机械实验之振动参数的测定
振动的测量
8.1 振动的基础知识与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动，如图8.1所示。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。
图8.1 振动的种类和特征简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。
本节讨论最为简单的单自由度系统在两种不同激励下的响应(即单自由度系统的受迫振动):质量块受力产生的受迫振动基础运动产生的受迫振动以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。
简谐振动简谐振动的运动规律可用简谐函数表示，即振动的运动规律为：(8.2)(8.3)比较式(8.1)至(8.3)可见，速度的最大值比位移的最大值导前900 ，加速度的最大值要比位移最大值导前1800 。
质量块受力产生的受迫振动如图8.2所示为单自由度系统在质量块受力所产生的受迫振动示意图。
在外力f(t)的作用下，质量块m的运动方程为：（8.4）式中c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度，位移y(t)为振动系统的输出。
这是一个典型的二阶系统，其系统频率响应函数H(ω)和幅频特性函数、相频特性函数ϕ(ω)分别为：（8.5a）图8.2 质量块受力所产生的受迫振动（8.5b）（8.5c）式中：ω基础运动的圆频率；ζ振动系统的阻尼比， ；。
（8.6） 由上式可见，在幅频特性图上，质量块受力产生的受迫振动其共振频率ωr总是小于系统的固有频率ωn，阻尼越小两者越靠近，因此，在小阻尼情况下可以采用ωr作为的ωn估计值；而在相频特性图上，不管系统的阻尼比为多少，在ωr/ωn=1时位移始终落后于激振力90°。
机械振动实验指导书概要
《机械振动》课程实验指导书机械与车辆学院2009年6月编制目录单自由度系统强迫振动的幅频特性、固有频率及阻尼比的测定 (2)单自由度系统自由衰减振动及固有频率、阻尼比的测定 (7)多自由度系统固有频率和振型测试 (11)单自由度系统强迫振动的幅频特性、固有频率及阻尼比的测定实验指导书一、试验目的1．学会测量单自由度系统强迫振动的幅频特性曲线； 2．学会测量单自由度系统强迫振动的幅频特性曲线；二、试验原理有阻尼的强迫振动，当经过一定时间后，只剩下强迫振动部分，有阻尼强迫振动的振幅特性：st st x x Du u A β=+-=22224)1(1动态振幅A 和静态位移st x 之比值称为动力放大系数：stx A D u u =+-=22224)1(1β 加速度响应和位移响应的关系：)sin()sin(4)1(12220ϕωβϕω-=-+-==t t Du u K F x x x e e st)sin()sin(20..ϕωβϕωβ--=--=t t u KF x e a e根据幅频特性曲线：在1<D 时，共振处的动力放大系数Q DD D =≈-=211212max β，峰值两边，2Q =β处的频率1f 、2f 称为半功率点，1f 与2f 之间的频率范围称为系统的半功率带宽。
代入动力放大系数计算公式22124112202,12202,1D Q D f f f f ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=β当D 很小时解得：D f f 21202,1 ≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 即2021224Df f f ≈- 0122f f f D -=三、试验系统组成实验用仪器设备见表1。
