简支梁振动系统动态特性综合测试方法分析.docx
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简支梁振动系统动态特性综合测试方法分析
一、设计题目
简支梁振动系统动态特性综合测试方法。
二、设计任务
1.振动系统固有频率的测量。
2.测量并验证位移、速度、加速度之间的关系。
3.系统强迫振动固有频率和阻尼的测量。
4.系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量。
5.主动隔振的测量。
6.被动隔振的测量。
7.复式动力吸振器吸振实验。
三、所需器材
振动实验台、激振器、加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器、扫描信号源、动态分析仪、力锤、质量块、可调速电机、空气阻尼器、复式吸振器。
四、动态特性测量
1.振动系统固有频率的测量
（1）实验装置框图：
见（图1-1）
（2）实验原理：
对于振动系统测定其固有频率，常用简谐力激振，引起系统共振，从而找到系统的各阶固有频率。
在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，我们可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，这就是机械振动系统的某阶固有频率。
（图1-1实验装置图）
（3）实验方法：
①安装仪器
把接触式激振器安装在支架上，调节激振器高度，让接触头对简支梁产生一定的预压力，使激振杆上的红线与激振器端面平齐为宜，把激振器的信号输入端用连接线接到DH1301扫频信号源的输出接口上。
把加速度传感器粘贴在简支梁上，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道。
②开机
打开仪器电源，进入DAS2003数采分析软件，设置采样率，连续采集，输入传感器灵敏度、设置量程范围，在打开的窗口内选择接入信号的测量通道。
清零后开始采集数据。
③测量
打开DH1301扫频信号源的电源开关，调节输出电压，注意不要过载，手动调节输出信号的频率，从0开始调节，当简支梁产生振动，且振动量最大时（共振），保持该频率一段时间，记录下此时信号源显示的频率，即为简支梁振动固有频率。
继续增大频率可得到高阶振动频率。
④所得图形及数据分析：
（图1-2：
幅频特性曲线）
由幅频特性曲线可得到的数据：
表1-1：
实验所得数据
阶数
一阶
二阶
三阶
固有频率（Hz）
58.5938
183.5938
386.7188
幅值（mv）
2.8724
5.6004
6.5225
2.测量并验证位移、速度、加速度之间的关系
（1）实验装置与仪器框图：
见（图2-1）
（2）实验原理：
在振动测量中，有时往往不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。
振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用位移传感器或速度传感器、加速度传感器来测量。
设振动位移、速度、加速度分别为x、v、a，其幅值分别为X、V、A：
x=Bsin（ωt-ψ）（式2-1）
v=
=ωBcos（ωt-ψ）（式2-2）
（式2-3）
式中：
B一一位移振幅ω——振动角频率ψ——初相位
X=B
A=ω2B=（2πf）2B式（2-4）
（图2-1：
实验装置图）
振动信号的幅值可根据式（2-4）中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来测量。
也可利用动态分析仪中的微分、积分功能来测量。
（3）实验方法：
①安装激振器
把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的红线标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。
②连接仪器和传感器
把加速度传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道；把位移传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道；把速度传感器安装在简支梁的中部，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道。
③仪器参数设置
打开数采仪器的电源开关，开机进入DHDAS数采分析软件的主界面，设置采样频率、量程范围，输入加速度传感器、速度传感器和位移传感器的灵敏度。
输入方式：
压电传感器选AC，速度传感器选AC，位移传感器选SIN_DC；
打开三个窗口，分别显示三个通道的时间信号。
④采集并显示数据
调节扫频信号源的输出频率和信号幅值，使梁产生明显振动。
