随机振动及试验技术-激振设备与激振技术..

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4 振动激励设备和激振技术
4.1概述
（ 2 ）功能试验：研究在随机振动环境下结构或试 件的功能特性。主要是检验结构或试件在使用振动环 境下是否产生功能失灵以及各机件的连接、固定、安 装变形及间隙之类的工艺要求是否受到破坏等。 （ 3 ）响应试验：对振动结构作动力响应特性试验 是现代产品的安全、可靠、经济、适用不可或缺的研 究环节。
与 x ' ( t ) 的振动总能量及其静态分量都相等。
' ' f f ; f f （ 3） 1 1 2 2
(4.3)
f1 , f2 , f1' , f2' 分别是 G x ( f ) 与 G x ' ( f ) 的峰值对应的
频率。
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4.2 随机振动的等价条件
Gx ( f ) Gx ' ( f )
0
f1
f2
f
0
f1
f2
f
（4） G x ( f1 ) G x ' ( f1 ) G x ( f2 ) G x ' ( f2 )
(4.4)
条件（ 3 ）、（ 4 ）表示含有振动能量极大值 的频率成分相同，而且这些频率上的振动能量大 小也相同。条件（1）、（2）表示 Gx ( f )与Gx ' ( f ) 下面的面积相等。 要求严格时，有 G x ( f )＝G x ' ( f ) 4.5)
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f 的时间：t ln( ) f1 t f f1e
1
（4.8) （4.9)
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4.3.2 正弦振动试验系统
kt f f 2 工程中常用倍频程扫描，表示为： 1
k-单位时间内扫过频率的倍频程数目，称为倍频 t kt f f e f 2 程扫描率。取 1 1 由 （ 4 . 8 ） 知 ， 以 对 数 扫 描 率 [ f1 , f2 ] 在 频 带 内单向扫描一次所发生的总的振动次数 N表示为：
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(2)电动振动台 电动振动台主要由活动系统（驱动线圈和工作 台）、磁路系统、弹性支承系统、导向系统以及冷却 系统组成，如图所示。 导向机构的 作用是限制振动 台的横向运动， 弹性支承系统则 用来产生恢复力 和支承力，冷却 系统用强迫冷却 图4.7 电动台振动台结构示意图 来降低温升。
随机振动试验的必要性 : 代替现场试验 , 缩短产 品研发周期,减少开发成本。 实验室再现的可能性：新的试验方法及标准的 制订，新设备的研制，使实验室中的实验等在一定程 度上再现现场情况。
随机振动试验分类：
（ 1 ）耐久性试验：也叫强度试验，用于评价结构 或试件的抗随机振动特性，研究其强度破坏及疲劳寿 命等问题。
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特 点 工作频率宽，振动波形好，易于自 动控制，操作调节方便；但结构复杂， 由恒定的磁场和位于磁场中 价格较昂贵，载荷和工作台面不大， 电动 通有一定交变电流的线圈相 某些振动台漏磁场较大。可满足试验 振动 互作用而产生出一定的激振 方法中规定的 5Hz 以上的各频段试验 台 力。 要求，适用于各类电子器件的振动试 验。配备附加台面和水平台，还可适 用中小型整机振动试验。 通过一定的能量转换装置 , 将油泵流出的高压流体的能 液压 量转换成激振力，以驱使振 振动 动台往复运动。常用的转换 台 装置由电液伺服阀和液压作 动筒组成 , 亦称”电液”振 动台。
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类型
激振器
下限频率低，容易实现大推力,重载 荷、大位移，易于自动控制，对试品 无磁场影响；但设备复杂，价格昂贵， 设备基础要求高。可满足试验方法中 低、中频段的试验要求，试用于地震、 船舶、拖拉机等行业的各类产品试验。
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类型 激振器 特点
结构简单，价格低廉，但 由电磁铁和磁性材料 频率单一，若需要其它工 电磁振 相互作用产生激振力， 作频率，控制复杂，功耗 动台 以驱动振动台往复运 大。主要用于振动机械， 动。 很少用于振动试验。
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(4.12)
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B.电动振动台的动力学参数 式中 m 为规定的试验负载，me 为活动部分的等 ab 为随机振动的方均值加速度。 效质量； me 的确定：在频率 f 与标准电流 的条件下， I a1 m 测量空载台面加速度 和负载为 的工作台面加速 me a2 度 ，等效质量 为：
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4.2 随机振动的等价条件
单一随机振动模拟的等价条件讨论。 ' x x ( t ) x ( t ) 设现场随机振动为 , 与 ( t ) 等价首先： ' (4.1) x x （1）均值 ' （2）标准差 x (4.2) x 2 2 由（2）和（1）导出 x x '，说明随机振动 x ( t )
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4.3.3 随机振动试验系统 （1）模拟式随机振动试验系统
随机 信号源 均衡 设备 保护 装置 功率 放大器 振动台
A 均衡的概念
均衡是对不同频段上功率放大器的输入信号进 行不同程度的放大和衰减，使振动台的振动或者试 件上某点的振动达到预定的要求。也就是说，均衡 是对不同频段上的振动能量进行重新分配，以实现 随机振动控制。
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(2)电动振动台 A.电动振动台的原理和结构 电动振动台是将电能转换为机械能的换向器。 基本工作原理是基于载流导体在磁场中要受到电磁力 作用的安培定律。如图所示，电动振动台的推力为: F BLi BLIsin t 式中，B 为环行气隙 中 磁 感 应 强 度 （ wb/m2 ） ,l 为动圈绕线 的有效长度（ m ），动圈 4.6 电动台工作原理示意图 中的电流（A）。
图4.2 窄带随机振动
图4.3 窄带随机试验谱型
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4.3.3 随机振动试验系统 * 宽带随机 + 正 弦定频 * 宽带随机 + 正 弦扫描实验
4.4 随机振动自功率谱法原理图
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4.3.3 随机振动试验系统 2）波形再现式控制系统：不丢失相位，但再现的 频率范围较低。
N
f2 f1
df


