振动与噪声测试

u sc
q Cf
滤波截止频率 • 驾驶员座椅，一般不超过100Hz • 车厢地板，车桥，一般不超过500Hz • 驾驶员手臂振动测量，一般不超过1000Hz • 晕车界限测量，2Hz • 发动机，发电机支架及本体，一般不低于 500Hz 信号采样频率 • 一般地，工程中取截止频率的4～10倍
• 测试系统的动态范围 测试系统动态范围选择合适与否，对 能否真实地测试随机振动信号有重大影响。 若仪器的动态范围偏小，则造成测量和记 录信号中大的幅值被削波。对于高斯随机 振动。以其三倍有效值为选择仪器动态范 围的依据是合适的。此时，大于有效值三 倍的瞬时值仅占0.27%。为准确测量起见， 在有条件时，应进行必要的预测分析。为 了有效地利用记录仪器的动态范围。应要 求记录信号具有合适的电平。
测量系统的动态特性
• 表征测试系统动态特性的指标有： • 频率指标有幅频特性，相频特性，固有频 率，工作频带，阻尼比 等。 • 时域指标有时间常数，上升时间，响应时 间，超调量等。
A()
10
()
0
=0.2 =0.4 =0.6 =1.0 =0.8
=0.2
=0.4 =0.6
振动与噪声测试
王文瑞 email：gmbitwrw@ustb.edu.cn
主要内容
• • • • • 引言 测试技术的昨天，今天与明天 测试系统的特性 振动环境测试与实例 噪声环境测试与实例
引言
在工程振动理论中，提出了解决工程振 动的方法－－理论分析计算法。（振动正问 题） 但是对于复杂的结构，物理参数往往不十 分清楚，有的因素几乎难以确定，比如系统 的阻尼，部件的连接刚度，边界条件等等。 这样很难通过上述方法建立理论模型进行求 解，实验的方法就成为解决这一问题的必须。 （振动逆问题）
响应时间ts：单位 阶跃响应曲线yu(t) 达到并保持在响应 曲线终值允许的误 t 差范围内所需的时 间。 超调量M%：单位 阶跃响应曲线yu(t) 的最大值与响应曲 线终值得差值对终 值之比的百分数。
周期振动量测量
• 振动幅值的测量 幅值的测量比较简单。在振动测量领域，幅 值可以是加速度、速度、位移及力的幅值，对于 同一个物理量亦可按不同方式来测量，可以测峰 值、有效值和平均值，这可根据需要来进行选择。 以压电式传感器为例，将测试系统中的电荷放大 器的输出接到计算机的A/D输入，就可直接测得 加速度、速度、位移或力的幅值。也可以输出到 磁带机等记录仪器或动态分析仪中
6系统固有频率的获得
• 频域法（频域法测试的测试原理为结构的共振特性。） • 稳态正弦扫描试验。测试分析时，用激励设备对结构 进行恒力幅的频率扫描激励，测出结构频率响应最大 时（共振峰）所对应的频率即为共振频率，频率扫描 的速度不能太快，要待结构建立起稳态振动状态之后 才能进行测量。这种方法简单，有一定精度，测试分 析比较直观，对技术人员要求不高，试验周期长。 • 对结构进行宽带随机激励，通过功率谱分析，幅值谱 分析由谱的尖峰分量来确定结构的固有频率。这种方 法快速，有一定精度，可以在线直接测试。 • 通过试验数据直接进行动力学模型的参数识别，精度 高，且能剔除虚假峰值频率。
Agilent公司数字化信号分析仪器
微机械“机器人”诊断/治疗药丸
机器苍蝇
仿人形机器人
振动加速度遥测系统
无线接收基站
无线振动 加速度传感器
电机输出轴扭振遥测系统（长期）
静止环 旋转环 发射天线
发射机
自制产品
传感器
接收天线 主控单元
遥测结构简图
扭振遥测机柜
遥测装置
轧机轴扭振信号
万向接轴扭矩和弯矩遥测系统（临时）
1.0
-90
=0.8 =1.0
0.6
1.0
/n
-180 0.6 1.0
/n
当ξ＝0.60.8时，A(w)1，φ()与/n近似线性， 此时系统稳态响应的动误差较小。
y(t)
0.05(0.02) c
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Mp 1.0 0.9 0.5 tr 0.1 0 td
tp
ts
延迟时间td ：单位阶跃响应曲线达到其 终值得50%所需的时间。 上升时间tr ：单位阶跃曲线从它的终值 的10%上升到终值的90%所需的时间。 峰值时间tp：单位阶跃响应曲线从零开 始超过其稳态值而达到第一次峰值所需 的时间。
