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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100Hz。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2Hz一3Hz。,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50Hz。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0.5Hz-20Hz；惯性离心式振动台的有效频率范围为10Hz-70Hz，且振幅在大于0.1mm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。,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、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间变化的振动频率之间的关系；特别适用于试件作自由衰减振动时固有频率的测量,4、用记录信号波形与时标对比测量,用闪光灯照射物体，由小到大地调节闪光频率，当第一次看到振动物体好象静止或缓慢移动时，则闪光频率就等于或近似等于物体的振动频率（或回转体的回转频率）。闪光测频适用于较大的、明显可见振动位移的振动物体的频率测定。常用于测量回转体的回转频率,5、闪光测量频率,1、用振动测量仪测量,将信号输入仪器，根据仪器所指示的数值（或电压值），直接读出（或利用系统的电压灵敏度计算出）物体的振幅。大部分振动测量仪内设有积分、微分电路,二、简谐振动幅值的测量,2、用电压表测量,将信号输入仪器，根据仪器所指示的电压值及测量系统的电压灵敏度，即可计算出物体振动的幅值。测量值可以是位移、速度、加速度,将记录（或显示）的振动波形幅值的大小乘以相应的灵敏度（可由系统标定得到），即可得到物体振动的幅值。在实际振动波形的记录（或显示）图中，通常波形基线不易确定，故常读取波形的峰一峰值，再折算为振动峰值或有效值。测量值可以是位移、速度、加速度。,3、用记录信号波形的幅值测量,主要采用两种方法.1.用激光作光源的干涉仪来测量振幅，其振幅量级可以小至微米以下，精度高，结果可靠，因此常用于振动测量仪和传感器绝对标定。这种方法对测量要求严格，技术也较复杂2.采用激光全息摄影技术测量物体的振幅。这种方法具有敏感元件不与被测物表面接触、精度高，能观察微小振幅和较快获得振动物体整个表面的振幅分布等优点；但这种方法难以测量大型或曲面物体的振幅,4、光学法测量,用百分表（或千分表）固定在不动的基座（参考点）上作位移振幅的直接测量，或特制成惯性式测振器。这种测量方法，要求振动幅值大于表头的最小示值单位，且测量频率范围较低，其测量值为位移振幅的峰峰值。方法简单，但精度较低,5、百分表机械测量法,三、机械系统固有频率的测量,确定机械系统的固有频率，往往是一项很重要的工作，一般说来，通过理论及数值计算，可以估计系统固有频率的频率范围。（一般很费机时，且不准确）通过振动测量工作，则可以比较精确地确定系统的固有频率。测量机械系统的固有频率，一般采用两类方法：自由振动法和强迫振动法。,1、测量机械系统固有频率的自由振动法,1）初位移法在机械系统上加一个力，使系统产生一个初始位移，继而把力很快（突然）地卸除掉，机械系统受到突然释放，便开始作自由振动。右图是一悬臂梁受到重力W作用而产生初始位移后突然卸载作自由振动的例子。,初位移法示意图,2）敲击法（撞击法）,用榔头敲击机械系统，也能使系统产生自由振动。如果榔头敲击系统的时间足够的短，系统实际上是受到作用力P的冲量的作用冲击脉冲的作用。