表1 实验用仪器设备试验系统布置如图1所示：图1 试验系统布置简图四、试验准备1.如图1安装好试验设备，并连线，质量块放到简支梁底部，传感器安装到简支梁的中部；2.认真检查各联结件是否正确安装、紧固情况；3.检查各传感器信号线连接的正确性；4.系统上电预热30分钟五、试验内容1.测量单自由度系统强迫振动的幅频特性曲线；2.根据幅频特性曲线确定系统的固有频率和阻尼比六、试验方法1．开机进入DASP2000波状态;2．把ZJY-601A型振动教学试验仪的频率按钮用手动搜索一下简支梁当前的共振频率，调节放大倍数道“1”挡，不要让共振时的信号过载。
机械结构的振动测试与模态分析
机械结构的振动测试与模态分析机械结构的振动是指在运动或工作过程中，由于受到外界激励或内部失稳因素的影响而出现的周期性或非周期性的振动现象。
振动不仅会影响机械结构的正常运行，还可能导致结构疲劳、损坏，甚至产生严重事故。
因此，了解机械结构的振动特性，进行振动测试和模态分析，对于结构设计、改进和维护具有重要意义。
1. 振动测试振动测试是通过实验手段对机械结构的振动特性进行测量和分析的过程。
常见的振动测试手段包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器等。
通过这些传感器，可以测量到结构在不同频率范围内的振动加速度、振动速度和振动位移等参数。
振动测试不仅可以定量地描述结构的振动特性，还可以研究振动的传播路径、频谱特性和共振现象等。
2. 模态分析模态分析是对机械结构的振动特性进行分析和研究的过程。
模态分析的目的是确定结构的振动模态，即结构的固有频率、振型和阻尼等参数。
通过模态分析，可以了解机械结构在不同频率下的振动特性，并确定结构中可能存在的共振点和振动节点。
同时，模态分析还可以帮助设计师优化结构的设计，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
3. 应用案例以汽车底盘为例，进行振动测试和模态分析的应用。
在汽车行驶过程中，底盘承受着来自路面的冲击和车辆运动的振动。
通过振动测试，可以测量到底盘在不同行驶速度下的振动加速度和振动速度等参数。
通过模态分析，可以确定底盘的固有频率和振型，判断底盘是否在某些特定频率下容易出现共振现象。
根据振动测试和模态分析的结果，可以对底盘的结构进行优化，提高底盘的刚度和减小噪声，提高驾驶的舒适性和汽车的安全性能。
4. 振动测试与模态分析的意义振动测试与模态分析对于机械结构的设计、改进和维护具有重要意义。
通过振动测试，可以了解机械结构在不同工况下的振动特性，及时发现结构的振动异常和故障等。
通过模态分析，可以确定结构的固有频率和振型，为结构的优化设计提供依据。
同时，振动测试与模态分析还可以帮助工程师评估结构的可靠性和耐久性，减小结构的振动幅值，提高结构的工作效率和可靠性。
机械振动测量
振动的测量方法：机械法、电测法、光测法。
11
三、振动测试系统的构成
➢ 被测对象在激振力的作用下产生受迫振动，测振传感器测出振动力学参量，
通过振动分析（时域中的相关技术，频域中的功率谱分析）以及计算机数
字处理技术，检测出有用的信息。
➢ 工程上，振动的测试主要讨论的是系统励
测量动态特性时，首先要激励被测对象，让其按测试的要求
作受迫振动或自由振动。
激励方式通常3 种：
稳态正弦激振
瞬态激振
随机激振
32
一、振动的激励
1、稳态正弦激振
对被测对象施加一个稳定的单一频率的正弦激振力。
优点：激振功率大、信噪比高，能保证低频响应对象的测试
精度。
缺点：需要很长的测试周期才能得到足够精度的测试数据，
表明传感器的输出正比于被测物体振
动的位移。
一般：
Τ ,
取3~5。
ω/ωn
19
一、绝对式测振传感器原理
