第八章振動(dòng)及噪聲的測量

1、振動(dòng)的概念振動(dòng)的概念機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因研究機(jī)械振動(dòng)的意義研究機(jī)械振動(dòng)的意義機(jī)械振動(dòng)測試研究的內(nèi)容機(jī)械振動(dòng)測試研究的內(nèi)容機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)的組成機(jī)械振動(dòng)測試系統(tǒng)的組成測振傳感器測振傳感器第八章第八章 振動(dòng)的測量振動(dòng)的測量振動(dòng)的概念從狹義上說：從狹義上說：通常把具有時(shí)間周期性的運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。通常把具有時(shí)間周期性的運(yùn)動(dòng)稱為振動(dòng)。從廣義上說：從廣義上說：任何一個(gè)物理量在某一數(shù)值附近作周期性的任何一個(gè)物理量在某一數(shù)值附近作周期性的 變化，都稱為振動(dòng)。變化，都稱為振動(dòng)。力學(xué)量（如位移）力學(xué)量（如位移）機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)電磁振動(dòng)電磁振動(dòng)電磁量（如電磁量（如I 、V、 E、 B）機(jī)械振動(dòng)：機(jī)械振

2、動(dòng)：是物體在一定是物體在一定位置位置附近所作的附近所作的周期性周期性往復(fù)的運(yùn)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)：就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)：就是指圍繞其靜平衡位置作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。的機(jī)械系統(tǒng)，單擺就是一種簡單的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。 構(gòu)成機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的基本要素有構(gòu)成機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的基本要素有慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性、恢復(fù)性和阻尼。慣性慣性就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去的性質(zhì)，就是能使系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)持續(xù)下去的性質(zhì)，恢復(fù)性恢復(fù)性就是就是能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，能使系統(tǒng)位置恢復(fù)到平衡狀態(tài)的性質(zhì)，阻尼阻尼就是能使系統(tǒng)就是能使系統(tǒng)能量消耗掉的性質(zhì)。這三個(gè)

3、基本要素通常分別由物理參數(shù)能量消耗掉的性質(zhì)。這三個(gè)基本要素通常分別由物理參數(shù)質(zhì)量質(zhì)量M、剛度、剛度K和阻尼和阻尼C表征。表征。機(jī)械振動(dòng)分強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)自激振動(dòng)兩種類型強(qiáng)迫振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)：是物體受到一個(gè)周期變化的外力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)。如在磨削過程中，由于電動(dòng)機(jī)、高速旋轉(zhuǎn)的砂輪及皮帶輪等不平衡，三角皮帶的厚薄或長短不一致，油泵工作不平穩(wěn)等，都會(huì)引起機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，它將激起機(jī)床各部件之間的相對振動(dòng)幅值， 影響機(jī)床加工工件的精度， 如粗糙度和圓度。對于刀具或做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，振動(dòng)還會(huì)影響回轉(zhuǎn)精度。自激振動(dòng)（顫振）自激振動(dòng)（顫振） 由振動(dòng)系統(tǒng)本身在振動(dòng)過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振

4、動(dòng)，就是自激振動(dòng)。即使不受到任何外界周期性干擾力的作用，振動(dòng)也會(huì)發(fā)生。如在磨削過程中砂輪對工件產(chǎn)生的摩擦?xí)鹱约ふ駝?dòng)。工件、機(jī)床系統(tǒng)剛性差，或砂輪特性選擇不當(dāng)，都會(huì)使摩擦力加大，從而使自激振動(dòng)加劇?；蛴捎诘毒邉傂圆?、刀具幾何角度不正確引起的振動(dòng)，都屬于自激振動(dòng)。振動(dòng)產(chǎn)生的原因強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因：強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因：1.機(jī)床上回轉(zhuǎn)件不平衡所引起的周期性變化的離心力。如由于電機(jī)或卡盤、皮帶輪回轉(zhuǎn)不平衡引起的。2.機(jī)床傳動(dòng)零件缺陷所引起的周期性變化的傳動(dòng)力。如因刀架、主軸軸承、拖板塞鐵等機(jī)床部件松動(dòng)或齒輪、軸承等傳動(dòng)零件的制作誤差而引起的周期性振動(dòng)。3. 切削過程本身不均勻性所引起的周期性變化的切