在三个窗口中读取当前振动的最大值（位移、速度、加速度）。
（4）实验数据：
（图2-2：
位移、速度、加速度时间曲线）
（5）实验结果与分析：
表2-1：
实验数据结果
位移X
速度V
加速度A
0.048
82.1416
3.9908
1.2670
综上所述，实验结果与计算结果大致相等。
3.系统强迫振动固有频率和阻尼的测量
（1）实验步骤：
①分析软件进入到频响函数分析模块。
②设置信号源频率，起始频率：
0Hz，结束频率：
100Hz，线性扫频间隔：
1Hz/s。
③设置分析软件，平均方式：
峰值保持；信号显示窗口内，选择显示频响函数1-3/1-2曲线；
④开始采集数据，输出扫频信号给激振器。
直到扫频信号达到结束频率，手动停止扫频。
（2）数据处理：
频响函数曲线类似下图：
（图3-1：
频响函数曲线）
由频响函数图像可知，系统固有频率f0=51.8HZ，f1=50.9HZ，f2=55.4HZ
阻尼比
4.系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量
（1）实验装置框图：
（图4-1：
实验装置框图）
（2）实验方法：
①将测试系统连接好将加速度传感器布置在集中质量附近，加速度传感器
信号接到数采仪的振动测试通道。
②仪器设置
打开仪器电源，进入控制分析软件，新建一个项目（文件名自定），设置采样频率、量程范围、工程单位和灵敏度等参数，在数据显示窗口内点击鼠标右键，选择信号，选择时间波形，开始采集数据，数据同步采集显示在图形窗口内。
③测试和处理
用锤敲击质量块使其产生自由衰减振动。
记录单自由度系统自由衰减振动波形，然后设定i，利用双光标读出i个波经历的时间△t，T1=△t/；读出相距i个周期的两振幅的双振幅2A1、2Ai+1之值，计算出阻尼比
，固有频率
。
（3）实验所得图形如下：
（图4-2：
时间曲线图形）
表4-1：
加速度传感器时间波形曲线上峰值数据
时间（s）
9.3281
9.3516
9.3848
9.4121
9.4160
幅值（mv）
109.1394
51.3051
33.3225
28.5703
26.1390
表4-2：
加速度传感器时间波形曲线上峰值数据
时间（s）
9.4453
9.4727
9.5059
9.5352
9.5664
幅值（mv）
23.1771
17.7364
17.0072
14.5400
11.3836
（4）计算结果如下：
表4-3：
数据处理结果
i
时间t
周期T1
A1
Ai+1
阻尼比
固有频率f0
9
0.2383
0.0265
109.1394
11.3836
0.0400
37.74
i=9
△t=t10-t1=9.5664-9.3281=0.2383（s）
A1=109.1394
A10=11.3836
5.主动隔振的测量
（1）实验装置：
（图5-1：
实验装置图）
（2）实验原理：
隔振设计中，常常用振动传递比T和隔振效率η来评价隔振效果。
主动隔振传递比等于物体传递到底座的振动与物体的振动比，被动隔振传递比等于底座传递到物体的振动与底座的振动之比，两个方向的传递比相等。
一般，由物体传递到底座时常用力表示，由底座传递到物体时则用位移、振动速度或振动加速度表示，这样便于应用。
隔振效率：
传动比T：
式中D为阻尼比，激振频率和共振频率的比。
只有传递比小于1才有隔振效果。
因此T<1的区域称为隔振区。
①当时，T>1。
系统有放大作用；
②当时，系统发生共振，传递比极大；
③当
时，作用有限；
④
时，隔振能力低（20—30dB）；
⑤
时，隔振能力中等（30—40dB）；
⑥
时，隔振能力强（>40dB）；
（3）实验步骤：
①仪器安装
把空气阻尼器和质量块组成的弹簧质量系统固定在底座中部，加速度传感器放上面，接入数采仪的电荷通道，速度传感器放在底座上，接入采集仪的应变通道将调速电机安装到隔振器上，电机连线接到调压器上。
②开机进入控制分析软件，设置采样频率等参数，正确输入传感器灵敏度，设置双通道时间和频谱示波，并将加速度通道信号积分处理，变为速度显示。
③改变激振频率（电机转速），分别测量20Hz,40Hz,60Hz时，两传感器的振动幅度。
④根据所测幅值计算传动比和隔振效果
隔振传动比：
隔振效率：
（4）实验图形：
（图5-2：
激振频率20HZ下幅频特性曲线）
（图5-3：
激振频率40HZ下幅频特性曲线）
（图5-4：
激振频率60HZ下幅频特性曲线）
（5）数据处理：
表5-1：
实验所得数据
激振器频率（Hz）
加速度传感器振幅A1
速度传感器振幅A2
传动比
隔振效率
20
0.0422
0.1391
0.3034
69.66%
40
0.4951
6.6757
0.0742
92.58%
60
1.4256
66.9644
0.0213
97.87%
6.被动隔振的测量
（1）实验装置：
（图6-1：
实验装置）
（2）实验原理：
防止地基的振动通过支座传至需保护的精密仪器或仪器仪表，以减少运动的传递，称为被动隔振。