1、测振幅
−1
() = tan
2(Τ )
1 − (Τ )2
当>> ,
< 1时，
相位差接近180，相频特性也接近直线。
一般：
取0.6~0.7。
20
一、绝对式测振传感器原理
振动的测试在生产和科研等各方面都十分重要
4
机械振动的测量
振动给料机
水泥回转窑
5
§1 概述
一、振动的类型
1、按振动的规律分类
（1）稳态振动（确定性振动）
一般分为以下几种：
稳态振动
周期振动
非周期振动
机械振动实验指导书
机械振动实验指导书基础与实验教学中心机械与动力工程学院上海交通大学目录安全注意事项 ....................................... 错误!未定义书签。
实验预备知识 DHVTC振动测试与控制实验系统组成与使用方法错误!未定义书签。
实验一振动系统固有频率的测量 ..................... 错误!未定义书签。
实验二无阻尼单自由度系统强迫振动特性的测量 . (11)实验三有、无阻尼单自由度系统自由衰减的测量 (16)实验四拍振实验 (20)实验五三自由度系统各阶固有频率及主振型的测量 (25)实验六动力吸振器吸振实验 (28)实验七悬臂梁模态测试 (32)实验八被动隔振实验 (35)实验安全注意事项本实验系统尽管在设计、加工和安装时已充分考虑了安全方面的问题，但强烈建议学生使用时注意如下事项：一、通电前仔细检查各活动机械部分，如激振器、偏心电机等的连接紧固情况，确保所有螺栓、卡扣等紧固无误，避免激振或旋转。
二、查看传感器、信号源、激振器等连线正确无误，确保各仪器正常工作。
三、检查各仪器电源线是否插紧插好，各仪器是否可靠接地，以防触电。
四、调压器应放置于桌面宽敞处，尽可能远离其它仪器，并且在使用时只有经检查无误后才能通电，通电前须仔细检查电机偏心轮是否紧固、调压器与电机连线、接地是否可靠，使用完毕应立即断电。
五、激振器和偏心电机工作时，禁止手或是其它物品碰到激振器顶杆和电机偏心轮，以免受伤或物品飞落。
六、所有仪器设备工作过程中发现异常应立即断电，并请专业人员检查维修。
实验预备知识: DHVTC振动测试与控制实验系统组成与使用方法一、DHVTC振动测试与控制学生实验系统的组成如图1-1所示，本系统由“振动测试与控制实验台”、“激振与测振系统”、“动态采集分析系统”组成。
⑴——底座⑸——非接触式激振器⑼——电式速度传感器⒀——单/双自由度系统⑵——支座⑹——接触式激振器⑽——被动隔振系统⒁——压电式加速度传感器⑶——三自由度系统⑺——力传感器⑾——简支梁/悬臂梁⒂——电涡流位移传感器⑷——薄壁圆板⑻——偏心电机⑿——主动隔振系统⒃——磁性表座图1-1 DHVTC振动测试与控制学生实验系统示意图1.1 振动与控制实验台振动测试与控制实验台由弹性体系统（包括简支梁、悬臂梁、薄壁圆板、单双自由度系统、三自由度系统模型）组成，配以主动隔振、被动隔振用的空气阻尼减震器、动力吸振器等，可完成振动与振动控制等20多个实验项目。
机械振动实验报告
机械振动实验报告1. 实验目的本实验旨在通过对机械振动的实验研究，掌握机械振动的基本原理和特性，深入了解振动系统的参数对振动现象的影响。
2. 实验原理（1）简谐振动：当物体在受到外力作用下，沿着某一方向做来回运动时，称为简谐振动。
其数学表达式为x(t) = A*sin(ωt + φ)，其中A 为振幅，ω为角频率，φ为初相位。
（2）受迫振动：在外力的作用下振动的振幅不断受到调节，导致振幅和相位角与外力作用间存在一定的关联关系。
（3）自由振动：在无外力作用下，振动系统的振幅呈指数幅度减小的振动现象。
3. 实验内容（1）测量弹簧振子的简谐振动周期并绘制振幅-周期曲线。
（2）通过改变绳长和质量对受迫振动的谐振频率进行测量。
（3）观察受外力激励时的自由振动现象。