5、削力。如車削多邊形或表面不平的工件及在車床上加工外形不規(guī)則的毛坯工件。4.往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)產(chǎn)生的慣性沖擊。如平面磨削過程的方向改變或瞬時(shí)改變機(jī)床的回轉(zhuǎn)方向。5.由外界其他振源傳來的干擾力。在鍛造車間附近，因空氣錘的振動(dòng)引起其他機(jī)床的強(qiáng)迫振動(dòng)，甚至共振。自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因:1.切削過程中，切屑與刀具、刀具與工件之間摩擦力的變化。2.切削層金屬內(nèi)部的硬度不均勻。在車削補(bǔ)焊后的外圓或端面而出現(xiàn)的硬度不均現(xiàn)象，常常引起刀具崩刀及車床自振現(xiàn)象。3.刀具的安裝剛性差，如刀桿尺寸太小或伸出過長，會(huì)引起刀桿顫動(dòng)。4.工件剛性差。如加工細(xì)長軸等剛性較差工件，會(huì)導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)波紋或錐

6、度。5.積屑瘤的時(shí)生時(shí)滅，使切削過程中刀具前角及切削層橫截面積不時(shí)改變。研究機(jī)械振動(dòng)的意義多數(shù)情況，機(jī)械振動(dòng)是有害的，振動(dòng)會(huì)破壞機(jī)器的正常工作，振動(dòng)的動(dòng)載荷使機(jī)器加快失效甚至損壞造成事故，降低機(jī)器設(shè)備的使用壽命。機(jī)械振動(dòng)還直接或間接產(chǎn)生噪聲，惡化勞動(dòng)條件和環(huán)境，影響人類的健康，成為現(xiàn)代一種嚴(yán)重的公害。機(jī)械振動(dòng)也有可以利用的一面：如輸送輸送，夯實(shí)夯實(shí)，搗固搗固，清洗清洗，脫水脫水，時(shí)效時(shí)效等振動(dòng)機(jī)械，只要設(shè)計(jì)合理，他們都有耗能小，效率高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。時(shí)效處理：時(shí)效處理：指合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形或鑄造，鍛造后，在較高的溫度放置或室溫保持其性能，形狀，尺寸隨時(shí)間而變化的熱處理工藝。若采用

7、將工件加熱到較高溫度，并較短時(shí)間進(jìn)行時(shí)效處理的時(shí)效處理工藝，稱為人工時(shí)效處理，若將工件放置在室溫或自然條件下長時(shí)間存放而發(fā)生的時(shí)效現(xiàn)象，稱為自然時(shí)效處理。對在低溫或動(dòng)載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理的目的，是為了消除工件的殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機(jī)械性能等。 例如：為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250）精加工前，把工件重新加熱到100-150，保持5-20小時(shí)。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，振動(dòng)理論研究已發(fā)展到較高的水平，可以從理論上分析許多重要而復(fù)雜的振動(dòng)問題。但生產(chǎn)實(shí)際中遇到的許多機(jī)械設(shè)備，一般都

8、是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，往往要做許多簡化后才能解析地進(jìn)行理論分析，最終采取實(shí)驗(yàn)手段來驗(yàn)證理論分析的重要性。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)對各種機(jī)械提出了低振級和低噪聲的要求，要求各種結(jié)構(gòu)具有高的抗震能力，有必要進(jìn)行機(jī)械動(dòng)力結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)，這些都離不開振動(dòng)的測量。 在現(xiàn)代生產(chǎn)中，為了使設(shè)備安全運(yùn)行，并保證產(chǎn)品質(zhì)量，往往需要檢測設(shè)備運(yùn)行中的振動(dòng)信息，進(jìn)行工況監(jiān)測和故障診斷，這些都需要通過振動(dòng)的測試和分析才能實(shí)現(xiàn)。總之，機(jī)械振動(dòng)的測試在生產(chǎn)和科研的許多方面占有重要的地位，振動(dòng)測試作為一種現(xiàn)代技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，建筑工程，地球物理勘探，生物醫(yī)療等各個(gè) 領(lǐng)域。機(jī)械振動(dòng)測試研究內(nèi)容機(jī)械振動(dòng)測試的內(nèi)容大致分為

9、兩類：機(jī)械振動(dòng)測試的內(nèi)容大致分為兩類：振動(dòng)基本參數(shù)的測量：振動(dòng)基本參數(shù)的測量：對振動(dòng)物體上某點(diǎn)的位移，速度，加速度，頻率和相位等參數(shù)進(jìn)行測試。其目的是了解被測對象的振動(dòng)狀態(tài)，評定振動(dòng)量級，或?qū)ふ艺鹪?，以及進(jìn)行監(jiān)測，識別，診斷和預(yù)估。結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測試：結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測試：對結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行某種激勵(lì)，對其受迫振動(dòng)進(jìn)行測試。其目的是要求被測對象的振動(dòng)力學(xué)參量和動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率，剛度，阻抗，響應(yīng)和模態(tài)等。這類測試又可分為振動(dòng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，機(jī)械阻抗試驗(yàn)，頻率響應(yīng)試驗(yàn)等。振動(dòng)測試系統(tǒng)的組成振動(dòng)基本參數(shù)的測試系統(tǒng)：振動(dòng)基本參數(shù)的測試系統(tǒng)：因?yàn)檎駝?dòng)基本參數(shù)的測量，其被測對象是振動(dòng)的，所以這類測