f2 f1

(4.10)
用于计算疲劳试验次数。
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4.3.2 正弦振动试验系统 * 带谷不带谷之分： 试验时，振动台面对试件的激励位移幅值或加 速度幅值保持某个预定数值。实际情况下，激励可 能是力，或者是运动参数，但量值不是保持不变。 因此在某些频段内，可能出现过试验。为此，采用 控制台面的运动参数自动适应共振引起使运动参数 量值下降，因而在谱图上出现谷值。 * 快慢之分 * 快速扫描：线性度好，用于模态分析，信噪比 高 * 慢速扫描：环境试验，寻找共振点，信噪比低
由压电元件的压电效 压电振 应的激振力来驱动工 动台 作台。 磁致伸 由磁致伸缩元件磁致 缩振动 伸缩效应产生的激振 台 力来驱动工作台。
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工 作 频 率 范 围 可 达 2010000Hz以上，但激振力很 小，仅用于小型薄壁件的 试验。 工作频率可达上万Hz，可 用来作超声波激振。
me m 1 f s a1 ( 1 )( 1 ) a2 f
(4.13)
f s (1 ) 式中， f
为包含激励频率 f 和运动部分
悬挂固有频率
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f s
的修正项。
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C.电动振动台的基本参数及技术指标 最大推力: F ( m e m a )a (4.14)
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B.电动振动台的动力学参数 电动振动台的动力学参数：推力、激振频率、 固有频率、弹性元件刚度、参振质量等。 电动振动台的推力是指振动台负载情况下输出 的总推力，包括无用推力和有用推力两部分。 无用推力 F0 是振动台体活动部分消耗的推力， 即： F0 m0a0 (4.11)
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（2）正弦扫描（扫频）试验 A.线性扫描
df (常数 ) dt
0 0
逆扫描 正扫描
(4.6)
B.对数扫描
d （lnf ） (常数) 对数扫描率 dt df / dt (常数) f
4.7)
扫描 f1 f 或：
振动测试与分析技术
沈阳航空航天大学
艾延廷
2009年8月
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主要内容：
1.振动过程的时域和频域描述 2.振动传感器测量系统 3.频率分析及数字信号处理技术 4.振动激励设备和激振技术 5.结构模态试验分析 6.旋转机械的振动测试技术
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4.1概述
m e 振动台运动部分等效质 量 ma 试验载荷的质量
频率范围:振动台允许的工作频率范围 最大载荷：振动台+试件+夹具的最大质量;偏载力
4.5 波形再现原理示意图
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4.4 激振设备的选择与安装
4.4.1 振动试验台 (1)振动试验台的类型和特点
类型 激振器 直接作用式 : 利用凸 轮直接驱动工作台. 惯性式 : 利用不平衡 机 械 振 质量旋转产生的离心 动台 力作为激振动力 , 一 般用弹性元件支承 . 可分为共振区工作和 超共振区工作两种. 特点 载荷和推力很大，比较容易在同一台 面上实现不同方向的振动，价格低廉， 工作可靠，使用维护方便。工作频率 范围窄，加速度失真较大。可满足实 验方法中低频段实验要求，适用于中 小型整机、仪器、仪表、家用电器及 零部件振动试验。
（2）数字控制振动试验系统 A 功率谱再现式随机振动实验 1）功率谱再现式随机振动实验
* 宽带随机试验
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4.3.3 随机振动试验系统
图4.1 窄带随机振动
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4.3.3 随机振动试验系统 *窄带随机试验 *扫频随机振动试验：用窄带随机 信号对很宽的实验频段扫描激振。
m0为振动台体活动部分质量； 为振动台空载最
大加速度幅值。 当振动台负载质量为零时，台体推力全部消耗 在推动自身活动部分质量上，此时有用推力为零。
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B.电动振动台的动力学参数
图4.8 推力-负载-加速度曲线图
振动台额定宽带推力计算： Fob ( me m )ab
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4.3.3 随机振动试验系统
Gx ( f )
Gy ( f )
均衡前
0
f
0
Gy ( f )
仅对振动 台均衡前
f
振动台 - 试件 系统均衡
Gy ( f )
B “峰-谷”均衡器
H( f )
0
f
0
f
1.0 0.5 0
理想 1.0
Q
fl f0 fu
f0 fu fl
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4.3 振动试验系统分类
4.3.1 正弦振动试验系统 （1）定频试验 在一个或几个频率下进行定频试验，以考核试 件的抗振能力和耐振强度。
试件 正弦振动 自动控制仪 功率 放大器 振动台 前置 放大器 显示 记录仪
（2）正弦扫描（扫频）试验
规定量级，正弦激励信号的频率随时间变化。
f
“峰-谷”均衡器是由 变Q与变通带滤波器组成。 有几对峰-谷就需几个均衡 器串联起来。
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4.3.3 随机振动试验系统 C 多通道滤波均衡系统
随机 信号源 均衡滤 波器组 设备 混合器 功率 放大器 振动台
将试验频率范围划分成若干离散的滤波器频带， 然后调每个频带增益，以达到均衡的目的。
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Fra Baidu bibliotek
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4.2 随机振动的等价条件
随机振动是不确定的，如何再现，需要等价条
件。
随机振动等价：两个随机振动的全部统计特性 相同。但用如下特性实现: （1）幅值域：均值、方差和均方值。 （2）时差域：自相关函数。 （ 3 ）自功率谱密度函数。对于多输入系统，还要 进行互相关函数和互谱密度函数的模拟。