4. 实验数据与结果（1）弹簧振子简谐振动周期测量结果如下：振幅（cm）周期（s）0.5 0.81.0 1.21.5 1.62.0 1.9（2）受迫振动的谐振频率测量结果如下：绳长（m）质量（kg）谐振频率（Hz）0.5 0.1 2.50.6 0.2 2.00.7 0.3 1.80.8 0.4 1.5（3）外力激励下的自由振动现象结果呈现出振幅逐渐减小的趋势。
5. 实验分析通过实验数据处理和结果分析，可以得出以下结论：（1）弹簧振子的振动周期与振幅呈线性关系，在一定范围内，振幅增大，周期相应增多。
（2）受迫振动的谐振频率随绳长和质量的增加而减小，表明振动系统的参数对谐振频率有一定的影响。
（3）外力激励下的自由振动现象符合指数幅度减小的规律，振幅随时间的增长呈现递减趋势。
6. 实验总结本实验通过测量和观察机械振动的不同现象，探究了振动系统的基本原理和特性。
实验结果表明振动系统的参数对振动现象产生了明显的影响，为进一步深入研究振动学提供了基础。
通过本次实验，我对机械振动的原理和特性有了更深入的了解，对实验数据处理和分析方法也有了更加熟练的掌握。
希望通过不断的实验学习，能够进一步提升自己对振动学理论的理解水平，为未来的科研工作打下坚实基础。
机械振动分析方法和故障诊断技巧
机械振动分析方法和故障诊断技巧机械振动是指机械系统中发生的谐波运动，它可能是正常工作的结果，也可能是机械故障的表现。
因此，机械振动分析和故障诊断技巧是确保机械系统安全和可靠运行的重要手段。
本文将介绍一些常用的机械振动分析方法和故障诊断技巧，以帮助读者更好地理解和解决机械振动问题。
首先，机械振动的分析方法可以分为实验方法和数值方法两类。
实验方法主要包括传感器测量和信号处理两个步骤。
传感器测量是通过安装振动传感器或加速度计等传感器，采集机械系统振动信号的幅值、频率、相位等参数。
信号处理则是将传感器采集到的原始振动信号进行滤波、采样、转换等操作，得到频谱图、时域图等振动特征图，从而分析机械振动的特性和问题。
数值方法则是通过建立机械系统的数学模型，利用有限元仿真、边界元法等数值计算方法，得到机械系统的振动响应和特征频率。
这些方法能够辅助工程师更全面地了解机械系统的振动状况，并找出可能的故障原因。
其次，故障诊断技巧是通过分析机械振动信号中的特征频率、谐波共振、幅度变化等信息，判断机械故障的类型和位置。
其中，特征频率是指机械系统在运行过程中产生的振动信号中最明显的频率成分，可以通过振动分析仪器进行测量，并与机械系统的结构、转速等参数进行比对。
通过对比分析，工程师可以确定机械系统是否存在异常振动，进一步判断是否出现故障。
另外，谐波共振是指机械系统中某个部件在特定频率作用下振动幅度显著增大的现象。
通过振动分析，工程师可以判断谐波共振是否超过了设计范围，是否会引起机械系统的损坏。
此外，工程师还可以通过分析振动信号中的幅度变化，判断故障是否逐渐恶化或发展成为严重的问题。
除了上述的分析方法和技巧，机械振动分析和故障诊断还需要结合实际情况和经验。
例如，工程师需要对机械系统的结构、材料、转速等参数进行全面考虑，并根据机械振动的特点和规律，判断可能的故障原因。
此外，工程师还需要掌握振动分析仪器的使用方法和数据处理技巧，以确保结果的准确性和可靠性。
振动实验报告讲解
振动实验报告讲解振动与控制系列实验姓名：李⽅⽴学号：201520000111电⼦科技⼤学机械电⼦⼯程学院实验1 简⽀梁强迫振动幅频特性和阻尼的测量⼀、实验⽬的1、学会测量单⾃由度系统强迫振动的幅频特性曲线。
2、学会根据幅频特性曲线确定系统的固有频率f 0和阻尼⽐。
⼆、实验装置框图图3.1表⽰实验装置的框图图3-1 实验装置框图KCX图3-2 单⾃由度系统⼒学模型三、实验原理单⾃由度系统的⼒学模型如图3-2所⽰。
