隨機振動及試驗技術(第七講)隨機振動試驗與控制技術

隨機振動及試驗技術授課教師：艾延廷

飛行器動力與能源工程學院2023/2/61第10章隨機振動試驗與控制技術

10.1概述隨機振動試驗的必要性:代替現(xiàn)場試驗,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,減少開發(fā)成本。實驗室再現(xiàn)的可能性：新的試驗方法及標準的制訂，新設備的研制，使實驗室中的實驗等在一定程度上再現(xiàn)現(xiàn)場情況。隨機振動試驗分類：（1）耐久性試驗：也叫強度試驗，用于評價結構或試件的抗隨機振動特性，研究其強度破壞及疲勞壽命等問題。2023/2/62第10章隨機振動試驗與控制技術

10.1概述（2）功能試驗：研究在隨機振動環(huán)境下結構或試件的功能特性。主要是檢驗結構或試件在使用振動環(huán)境下是否產(chǎn)生功能性故是否失靈以及各機件的連接、固定、安裝變形及間隙之類的工藝要求是否受到破壞等。（2）響應試驗：對振動結構作動力響應特性試驗是現(xiàn)代產(chǎn)品的安全、可靠、經(jīng)濟、適用不可或缺的研究環(huán)節(jié)。2023/2/63第10章隨機振動試驗與控制技術

10.2隨機振動的等價條件隨機振動是不確定的，如何再現(xiàn)，需要等價條件。（1）幅值域：均值、方差和均方值。（2）時差域：自相關函數(shù)。（3）自功率譜密度函數(shù)。對于多輸入系統(tǒng)，還要進行互相關函數(shù)和互譜密度的模擬。隨機振動等價：兩個隨機振動的全部統(tǒng)計特性相同。但用如下特性實現(xiàn):2023/2/64第10章隨機振動試驗與控制技術

單一隨機振動模擬的等價條件討論。設現(xiàn)場隨機振動為,與等價首先是：

（1）均值（2）標準差由（2）和（1）導出，說明隨機振動與的振動總能量及其靜態(tài)分量都相等。（3）

分別是與的峰值對應的頻率。

(10.1)(10.2)(10.3)2023/2/65第10章隨機振動試驗與控制技術

（4）

條件（3）、（4）表示含有振動能量極大值的頻率成分相同，而且這些頻率上的振動能量大小也相同。條件（1）、（2）表示下面的面積相等。

要求嚴格時，有(10.4)(10.5)2023/2/66第10章隨機振動試驗與控制技術

10.3隨機振動環(huán)境模擬10.3.1關于振動模擬隨機振動的等價條件主要是模擬試驗與現(xiàn)場試驗的功率譜相等。模擬實驗實物實驗模型實驗模擬方式振源模擬響應模擬失效模擬振源模擬要滿足：(10.6)(10.7)2023/2/67第10章隨機振動試驗與控制技術

當振源數(shù)據(jù)難以獲得時，采用響應模擬：(10.6)(10.7)10.3.2有限點模擬(10.8)

模擬(a)圖中1點響應，只需改變輸入即可。2023/2/68第10章隨機振動試驗與控制技術

式中，表示系統(tǒng)的諸頻率響應函數(shù)，表示響應觀測點，激振點。(10.9)2023/2/69要給、、（同）的實部、虛部共四個量以一組確定的值，只要調(diào)整、、的實部和虛部四個量即可。也就是說，要想精確模擬兩個點處的響應譜密度及它們之間的互譜密度，最少需要兩個激振器。第10章隨機振動試驗與控制技術

10.3.3用一個激振器多點模擬2023/2/610第10章隨機振動試驗與控制技術

現(xiàn)場振動：(10.9)模擬實驗時：(10.11)若調(diào)整，使：則要求：(10.10)(10.12)2023/2/611第10章隨機振動試驗與控制技術

顯然可以實現(xiàn)。如果令：2點處運動的功率譜(10.13)(10.14)則(10.15)2023/2/612第10章隨機振動試驗與控制技術

同時還可以推導出：如果令因此當、兩個條件滿足時，就可獲得1、2兩點處運動的正確模擬。但這兩個條件不能精確滿足。當系統(tǒng)的各階固有頻率相互離得很遠，且各階模態(tài)阻尼很小時，近似滿足上面條件，此時在各階固有頻率附近，就可以用一個激振器近似模擬兩點的運動。(10.17)則(10.16)2023/2/61310.4.1正弦振動試驗系統(tǒng)

