实验指导.doc
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第二部分结构动力学
实验一结构振动测试系统及基本参数的测量
一、实验目的与要求
1、了解结构振动测试系统的基本组成、仪器设备的基本原理和操作方法。
2、学习简谐振动中的频率和幅值（位移、速度、加速度）的测量方法。
二、实验原理
1、结构振动测试系统一般由激振系统、传感器及放大系统、数据采集与处理三部分组成。
2、对于简谐振动：
位移
速度
加速度
三、实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：
振动台台面。
2、实验系统框图：
见图1-1。
图1-1振动基本参数测量实验框图
3、实验仪器：
（1）信号发生器：
用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2）功率放大器：
将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3）电磁式振动台：
振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4）加速度传感器：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5）速度传感器：
将被测系统的机械振动量（速度）转换成电量。
（6）位移传感器：
将被测系统的机械振动量（位移）转换成电量。
（7）电荷放大器：
将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（8）测振放大器：
将速度型测振传感器输出的较小的电流信号放大成可供检测的电压信号。
（9）位移放大器：
将位移型测振传感器输出的较小的电流信号放大成可供检测的电压信号。
（10）数据采集与分析系统：
记录和分析结构振动的各个参数。
四、实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。
然后打开各放大器、数据采集与分析系统。
3、将信号发生器置于正弦信号输出，输出频率为10Hz。
4、缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
5、记录各仪器的指示值。
6、根据各仪器的标定系数，确定振动台的振动（加速度、速度、位移）幅值。
7、改变振动频率（10-100Hz），每隔10Hz，重复4、5、6项的内容。
8、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。
整理好实验现场。
五、整理实验报告
表1-1结构振动基本参数测量
振动频率f=Hz
仪器读数
标定系数
实际幅值
加速度
速度
位移
实验二单自由度系统自由振动实验
一、实验目的与要求
1、记录小阻尼情况下衰减振动的时间----位移曲线，了解阻尼对自由振动的影响。
2、测量并计算单自由度系统的固有周期、固有频率、对数递减率δ和阻尼比ξ。
二、实验原理
单自由度系统在小阻尼下的自由振动是衰减振动，位移随时间的变化规律为：
，时间----位移曲线如下图所示：
图2-1自由振动衰减曲线
利用该曲线可以读出自由振动的固有周期T，进而可计算出自由振动的固有频率f。
利用该曲线还可以读出自由振动的两相临幅值Ai和Ai+1，由此可计算出对数递减率δ：
由对数递减率δ可得阻尼比：
为了避免偶然因素产生的误差，可以量测相隔n个周期的两个幅值，同样可以求得单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
并且实验精度会更高。
三、实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：
单自由度系统（质量块+弹性支撑杆）。
2、实验系统框图：
见图2-2。
图2-2单自由度系统自由振动实验框图
3、实验仪器：
（1）力锤：
用来发生激振信号。
（2）加速度传感器：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（3）电荷放大器：
将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（4）数据采集与分析系统：
记录和分析结构振动的各个参数。
四、实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开各放大器及数据采集与分析系统。
4、用力锤敲击质量块，使其产生自由衰减振动。
5、用数据采集与处理系统记录自由衰减振动时间历程曲线并打印。
6、根据自由衰减振动时间历程曲线确定和计算单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
7、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭电荷放大器的开关，关闭数据采集与分析系统。
整理好实验现场。
五、整理实验报告
1、给出自由衰减振动时间历程曲线。
2、根据自由衰减振动时间历程曲线计算单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
表2-1单自由度系统自由振动实验数据与计算结果
T
f
Ai
Ai+1（m）
δ
ζ
实验三单自由度系统受迫振动实验
一、实验目的与要求
1、测绘受迫振动的幅频特性曲线，了解干扰力频率对振幅的影响。
2、掌握通过受迫振动测试系统固有频率和阻尼的方法。
二、实验原理
单自由度有阻尼系统在简谐力作用下受迫振动的运动微分方程为
或
其中，为阻尼比。
稳态受迫振动的解为
式中
其中，为频率比。
称为考虑阻尼时动力放大系数，它为动力位移幅值与静力位移幅值的比值。
上式所确定的曲线称为幅频曲线。
三、实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：
单自由度阻尼系统。
2、实验系统框图：
见图3-1。
图3-1单自由度系统受迫振动实验框图
3、实验仪器：
（1）信号发生器：
用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2）功率放大器：
将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3）电磁式振动台：