通过频谱分析可以看出，一个冲击脉冲包括了从零到无限大的所有频率的能量，并且它的频率谱是连续的，但是，只有在与机械系统的固有频率相同时，相应的频率分量才对此机械系统起作用，它将激励机械系统以其自身的低阶固有频率作自由振动。下图是悬臂梁受到冲击力P作用产生自由振动的例子。,敲击法示意图,在机械系统中，阻尼总是存在的，因此，系统的自由振动很快就被衰减了。于是，为了测量系统的固有频率，在实验中，通常需要把机械系统作衰减振动的波形、标准时间信号的波形同时记录下来，按照对比测量法，测定系统在衰减振动中的固有频率。,优点是方法比较简便；缺点是振动波形很快就衰减掉了,2、测量机械系统固有频率的强迫振动法,强迫振动法，实质上就是利用共振的特点（共振时振幅最大）来测量机械系统的固有频率，因此，这种方法也叫共振法。在振动测量中，产生强迫振动的方法很多，主要有以下几种。,1）调节转速的方法,逐步提高旋转机械的转速，并测量相应的振幅，当强迫振动的振幅最大的时候，就是机械系统共振的时候，发生共振时的转速叫做临界转速，用nc。表示。根据临界转速和固有频率的关系,就可以计算出机械系统的固有频率。,调节转速法示意图,2）调节干扰力频率的方法,(1)用电磁激振器激振。将激振器的顶杆顶在机械系统的某个部位上，并使功率放大器输人到激振器的电流保持不变，顶杆对机械系统作用一个幅值为常量并按正弦变化的电磁干扰力，以激励机械系统作强迫振动。逐步提高激振器的振动频率，下图为调节干扰力频率法示意图并测量出相应的振幅，找出共振频率，就找到了机械系统的固有频率。,调节干扰力频率法示意图,（2）将整个机械系统（实物或模型）安装在振动台台面上。振动台工作时，整个系统和振动台台面一起作正弦运动（即干扰位移），并使被测系统产生牵连惯性力。在牵连惯性力的作用下，被测系统将作强迫振动。逐步提高振动台位移的振动频率，并让振动台的幅值保持不变，测量出机械系统的相应的振幅，就可测量出机械系统的固有频率。,除以上两种激振方法外，还有晶体激振和声波激振等，它们主要用于薄壳叶片和薄膜结构系统中。总之，用强迫振动的方法测量机械系统的固有频率，能够得到稳态的振动波形，便于观测，不过它却需要一套能够激振机械系统作强迫振动的激振装置。用强迫振动法测量机械系统的固有频率，可测得机械系统的前几阶固有频率，比应用自由振动法可多得到几阶固有频率。若想得到更高阶的固有频率，可应用实验模态分析法。,四、阻尼比的测量,阻尼比的测定方法与固有频率的测定方法有相似之处，常用的方法也可以简单地分为频域法和时域法两大类。1.频域法测定原理也是利用结构的共振特性。常用的测定方法有：总幅值半功率点法、分量法和矢量法等图解计算法，以及利用频域响应数据的数字曲线拟合识别计算法（识别原理同于固有频率的数字曲线拟合法）。图解计算法方便、直观；数字曲线拟合法识别精度较高。,常用的阻尼比总幅值半功率点测定法，可利用结构响应的频响函数幅频曲线,2.时域法常用的方法有：（1）根据结构自由衰减振动的响应时间历程曲线的图解测定法，它测试简单、直观，但精确度差。（2）利用结构系统随机响应数据的时域数字拟合识别计算法（原理同固有频率的识别相似），它识别迅速、精度高，而且可以实现对结构各阶模态阻尼比的完全识别。利用结构自由衰减振动的响应时间历程记录曲线（见图）来测定阻尼比，方法十分简单。,对于单个构件或结构简单的部件，过去常用实现方便、直观，但准确度较差的探针法、砂型法。也有采用激光全息摄影法或用传感器读数法测定结构的振型。对于较复杂的部件、机器或结构，一般常用传感器直接读数的方法来确定结构的振型。这些方法由于受到测量手段、振动模态耦合，以及结构振动的“非纯”振型等因素的影响，所测定的振型，往往是较为近似的。,5、振型的测量,目前机械结构振型测定中，最为精确、快速、方便和适用范围广的方法，是试验模态分析法。利用试验模态分析法测定振型，既可用于实模态振动结构，又可用于复模态振动结构；既可用于结构的单点激振试验分析，又可用于结构的多点激振试验分析；既可用于模态稀疏分布的振型分析，又可用于密集模态的振型分析，等等。