第10章隨機振動試驗與控制技術

10.4振動試驗系統(tǒng)分類（1）定頻試驗在一個或幾個頻率下進行定頻試驗，以考核試件的抗振能力和耐振強度。（2）正弦掃描（掃頻）試驗規(guī)定量級，正弦激勵信號的頻率隨時間變化。2023/2/614第10章隨機振動試驗與控制技術

A.線性掃描掃描的時間：B.對數(shù)掃描或：(10.18)(10.19)(10.20)2023/2/615

由（10.20）知，以對數(shù)掃描率在頻帶內(nèi)單向掃描一次所發(fā)生的總的振動次數(shù)N表示為：第10章隨機振動試驗與控制技術

工程中常用倍頻程掃描，表示為：k-單位時間內(nèi)掃過頻率的倍頻程數(shù)目，稱為倍頻程掃描率。取(10.21)用于計算疲勞試驗次數(shù)。2023/2/616第10章隨機振動試驗與控制技術

*帶谷不帶谷之分：試驗時，振動臺面對試件的激勵位移幅值或加速度幅值保持某個預定數(shù)值。實際情況下，激勵可能是力，或者是運動參數(shù)，但量值不是保持不變。因此在某些頻段內(nèi)，可能出現(xiàn)過試驗。為此，采用控制臺面的運動參數(shù)自動適應共振引起使運動參數(shù)量值下降，因而在譜圖上出現(xiàn)谷值。**慢速掃描：環(huán)境試驗，尋找共振點，信噪比低。*快慢之分**快速掃描：線性度好，用于模態(tài)分析的激勵技術，信噪比高2023/2/61710.4.2隨機振動試驗系統(tǒng)

第10章隨機振動試驗與控制技術

（1）模擬式隨機振動試驗系統(tǒng)

A均衡的概念均衡是對不同頻段上功率放大器的輸入信號進行不同程度的放大和衰減，使振動臺的振動或者試件上某點的振動達到預定的要求。也就是說，均衡是對不同頻段上的振動能量進行重新分配，以實現(xiàn)隨機振動控制。2023/2/618第10章隨機振動試驗與控制技術

B“峰-谷”均衡器“峰-谷”均衡器是由變Q與變通帶濾波器組成。有幾對峰-谷就需幾個均衡器串聯(lián)起來。2023/2/619第10章隨機振動試驗與控制技術

C多通道濾波均衡系統(tǒng)

將試驗頻率范圍劃分成若干離散的濾波器頻帶，然后調(diào)每個頻帶增益，以達到均衡的目的。（2）數(shù)字控制振動試驗系統(tǒng)A功率譜再現(xiàn)式隨機振動實驗1）功率譜再現(xiàn)式隨機振動實驗*寬帶隨機試驗2023/2/620第10章隨機振動試驗與控制技術

2023/2/621第10章隨機振動試驗與控制技術

*窄帶隨機試驗圖6.16窄帶隨機振動2023/2/622第10章隨機振動試驗與控制技術

*掃頻隨機振動試驗：用窄帶隨機信號對很寬的實驗頻段掃描激振。圖6.17窄帶隨機試驗譜型2023/2/623第10章隨機振動試驗與控制技術

*寬帶隨機+正弦定頻圖7.2隨機振動自功率譜法原理圖*寬帶隨機+正弦掃描實驗2023/2/624第10章隨機振動試驗與控制技術

圖7.8波形再現(xiàn)原理示意圖2）波形再現(xiàn)式控制系統(tǒng)：不丟失相位，但再現(xiàn)的頻率范圍較低。2023/2/625第10章隨機振動試驗與控制技術

10.5激振設備的選擇與安裝10.5.1振動試驗臺(1)振動試驗臺的類型和特點類型激振器特點機械振動臺直接作用式:利用凸輪直接驅動工作臺.

載荷和推力很大，比較容易在同一臺面上實現(xiàn)不同方向的振動，價格低廉，工作可靠，使用維護方便。工作頻率范圍窄，加速度失真較大?？蓾M足實驗方法中低頻段實驗要求，適用于中小型整機、儀器、儀表、家用電器及零部件振動試驗。慣性式:利用不平衡質(zhì)量旋轉產(chǎn)生的離心力作為激振動力,一般用彈性元件支承.可分為共振區(qū)工作和超共振區(qū)工作兩種.2023/2/626第10章隨機振動試驗與控制技術類型激振器特點電動振動臺由恒定的磁場和位于磁場中通有一定交變電流的線圈相互作用而產(chǎn)生出一定的激振力。