在正弦激振⼒的作⽤下系统作简谐强迫振动，设激振⼒F 的幅值B 、圆频率ωo(频率f=ω／2π)，系统的运动微分⽅程式为：扫频信号源动态分析仪计算机系统及分析软件打印机或绘图仪简⽀梁振动传感器激振器⼒传感器质量块M或 M F x dt dxdt x d M F x dt dx n dtx d FKx dt dx C dtx d M /2/222222222=++=++=++ωξωω（3-1）式中：ω—系统固有圆频率ω =K/Mn ---衰减系数 2n=C/M ξ---相对阻尼系数ξ=n/ωF ——激振⼒ )2sin(sin 0ft B t B F πω== ⽅程①的特解，即强迫振动为：)2sin()sin(0?π?ω-=-=f A A x （3-2）式中：A ——强迫振动振幅--初相位20222024)(/ωωωn M B A +-=（3-3）式(3-3)叫做系统的幅频特性。
将式(3-3)所表⽰的振动幅值与激振频率的关系⽤图形表⽰，称为幅频特性曲线(如图3-3所⽰)：3-2 单⾃由度系统⼒学模型 3-3 单⾃由度系统振动的幅频特性曲线图3-3中，Amax 为系统共振时的振幅；f 0为系统固有频率，1f 、2f 为半功率点频率。
振幅为Amax 时的频率叫共振频率f 0。
在有阻尼的情况下，共振频率为：221ξ-=f f a (3-4) 当阻尼较⼩时，0f f a =故以固有频率0f 作为共振频率a f 。
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带宽法使用于小阻尼情况，既可用于高阶，也可用于低阶，但两个 半功率点的频率必须相差较大，否则误差很大。
本实验由于两个点的半功率点相隔较近，所以误差也比较大
2.3 实验的操作步骤
1）用自由振动法测量 和 A n
A）用榔头敲击简支梁使其产生自由衰减振动。
B）记录单自由度自由衰减振动波形，将加速度传感器所测振动经测振仪转 换为位移信号后（标准电信号），送入信号采集分析仪（A/D)，让计算机虚拟 示波器以便显示。
C）绘出振动波形图波峰和波谷的两根包络线，然后设定，并读出个波形所
经历的时间t,量出相距i个周期的两振幅 2，0 。按公式计算 和 A n
2）用强迫振动法测量 和 A n
A）加速度传感器置于简支梁上，其输出端接信号采集分析仪，用来测量简支 梁的振动幅值
B）将电动式激振器接入激振信号源输入端，开启激振信号源的电源开关，对 简支梁系统施加交变正弦激振力，使系统产生正弦振动。
2 1 iln A ( n/A n i)
式中：02/T02/Td12---频率比
0
幅频特性曲线如右图：
振幅最大时的频率为共振频率 0 122
由于存在测量参数的不同，存在位移共振、速度共振及加 速度共振三种
振动形 式
阻尼
自由振动 频率
位移共振 频率
速度共振 频率
加速度共 振频率
无阻尼
n/0
机械振动实验课件
振动参数的测定
（固有频率和阻尼比）
一、实验目标
1.1 实验目的
1、了解单自由度系统自由振动的有关概念 2、了解单自由度系统强迫振动的有关概念 3、会根据自由衰减振动波形确定系统的固有频率和阻尼比会 4、根据强迫振动幅频特性曲线确定系统的固有频率和阻尼比
1.2实验重点
1、自由振动的波形特点（周期、频率及振幅） 2、强迫振动幅频特性曲线
为：
1/2 共振时，
， 即： 1 y静 2 2y动
C）激振频率由低到高逐渐增加，记录各激振频率及其该振动频率下相应的振幅 值A。
2．4 实验操作注意点
1）用自由振动法测系统固有频率时，榔头不能敲击过重，以免波 形幅值太大，同时，敲击必须间隔一段时间，避免两次产生的波形 发生重叠。
2）信号源的输出电流不能太大，一般取在200~300毫安之间，激振 头的最大输入电流为500毫安。
1、自由振动法（自由衰减振动法）