在一些具有模态分析功能的现代振动信号处理系统上，所分析的振型结果，可直接由屏幕进行立体动态活化显示，以至绘图输出。,(1)振型测定的试验模态分析方法,结构模态试验测试系统框图,(2)探针法激励试件，使它处于谐振状态，然后用探针依次接触试件上各点来探测节线位置，找出节线后即可定出振型。探针可用铝合金杆或细木杆制成。探针大小视试件大小而定。探测点是否在节线上，可通过传感器、测振仪和示波器观察试件的响应情况来判断。当探测点在节线上时，示波器上的振动波形不起变化，而在振动着的其他点上时，示波器上的波形就有变化。同时，也可以注意细听声音的变化来判断。有时在传感器上接装探针，则更易于观察,(3)砂型法在平放的试件表面上洒上细砂粒，激励试件。在共振状态下，试件振动部位上的砂粒跳动并逐渐移动和集中到节线附近，显示出节线的位置和形状。图为用砂型法得出的轴流式水轮机浆叶的三种低阶振型。此法的优点是简便、直观。但只适用于条状或板状可放置砂粒的试件；要求有足够大的振动加速度，使砂粒能较快地移动，测定高阶振型是，频率高、振动小，常常不足驱使砂粒移动。如遇到这种情况可用碳粉或软木细粉代替砂粒。,水轮机浆叶的三种低阶振型,(4)传感器逐点读数测定法用传感器及测振仪测出被测试结构上各点的振幅（或加速度）和相位，即可绘出其振型图。此法适用于测试大型、复杂和刚度较大的部件、机器或结构。测试时，应注意选用合适的传感器，使它的附加质量不致影响试件原来的振动状态。此法的测试原理，是建立在主导模态的共振特性上。因此，利用单点激励方式而激起的其余模态振型，必然会影响振型测定的正确性，尤其是测定较高阶的振型。为了保证此法的测试精确，最好采用多点激励方式，以激出结构的“纯”模态振型。,(5)谱分析法通过对被测构件上诸点振动位移响应数据的幅值谱、功率谱和互谱分析，即可获得结构振动的各阶振型。幅值谱可以给出每个测点在各频率点上相应的幅值大小，而通过互谱，则可建立起各测点间相对的相位关系，这样就确定了结构在各阶振动模态频率下的振型，即各阶振型。,第6节测试方案的拟定,振动测试，尤其是大型振动试验和现场测试，影响因素很多，为了保证测试成功，应当制定详细的测试方案，要根据测试目的确定测试方法和手段，研究测点布置和仪器安装方法，对测试中可能发生的问题和注意事项，事先应作周密考虑，达到进行有意义的测试。,(1)根据所要研究、解决的问题，确定需要测试的详细内容和测试方法；总的估计需要测量的振动类型和振级，判别是周期性振动，随机振动还是瞬态振动；选定测试的条件，是现场实测分析还是在实验室里作实物或模型的模拟试验，若确定作模型模拟，还应进一步合理地设计模型。,1、测试方案的主要内容与方案制定的步骤,(2)根据试验对象的情况（譬如尺寸、重量大小等）和频率范围，选用合适的激振设备及其配套的仪器，选定激振点的位置；考虑试件或激振器的安装方式（弹性支承或刚性紧固），夹具和激振推力杆的传递特性等，以便确定激振方案。,(3）根据测量要求，确定测点数目和位置分布；估计各测点上的振动型式、频率范围、振级和环境条件，选用合适的传感器及配套的电子仪器；仔细确定安装传感器的位置与安装方式，选定能代表被测对象特征的安装位置，并考虑传感器附加质量荷载对振动情况的影响。,(4）根据分析研究的要求和确定的测试方法与测量参数，选用合适的分析记录方式和仪器；作好测量记录，包括环境参数（如温度等）及电源参数的记录。并应考虑环境条件，如电磁场、湿度、温度与声场等各种因素对测试的影响。,(5)确定整个测试方案，绘制测量系统的工作方框图，以及仪器连接草图，标明仪器型号、规格和序号，以便于测试系统的安装和查校；检验和标定包括连接电缆在内的整个测量系统。,2、制定方案与进行试验应注意的问题,(1)传感器的安装方式,(2)接地方式不当,(3)考虑所测信号的振级和仪器的动态范围,(4)注意很多环境因素影响测试结果。,
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