工作頻率寬，振動波形好，易于自動控制，操作調(diào)節(jié)方便；但結構復雜，價格較昂貴，載荷和工作臺面不大，某些振動臺漏磁場較大。可滿足試驗方法中規(guī)定的5Hz以上的各頻段試驗要求，適用于各類電子器件的振動試驗。配備附加臺面和水平臺，還可適用中小型整機振動試驗。類型激振器特點液壓振動臺通過一定的能量轉換裝置,將油泵流出的高壓流體的能量轉換成激振力，以驅使振動臺往復運動。常用的轉換裝置是由電液伺服閥和液壓作動筒組成,亦稱”電液”振動臺。下限頻率低，較能容易地實現(xiàn)大推力,重載荷、大位移，易于自動控制，對試品無磁場影響；但設備復雜，價格昂貴，設備基礎要求高。可滿足試驗方法中低、中頻段的試驗要求，試用于地震、船舶、拖拉機等行業(yè)的各類產(chǎn)品試驗。2023/2/627第10章隨機振動試驗與控制技術類型激振器特點電磁振動臺由電磁鐵和磁性材料相互作用產(chǎn)生激振力，以驅動振動臺往復運動。結構簡單，價格低廉，但頻率單一，若需要其它工作頻率，控制復雜，功耗大。主要用于振動機械，很少用于振動試驗。壓電振動臺由壓電元件的壓電效應的激振力來驅動工作臺。工作頻率范圍可達20-10000Hz以上，但激振力很小，僅用于小型薄壁件的試驗。磁致伸縮振動臺由磁致伸縮元件磁致伸縮效應產(chǎn)生的激振力來驅動工作臺。工作頻率可達上萬Hz，可用來作超聲波激振。2023/2/628第10章隨機振動試驗與控制技術

(2)電動振動臺A.電動振動臺的原理和結構

電動振動臺是將電能轉換為機械能的換向器?；竟ぷ髟硎腔谳d流導體在磁場中要受到電磁力作用的安培定律。如圖所示，電動振動臺的推力為:式中，B為環(huán)行氣隙中磁感應強度（wb/m2）,l為動圈繞線的有效長度（m），動圈中的電流（A）。電動振動臺工作原理圖2023/2/629第10章隨機振動試驗與控制技術

電動振動臺主要由活動系統(tǒng)（驅動線圈和工作臺）、磁路系統(tǒng)、彈性支承系統(tǒng)、導向系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成，如圖所示。電動振動臺結構示意圖導向機構的作用是限制振動臺的橫向運動，彈性支承系統(tǒng)則用來產(chǎn)生恢復力和支承力，冷卻系統(tǒng)用強迫冷卻來降低溫升。2023/2/630第10章隨機振動試驗與控制技術

B.電動振動臺的動力學參數(shù)

電動振動臺的推力是指振動臺負載情況下輸出的總推力，包括無用推力和有用推力兩部分。

電動振動臺的動力學參數(shù)：推力、激振頻率、固有頻率、彈性元件剛度、參振質(zhì)量等。無用推力F0是振動臺體活動部分消耗的推力，即：為振動臺體活動部分質(zhì)量；為振動臺空載最大加速度幅值。當振動臺負載質(zhì)量為零時，臺體推力全部消耗在推動自身活動部分質(zhì)量上，此時有用推力為零。2023/2/631第10章隨機振動試驗與控制技術

推力－負載－加速度曲線圖振動臺額定寬帶推力計算：2023/2/632的確定：在頻率與標準電流的條件下，測量空載臺面加速度和負載為的工作臺面加速度，等效質(zhì)量為：第10章隨機振動試驗與控制技術

式中為規(guī)定的試驗負載，為活動部分的等效質(zhì)量；為隨機振動的方均值加速度。式中，為包含激勵頻率和運動部分懸掛固有頻率的修正項。2023/2/633第10章隨機振動試驗與控制技術

C.電動振動臺的基本參數(shù)及技術指標

最大推力:

頻率范圍:振動臺允許的工作頻率范圍

最大載荷：振動臺+試件+夾具的最大質(zhì)量;偏載力矩;振動臺所能承受的最大扭矩。

最大振幅：空載最大加速度幅值；負載最大加速度幅值；最大速度幅值；最大位移幅值。2023/2/634第10章隨機振動試驗與控制技術C.電動振動臺的基本參數(shù)及技術指標

加速度波形失真度

臺面加速度幅值均勻度：

頻率指示誤差

頻率穩(wěn)定度2023/2/635第10章隨機振動試驗與控制技術C.電動振動臺的基本參數(shù)及技術指標加速度幅值指示誤差定振精度差：振動臺空載和滿載，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，以規(guī)定的掃描速率進行定位移-定加速度幅值自動往復掃描的過程中，電平記錄儀測量記錄的定振頻率特性曲線的最大不平坦度（以dB計）。

