往还要选进行第一类逆问题的计算与测试，求得系统参数，然后方能进行载荷识别。通过这类问题的研究，可以查清外界干扰力的水平和规律，以便采取措施来控制振动。{},{},{}xxx{},{},{}xxx•（4）振动测试及信号分析的任务，还包括监测机器设备工作状况是否稳定，正常和诊断设备故障等。机器和设备在工作过程中发生不正常的运转或故障，往往会使系统的振动情况或噪声水平发生变化，因此，振动与噪声的监测，即对机械在工况下产生的振动和噪声的测试结果进行分析是判断机器是否正常工作的重要信息。•（5）振动控制。通过振动控制主要为达到以下两个目的：•①通过振动控制减少振动量，降低振动水平，以减少甚至消除振动的危害；•②通过控制振动所需的振动激励信号使振动水平始终保持在一定的范围之内。作业•1、在振动测试过程中，分贝（dB）是怎样定义的，举例说明。•2、有阻尼系统的自由衰减振动有哪几个特征参数？