• 激振力测量 激振力用压电式或电阻式力传感器测 量，此时力传感器应与被测对象串联。对 于惯性力也可以通过测量物体的加速度， 然后加以换算间接测定。对已标定的激振 器，也可通过测量激振器的电参数或机械 参数，间接测定其激振力的大小。
实例1：车辆振动环境测试
• 明确测试目的，测试目的决定测试方案， 测试大纲，以及数据处理分析方法 • 对测试的量要事先做一个大体估计，确定 范围，按照估计选传感器量程 • 试验前系统要标定和校准 • 信号分析时，数据要去伪存真，稳态试验 要选取稳态数据
• 滞后 滞后表示测量系统当输入量由小到大与由大到小 时，所得输出量不一致的程度。滞后在数值上用同一 输入量下的滞后偏差的最大值与满量程之比值的百分 数表示。 • 重复性 重复性是指在条件相同时，对同一被测量进行多 次连续测量，所的结果之间的符合度。重复性是衡量 测量结果分散性的指标。 • 分辨率 分辨率是指测量系统能测量到最小输入量变化的 能力，也就是能引起输出量发生变化的最小输入量变 化量。
4数据的采集，纪录
• 信号从滤波器出来，下面的环节就是采集 纪录。 • 若用磁带机纪录，电信号转为磁信号，分 析的时候，由磁信号再转为电信号。 • 若采用数字记录仪，则该电信号直接被存 储分析。 • 二者各有利弊
5信号的分析
• • • • • 时域量均方根值与峰值 自谱 互谱 自相关函数 互相关函数
• 测试技术是一种从自然界获取信息的手段，是对 人类感官系统的延伸和深化。人类仅靠自身的感 觉器官（如眼、耳、鼻等）所获取得信息是有限 的，而且是不准确的。而测试技术可以帮助人们 获得更为有效、准确、全面的信息。 • 测试技术并不仅仅帮助人类获取信息。它也是智 能中心获取信息的唯一手段。依靠测试技术提供 的信息，智能中心才能有效的工作，从而为人类 提供有效的服务。
测量系统的静态特性
测量系统的静态特性是指被测量处于稳定状 态时测量系统的输出与输入的关系，用灵敏度、 非线性、滞后、重复性、分辨率等指标来表征。
• 灵敏度： 灵敏度是测量系统在静态条件下，输出量的变化量 对输入量的变化量的比值。 • 非线性： 实际的输出与输入关系并非理想情况，由试验所得 校准曲线或标定曲线是近似曲线，它拟和直线的最大偏 差与测量系统的满量程输出值的比值的百分数成为非线 性。
绝缘螺栓，涂薄层硅脂 250oC
AB胶粘结
磁座吸合
150oC
150oC
7kHz
1.5kHz
以B&K 4367 加速度计为例说明
3信号调理与滤波
• 电荷式加速度计要通过电荷放大器将电荷输出转 化为电压输输出。
电荷放大器是一个有反馈电容Cf的 高增益运算放大器，当略去电荷 放大器的输入电阻和传感器的泄 漏电阻时，它的等效电路如图所 示。放大器的输出电压为: 放大器的输出电压与电缆电容无关，也就是 说传感器的输出灵敏度与电缆电容无关。因 此，采用电荷放大器时，电缆长度的变化对 传感器的灵敏度影响不大，这就是电荷放大 器的一个突出优点。但是，电缆长度的增加， 会使电缆噪声增大，降低了测量的信噪比， 为了减小电缆的噪声，不仅要用屏蔽电缆， 还要使用价格较贵的低噪声电缆。
发展趋势：光机电结合，智能化仪器，微小型化
测试平台的系统特性
标定装置和控制装置
指示仪
被测 对象
传感器
变换处理装置
记录仪 数据处理仪器
电源
计算机
• 被测对象 • 传感器：信号变换的装置，是整个系统中最为关键 的环节。 • 变换处理装置：完成信号的放大、滤波、变换 （A/D、D/A）、以及与计算机的接口等。 • 显示记录装置：记录测试信号的装置，保存测试结 果，作为技术资料供以后分析利用。 • 标定装置和控制装置： 标定：减少误差，提高精度 控制：实现整个系统的协调工作，便于测试系 统的自动化。
• 测量中的其他要求 当采用磁带记录仪记录随机振动信号时，应 根据所测信号主要频率的预计值，适当地选择磁 带记录仪的记录速度。若拟对记录信号采用“平 均化”技术处理，则应保证记录信号具有足够的 样本长度。为了有效地提高信号的记录信噪比， 应在记录仪器之前设置适当的滤波器，以滤除信 号中的高频或低频噪声。为保证记录信号的成功， 防止记录波形失真，测试系统中应设置监视记录 信号波形的显示装置，对记录中的信号进行波形 监视。