臺面漏磁輻射噪聲最大聲級臺面溫度：振動臺空載，在機電共振頻率上，已空載最大加速度幅值作定頻振動，按規(guī)定的連續(xù)工作時間連續(xù)運行，臺面溫度的最大值。2023/2/636第10章隨機振動試驗與控制技術本底噪聲加速度：接通振動臺電源，激磁、冷卻裝置及功率放大器均處于工作狀態(tài)，在控制裝置的輸出信號為零時，臺面產(chǎn)生的噪聲加速度的有限值。（3）功率放大器功率放大器是電動臺的推動電源，它把來自信號源的小功率信號放大，供給驅動線圈足夠的不失真功率驅動電源。（4）振動控制儀功能：產(chǎn)生頻率和波形都能滿足要求的激勵信號，并按著試驗規(guī)范的要求調(diào)節(jié)振動量級以實現(xiàn)可控制的振動試驗。2023/2/637第10章隨機振動試驗與控制技術

2023/2/638第10章隨機振動試驗與控制技術

（1）為振動臺功率放大器（或伺服放大器）提供正弦掃描信號電壓，頻率上限、頻率下限、掃頻速率可調(diào)節(jié)，在整個頻率范圍內(nèi)以不同的速率進行線性或指數(shù)掃頻。（2）對臺體產(chǎn)生的加速度、速度、位移能夠精確地定振，使其符合試驗規(guī)范要求的定振動幅值的容差范圍。（3）在較寬的頻程序進行定位移、定速度、定加速度交越控制。（4）能設定往復次數(shù)，完成試驗后自動停機。（5）有輸出接口，便于與振動分析儀、記錄儀連接。（A）正弦振動控制儀功能：

2023/2/639第10章隨機振動試驗與控制技術

（B）隨機振動控制系統(tǒng)（5）有輸出接口，便于與振動分析儀、記錄儀連接。2023/2/640第10章隨機振動試驗與控制技術

10.5.2激振器-無臺面（1）分類（2）激振器的安裝與使用A電動式激振器的安裝方式*固定安裝方式*懸吊式安裝方式*彈性支承方式B激振器頂桿與試件的連接方式*拉壓式：用螺釘螺母直接聯(lián)接，適于結構剛度較小的柔性結構2023/2/641第10章隨機振動試驗與控制技術10.5.2激振器-無臺面（1）分類和特點類型名稱原理機械式慣性激振器單軸慣性激振器雙軸慣性激振器多軸慣性激振器利用偏心質(zhì)量旋轉時產(chǎn)生的離心慣性力作為激振力，可產(chǎn)生較大的激振力而尺寸較小，結構簡單，便于制造，波形不好，頻段窄，軸及軸承承受的動載荷大電氣式激振器電動式激振器利用通有交變電流的線圈在磁場中受力而激振力電磁式激振器（磁吸式、磁動式）利用交變磁場與恒定磁場疊加，對磁場內(nèi)活動銜鐵產(chǎn)生極化作用，使銜鐵受交變磁力而產(chǎn)生激振力渦流式激振器利用置于磁場中的試件和與其不接觸的通有交變電流的線圈間產(chǎn)生的渦流而形成激振力2023/2/642第10章隨機振動試驗與控制技術10.5.2激振器-無臺面（1）分類和特點類型名稱原理電氣式激振器（續(xù)）渦流式激振器利用置于磁場中的試件和與其不接觸的通有交變電流的線圈間產(chǎn)生的渦流而形成激振力壓電式激振器利用逆壓電效應，在壓電晶體兩極施加高頻交變電壓，晶體產(chǎn)生高頻激振力磁致伸縮式激振器利用鐵磁材料的磁致伸縮效應，當鎳鐵桿處于交變磁場中，會使桿產(chǎn)生拉伸和壓縮變形而產(chǎn)生相應的激振力液動、氣動式激振器液動式激振器利用一定的能量轉換裝置將液壓能換成往復運動的機械能而產(chǎn)生激振力氣動式激振器利用一定的能量轉換裝置將一定壓力的氣體能量轉換為往復運動的機械能而產(chǎn)生激振力2023/2/643第10章隨機振動試驗與控制技術（2）激振器的原理和結構機械式慣性激振器2023/2/644第10章隨機振動試驗與控制技術電動式激振器2023/2/645第10章隨機振動試驗與控制技術電磁式激振器2023/2/646第10章隨機振動試驗與控制技術渦流式激振器2023/2/647第10章隨機