10、試的振動(dòng)傳感器可根據(jù)測試要求安裝在被測對象測點(diǎn)上，常用測振系統(tǒng)原理如下圖。發(fā)電型傳感器前置放大器微積分放大器參數(shù)型傳感器 調(diào)制器，測量電橋放大器解調(diào)器載波發(fā)生器分析儀器指示記錄儀器 一些傳感器，如磁電式速度傳感器，可以將其輸出電信號直接輸入放大器進(jìn)行放大。而另一些傳感器，如壓電式加速度傳感器，其輸出電信號則必須進(jìn)行預(yù)放大再輸入放大器，這是因?yàn)閴弘娛郊铀俣葌鞲衅魇且粋€(gè)能產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件，但由于產(chǎn)生的電荷總量級小，難以直接傳輸；同時(shí)，由于一般測量儀器的輸入阻抗不可能很高，此微弱電荷又極易在測量電路的輸入電阻上被釋放掉，所以要求連接壓電加速度傳感器測量或放大裝置必須有較高的輸入阻抗，并且將壓

11、電式加速度傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，以便與主放大器連接。 根據(jù)振動(dòng)測試的目的及要求，可以把經(jīng)過放大的電信號直接輸入指示記錄儀器，將振動(dòng)的時(shí)間歷程記錄顯示出來；也可以把該信號先輸入到分析儀器進(jìn)行必要的參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，如頻譜分析，相關(guān)分析以及功率譜分析等，然后再記錄顯示。結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)： 對結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試，首先應(yīng)該對被測對象施加一定的外力，激勵(lì)被測對象，使它按照測試的要求做受迫振動(dòng)或自由振動(dòng)，再由測振傳感器及其測振儀器測取被測對象對激勵(lì)的響應(yīng)，所測取的振動(dòng)信號往往要根據(jù)測試目的輸入相應(yīng)的振動(dòng)分析儀器（如頻譜分析儀，快速傅立葉分析儀，電

12、子計(jì)算機(jī)）進(jìn)行信號分析與處理，以獲得測試項(xiàng)目所要求的結(jié)果，然后進(jìn)行記錄顯示。 所以結(jié)構(gòu)和部件的動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)一般由振動(dòng)，測振，信號分析與記錄顯示四部分組成。測振，信號分析，與記錄顯示部分的系統(tǒng)組成與振動(dòng)基本參數(shù)的測量系統(tǒng)組成基本相同。下面著重介紹激振方式和激振器。激勵(lì)方式激勵(lì)方式穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方法穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方法 這是一種測量頻率響應(yīng)的經(jīng)典方法，它提供給被測系統(tǒng)的激勵(lì)信號是一個(gè)具有穩(wěn)定幅值和頻率的正弦信號，測出激勵(lì)大小和響應(yīng)大小，便可求出系統(tǒng)在該頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)的大小。 激勵(lì)系統(tǒng)激勵(lì)系統(tǒng)一般由正弦信號發(fā)生器、功率放大器和電磁激振器組成，測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)由跟蹤濾波器、峰值電壓表和相位計(jì)組成。優(yōu)

13、點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 激振功率大，信噪比高，能保證響應(yīng)對象的測試精度。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 需要很長的測試周期才能得到足夠精確度的測試數(shù)據(jù)，尤其對小阻尼對象，為了達(dá)到穩(wěn)態(tài)，要求有足夠長的時(shí)間。穩(wěn)態(tài)正弦激振使用的激振器以及儀器設(shè)備比較通用，測試的可靠性也較高，成為一種常用的激振方法。瞬態(tài)激勵(lì)方法瞬態(tài)激勵(lì)方法 瞬態(tài)激勵(lì)方法給被測系統(tǒng)提供的激勵(lì)信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，即一次同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成份的能量和使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測試方法。同時(shí)由于測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。 目前常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍松弛激勵(lì)等方法，下面分別

14、討論和介紹。 快速正弦掃描：快速正弦掃描： 這種測試方法是使正弦激勵(lì)信號在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信號頻率在掃描周期激振信號頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定。掃描信號的頻譜曲線幾乎是一根平坦的曲線，從而能達(dá)到寬頻帶激勵(lì)的目的。脈沖錘擊激勵(lì)：脈沖錘擊激勵(lì)： 脈沖錘擊激勵(lì)是用脈沖錘對被測系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，給系統(tǒng)施加一個(gè)脈沖力，使之發(fā)生振動(dòng)。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜曲線，所以它是一種寬頻帶的快速激勵(lì)方法。階躍松馳激勵(lì)階躍松馳激勵(lì) 在實(shí)際應(yīng)用中，常常是在擬定的激振點(diǎn)處，用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過力傳感器對系統(tǒng)預(yù)加