1加速度计的选择原则
• 传感器频率特性范围不超过500Hz，一般地 选取0～2000Hz（产品序列） • 传感器最大冲击不小于30g • 主轴灵敏度要高 • 横向灵敏度要小 • 几何尺寸与质量 • 对环境温度，湿度，电场，强声场不敏感
2加速度计与车体的安装
安装方式
钢螺栓，涂薄层硅脂
许用 频响范围 最高温度 >250oC 10kHz 8kHz
随着科学技术的发展，测试技术的应用遍及各个 领域，机械工程、电力工程、宇航工程、物理工 程、生物医学工程、铁路交通工程、军事科学研 究等，都用到测试技术。
测试在宇航领域的应用

测试在人体方面的应用 测试在机器人领域的应用 测试在汽车工业的应用 测试在家电领域的应用 测试在兵器技术领域的应用
遥测供电电源
咬钢和正常轧制
遥测发射机
万向接轴
轧机振动信号
测试方法分类
• 机械法测试：方便、简单、精度较低 • 光学测试法：精度高、响应快、系统结构 复杂、 环境适应力差 • 电 测 试法：应用最广、信号处理容易、系 统不太复杂
静态测试：被测参数不随时间变化或变化缓慢（特例） 动态测试：被测参数随时间变化（大多数情况）
随机振动测量
对于随机振动测量。主要是测量均方 值、功率谱密度，有时也测量其瞬态的最 大峰值。有时还要求测量其平均值、自相 关函数、互相关函数及幅值分布概率密度 等。测量随机振动量的主要方法亦是电测 法。
测量随机振动时对测量仪器的要求 • 测试系统频率范围 系统的工作频率应视测量对象的振动情况而 定。不同的随机振动其频谱含量范围大不相同。 一般情况下，可供参考的大致频率范围是：航空 部门要求的频率范围是5～500Hz和5～2000Hz。 火箭发动机为5000Hz，有时甚至到10000Hz以上。 海上和陆地运输部门要求的频率范围为0～55Hz 和2～500Hz；对噪声引起的振动频率范围要求更 高。在选择测试系统的工作频率时，不仅要考虑 它们的幅频特性。而且应充分考虑它们的相频特 性。根据经验，测试系统的下限频率应为随机振 动的主要频率的1/10，上限频率应高于主要频率 的10倍。
秦始皇统一度、量、衡
测试服务于各行业
英国纺织工业—织布机 配件 二次世界大战—枪械配 件 测试技术的发展与人类 社会的发展历史密切相关、 相互促进
20世纪70年代，成为 专门学科
测试研究会、开设课 程、出版刊物、召开年 会
七大计量：几何、时间、电磁、光学、化学、温度、力学
实验的方法主要是通过某种激励方法， 使实验对象产生一定的振动响应，然后通 过测振仪器直接测量出激励力与系统响应 特性，然后通过信号分析得到系统的模态 特性，进而获得系统的物理特性。 1响应识别 2参数识别（系统识别） 3载荷识别 4在线监测与故障诊断 5状态控制
测试技术的昨天，今天与明天
传统的技术 新的学科
• 周期振动频率的测量。 简谐振动频率的测量可直接用频率计， 将信号输入频率计就可直接读出信号的频 率值。用频谱分析仪进行分析，也可以很 方便地得到信号的频率和此频率成分的幅 值或信号所包含的各频率成分及其幅值。 这种方法是复杂周期信号频率分析的主要 方法。
• 相位差的测量。 稳定的正弦周期振动的相位差可以用双线示波 器、相位计来测定。将振动信号与基准信号进行 比较来测定。对于复杂周期信号也可用频谱分析 仪来测量相位差。 • 周期振动的频谱分析。 对于单一频率的稳定正弦振动，可用简单的振 幅——频率测量方法来确定其频谱。对于稳定的 复杂周期振动通常用频谱分析仪进行分析。它具 有分析速度快、精度高、操作方便以及自动频谱 记录输出等优点。
现代测试技术的发展动向
• 测量范围进一步拓宽
纳米碳管可作为微传感器进行单个细胞称重
• • • •
传感器向新型，微型，智能型发展 测量仪器向高精度，高效率，多功能发展 参数测量与数据处理向自动化发展 开发新材料，采用新工艺
HP公司生产的加速度信号测量传感 器芯片
新型光纤温度传感器
National Instrument公司提出的计算 机虚拟仪器