被动隔振传递比等于底座传递到物体的振动与底座的振动之比，由底座传递到物体时则用位移、振动速度或振动加速度表示。
隔振效率：
传动比T：
式中D为阻尼比，为激振频率和共振频率的比。
（3）实验步骤：
①隔振器安装
把小的空气阻尼器和质量块组成的弹簧质量系统固定在梁中部，速度传感器放上面，压电加速度传感器放在梁的下面。
②安装激振器
把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的红线标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。
③连接仪器和传感器
把加速度传感器输出信号接到数采分析仪的振动测试通道1-2；
把速度传感器输出信号接到数采分析仪的应变测试通道1-3。
④仪器参数设置
打开数采仪器的电源开关，开机进入DHDAS2003数采分析软件的主界面，设置采样频率、分析点数，量程范围，输入加速度传感器、速度传感器的灵敏度。
⑤打开三个窗口，分别显示二个通道的时间波形信号、二通道频谱信号和频响函数，并且加速度信号要经积分运算变换为速度信号。
⑥采集并显示数据
调节扫频信号源的输出频率，使隔振器产生共振。
在各窗口中分别读取当前振动的最大值、频率值
、振幅以及第一通道的峰值
和第二通道的峰值
。
⑦改变激振频率，分别测量
、、
、
、
、
、时，上下传感器的振动幅度。
⑧根据所测幅值计算传动比和隔振效果
隔振传动比：
隔振效率：
（4）实验图形如下：
（图6-2：
激振频率40HZ下幅频特性曲线）
（图6-3：
激振频率48HZ下幅频特性曲线）
（图6-4：
激振频率88HZ下幅频特性曲线）
（图6-5：
激振频率40HZ下幅频特性曲线）
（图6-6：
激振频率320HZ下幅频特性曲线）
（图6-7：
激振频率480HZ下幅频特性曲线）
（5）数据处理计算：
表6-1：
数据结果
频率范围
频率
加速度振幅A1
速度振幅A2
传动比T
隔振效率
0.0784
4.1913
0.0187
98.13%
0.2636
11.7068
0.0225
97.75%
0.0531
1.3041
0.0407
95.93%
0.3028
4.2952
0.0705
92.95%
0.9280
6.2068
0.1495
85.05%
0.0217
0.0837
0.2593
74.07%
7.复式动力吸振器吸振实验
（1）实验装置图：
（图7-1：
实验装置图）
（2）实验原理：
单式动力减振采用一个附加的特殊弹簧质量系统变成为两自由度的系统，附加弹簧质量系统固有频率
等于主系统的固有频率
，如果外部激振频率等于其固有频率时，即可起到良好的减振效果。
如果外部激振频率与主系统的二阶或更高阶固有频率相等时，单式减振器就不能发挥作用，这时可以采用复式减振器。
复式减振器附加一个具有两自由度或多自由度的弹簧质量系统，减振器的一个弹簧质量系统的调节螺母经过调节，可以对应系统中的某阶固有频率，当外部激振力引起主系统某阶共振时，能量就转移到附加质量系统，起到减振效果。
（3）实验步骤：
①安装激振器
把激振器安装在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过激振杆上的红线标识），用专用连接线连接激振器和DH1301扫频信号源输出接口。
②接仪器和传感器
把加速度传感器安装到梁中部集中质量上，输出信号接到数采分析仪的振动测试通道；复式动力吸振器安装在梁中央。
.
③仪器参数设置
打开数采仪器的电源开关，开机进入DHDAS数采分析软件的主界面，设置采样率、量程范围，输入加速度传感器的灵敏度。
窗口分别显示振动信号的时间波形和频谱
④采集并显示数据
调节扫频信号源的输出频率，使梁产生共振。
在窗口中分别读取当前振动的幅值、频率值。
⑤调节吸振器上的调节螺母，观察波形，使其幅值达到最小时，停止调节，记录其幅值及频率。
⑥调节信号源使梁系统产生高阶共振，重复步骤⑤。
（4）实验图形及数据：
（图7-2：
调节前幅频特性曲线）
（图7-3：
调节后一阶固有频率下幅频特性曲线）
（图7-4：
调节后二阶固有频率下幅频特性曲线）
（图7-5：
调节后三阶固有频率下幅频特性曲线）
（5）测试数据如下：
表7-1：
测试数据
固有频率阶数
调节前
调节后
频率
幅值
频率
幅值
1
58.5938
2.3006
58.5938
0.2087
2
183.5938
5.9773
183.5938
2.9883
3
378.9063
2.9740
378.9063
0.3310
五、心得体会
六、参考文献
[1]DHVTC振动测试与控制实验装置使用手册.江苏东华测试技术有限公司
[2]DH-1301扫频信号发生器使用说明书.江苏东华测试技术有限公司
[3]太原科技大学测控技术及仪器教研室.测试技术实验指导书.太原科技大学
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