1. 用敲击法给系统一初始扰动，使系统产生一个自由振动，同时记录 下振动波形，便可求的系统的固有频率。
对于单自由度系统，其力 学 模型如右图
''
'
x2x2nx 0
0
''
y动
1 x02x20x0
y静
其中 n----衰减系数 2n=C/m 当 xAnest indt（() 小阻力）时，上方程的解为：
那么：
lni / i (ln An / Ani ) / i
---减幅系数
ln A 1/A (2)l2 nA 2[ A (2)/A 2]l1 n A A (22)
又由于 ：
---对数减幅 A2 2 A2
d
如果按幂级数展开，并约去高阶无穷小，那么，
n
所以： lnlnA1/A2ndT
2、带宽法（0.707法） 记录好幅频特性曲线后，找到两个半功率点(21)/20 和 0
阻尼自由振动周期 xBsint() ，即 lneindT/indT>xBsint()
T
周 期：
d 0 1 2
固有频率： A 1/A 2end T
Td2/02n22/012T0/12
可见，用自由振动法测出的系统的固有频率，略小于实际的固有频 率，当阻尼很小时，两者是很接近的。
B）振幅按几何级数衰减
''
'
减幅系数: mxkxcxF0sint
对数减幅 :
''
x0 2x2 n xF 0sin t/m
2 迫振动法（共振法） 利用激振器对被测系统施以简谐激励力，使系统产生强迫振
动，改变激振频率，进行频率扫描，当激振频率与系统的固有频 率接近时，系统产生共振。因此，只要逐渐调节激振频率，同时 测定系统的响应幅值，绘出幅值和频率的关系曲线（即幅频特性 曲线），曲线上各峰值点所对应的频率，就是系统的各阶固有频 率。
3）在拔插传感器接线时，必须首先关闭“信号采集分析仪”。
4） 由于在安装传感器的时候会出现很大的加速度，可能会破坏传 感器内的压电晶体，因此，安放传感器的时候必须保证其轻轻缓慢 的接触(先单边接触，再缓慢放平）。
2．5 实验的其他方法
在测系统的阻尼比时还可以采用放大系数法
在简谐激振力作用 1/2下，有阻尼单自由度系统的放大系数 1
单自由度系统，在简谐激励力的作用下，系统作简谐强 迫振动，系统的微分方程为
''
x0 2x20xF 0sin t/m
T A1
0
式中：n----衰减系数 2n=C/m
强迫振动的一个特解为： B F 0/(K m 2)2(c)2F 0/k* ((12)2(2)2)
式中：B ---强迫振动振幅
---初相位
n/0
n/0
n/0
有阻尼 0 122
n/0
0 12
只有采用速度共振测时，测得的速度共振频率是系统的无阻 尼固有频率，本实验采用速度共振。
2.2.2 阻尼比的测定
阻尼在工程上用A n 表示 A n i
1、自由衰减法
利用自由振动法测出结构的自由振动衰减曲线，随时间t
而变化的曲线，量出相邻的I个振幅iAn/AnieindT 、
式中：A ------ 振动振幅
•
x0
------ 初相位
1/(12)2(2)2----- 有阻尼衰减振动圆频率
设初始条件：t=0时，初始位移d 02，n2 初始速度 (/0)
•
A x0 2[x (0n0x )/ d]2
x0
此波形有如下特点： A) 有阻尼自由振动周期 lneindT/in，dT 大于无
1.3实验难点
1、振动实验台的简化（等效质量的概念） 2、信号测试的方法 3、共振的分类（位移共振、速度共振及加速度共振）
二、具体实验
2.1 实验装置与仪器框图
''
mx c x Kx 0
2.2实验原理
2.2.1 系统固有频率的测定
固有频率是振动系统的一项重要参数。它取决于振动系统结 构本身的质量、刚度及其分布，是结构本身固有特性之一。确定系 统的固有频率的方法很多，比较方便又便于测试的方法有自由振动 法和强迫振动法。