15、載，使他產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦。這就相當(dāng)于對該結(jié)構(gòu)施加一個(gè)負(fù)的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振，在建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試中這種激振方法用的十分普遍。隨機(jī)激勵(lì)方法：隨機(jī)激勵(lì)方法：純隨機(jī)激勵(lì) 理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，理想的純隨機(jī)信號是具有高斯分布的白噪聲，它在整個(gè)時(shí)間歷程上是隨機(jī)的，不具有周期性，在頻率域上它是一條幾乎平坦的直線。( )( )( )xyxSfH f Sf 隨機(jī)激振一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號發(fā)生器作為信號源，是一種寬帶激振方法。白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號，其自相關(guān)函數(shù)也是在 處形成陡峭的峰，只要時(shí)間常數(shù)稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就很快衰減，其自功率譜密度函數(shù)也接

16、近為常值。當(dāng)白噪聲信號通過功率放大器控制激振器時(shí)，由于功放和激振器的通頻帶不是無限寬的，所得激振力頻譜不再是在整個(gè)頻域中保持常數(shù)。但它任然是一種寬帶激振，能夠激起被測對象在一定的頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)。配合頻譜分析儀，利用 可以得到被測對象的頻率響應(yīng)。0( )( )( )xyxSfH f Sf偽隨機(jī)激勵(lì)：偽隨機(jī)激勵(lì)：v 偽隨機(jī)信號是一種有周期性的隨機(jī)信號，它在一個(gè)周期內(nèi)的信號是純隨機(jī)的，但各個(gè)周期內(nèi)的信號是完全相同的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)的可重復(fù)性。v 將白噪聲在T內(nèi)截?cái)啵缓蟀粗芷赥反復(fù)重復(fù)，即形成偽隨機(jī)信號。白噪聲發(fā)生器所提供的信號是完全隨機(jī)的。工程上有時(shí)希望能重復(fù)試驗(yàn)，就用偽隨機(jī)信號或用

17、計(jì)算機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼作為隨機(jī)激振信號。激振器激振器電動(dòng)式激振器電動(dòng)式激振器當(dāng)Fi以簡諧規(guī)律變化時(shí)，則作用在激振對象上的力F也為同頻率的簡諧力，在使用時(shí)，往往在頂桿與激振對象之間加一個(gè)力傳感器，以精確地測出激振力F(t)工作原理：工作原理： 驅(qū)動(dòng)線圈7固裝在頂桿4上，并由支承彈簧1支承在殼體2中，線圈7正好位于磁極5與鐵芯6的氣隙中。線圈7通入經(jīng)功率放大后的交變電流i時(shí)，根據(jù)磁場中載流體受力的原理，線圈將受到與電流i成正比的電動(dòng)力作用，此力通過頂桿傳給被測對象上便是所需要的激振力。q 為了使激振器的能量盡量用于激振對象的激勵(lì)上, 在激振時(shí)最好讓激振器基座在空間基本上保持靜止：q 在高頻激振時(shí)，往往

18、用彈簧將激振器懸掛起來，降低安裝的自然頻率，使之低于激振頻率的l3；q 在低頻激振時(shí)，則將激振器的基座與靜止的地基剛性相連，使安裝的自然頻率高于激振頻率3倍以上。 激振器安裝原則：激振器安裝原則：電磁式激振器電磁式激振器電磁激振器是非接觸式的，其頻率上限約為500800Hz。 電磁式激振器直接利用電磁力作為激振力，常用于對 被測對象非接觸式的相對激振，其結(jié)構(gòu)如上圖所示。鐵心2上裝有激勵(lì)線圈3，當(dāng)激勵(lì)線圈通過電流時(shí)，鐵心將對銜鐵5電磁吸力。 激勵(lì)線圈包括一組直流線圈和交流線圈，恒力激振時(shí)，直流勵(lì)磁線圈單獨(dú)工作，鐵心內(nèi)產(chǎn)生不變的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以得到恒定的電磁吸力；交變力激振時(shí)，直流勵(lì)磁線圈和交流勵(lì)磁線圈共同工作，且直流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的不變磁感應(yīng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值，可以得到與交變磁感應(yīng)波形基本相同的交變電磁吸引力波形。脈沖錘脈沖錘 脈沖錘是一種產(chǎn)生瞬態(tài)激勵(lì)力的激振器，它由錘體、手柄和可以調(diào)換的錘頭和配重組成，通常在錘體和