振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4）加速度传感器：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5）电荷放大器：
将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（6）数据采集与分析系统：
记录和分析结构振动的各个参数。
四、实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。
然后打开各放大器及数据采集与分析系统。
3、将信号发生器置于正弦信号输出，输出频率为1Hz。
4、缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
5、记录各仪器的指示值。
6、根据各仪器的标定系数，确定质量块振动幅值。
7、改变振动频率（1-20Hz），每隔1Hz，重复4、5、6项的内容。
8、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。
整理好实验现场。
五、整理实验报告
1、幅频特性曲线实验数据记录
激振频率（Hz）
振动幅值（mm）
2、作出单自由度系统受迫振动幅频曲线。
并依此确定系统的自振频率。
3、根据半功率法确定单自由度系统的阻尼比。
实验四多自由度系统动力特性实验
一、实验目的与要求
1、了解多自由度系统动力特性。
2、掌握通过共振法测试多自由度系统固有频率和振型的方法。
3、观察各阶振型节点的个数及位置。
二、实验原理
多自由度系统振动的运动微分方程为
上式的通解可以表示为各个特解之和，设其中一组特解的形式为
由以上各式得
对自由振动，有
由上式可求得各阶主频率。
然后代入前式可进一步解出相应的振型。
用共振法可较方便地测试出多自由度系统的各阶主频率及振型。
三、实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：
多自由度系统（三自由度系统）。
2、实验系统框图：
见图4-1。
图4-1多自由度系统振动实验框图
3、实验仪器：
（1）信号发生器：
用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2）功率放大器：
将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3）电磁式振动台：
振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4）加速度传感器：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5）电荷放大器：
将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（6）数据采集与分析系统：
记录和分析结构振动的各个参数。
四、实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。
然后打开各放大器及数据采集与分析系统。
3、将信号发生器置于正弦信号输出，缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
4、调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第一阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
5、调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第二阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
6、调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第三阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
7、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。
整理好实验现场。
五、整理实验报告
1、记录多自由度系统的各阶主频率值。
阶数
1
2
3
主频率值（Hz）
2、作出多自由度系统前三阶振型图。
实验五悬臂梁实验模态分析实验
一、实验目的与要求
1、了解实验模态分析的基本原理和方法。
2、熟悉瞬态激励法模态分析的过程，掌握传递函数的测量方法。
3、采用瞬态法进行悬臂梁实验模态分析，测得前三阶模态参数。
二、实验原理
若系统的激励力为F（t）,响应为y（t），F（ω）和Y（ω）为它们的傅氏变换，则
假定在i个自由度上作用一个激振力，它的频率为ω，幅值为F，此时多自由度系统运动微分方程为
多自由度系统第l个自由度上的响应为
式中
响应的幅值与激振力的幅值之比称为频率响应函数。
如果把结构上n个自由度上所有任意两点的频率响应函数组成矩阵，有
式中，。
矩阵的任一行或任一列包含了模态的全部信息，测试时只要测试一行或一列即可。
三、实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：
悬臂梁。
2、实验系统框图：
见图5-1。
图5-1悬臂梁模态分析实验框图
3、实验仪器：
（1）力锤：
用来产生瞬态激振力。
（2）加速度传感器：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（3）电荷放大器：
将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（4）数据采集与分析系统：
记录和分析结构振动的各个参数。
四、实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开打开放大器及数据采集与分析系统。
3、固定激振点，在此点作激振，然后分别测试各测试的响应。
4、固定测试点，分别在各激振点激振，然后分别记录固定测试点的响应。
5、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭传感器放大器的开关，并关闭数
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