固有頻率測定方式.doc
實驗三 振動系統(tǒng)固有頻率的測量
一、實驗目的
1、了解和熟悉共振前后利薩如圖形的變化規(guī)律和特點;
2、學習用“共振法”測試機械振動系統(tǒng)的固有頻率(幅值判別法和相位判別法);
3、學習用“錘擊法”測試機械振動系統(tǒng)的固有頻率(傳函判別法);
4、學習用“自由衰減振動波形自譜分析法”測試振動系統(tǒng)的固有頻率(自譜分析法)。
二、實驗裝置框圖
激振信號源
動態(tài)分析儀
計算機系統(tǒng)及分析軟件
打印機或
繪圖儀
簡支梁
振動傳感器
激振器
力傳感器
圖3-1實驗裝置框圖
三、實驗原理
對于振動系統(tǒng),經常要測定其固有頻率,最常用的方法就是用簡諧力激振,引起系統(tǒng)共振,從而找到系統(tǒng)的各階固有頻率。另一種方法是錘擊法,用沖擊力激振,通過輸入的力信號和輸出的響應信號進行傳函分析,得到各階固有頻率。以下對這兩種方法加以說明:
1、簡諧力激振
簡諧力作用下的強迫振動,其運動方程為:
方程式的解由這兩部分組成:
式中、常數由初始條件決定:
其中
,,
代表阻尼自由振動基,代表阻尼強迫振動項。
自由振動周期:
強迫振動項周期:
由于阻尼的存在,自由振動基隨時間不斷得衰減消失。最后,只剩下后兩項,也就是通常講的定常強動,即強迫振動部分:
通過變換可寫成
式中
設頻率比 , 代入公式
則振幅
滯后相位角:
因為 為彈簧受干擾力峰值作用引起的靜位移,所以振幅A可寫成:
其中稱為動力放大系數:
動力放大系數β是強迫振動時的動力系數即動幅值與靜幅值之比。這個數值對拾振器和單自由度體系的振動的研究都是很重要的。
當,即強迫振動頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時,動力系數迅速增加,引起系統(tǒng)共振,由式:
可知,共振時振幅和相位都有明顯變化,通過對這兩個參數進行測量,我們可以判別系統(tǒng)是否達到共振動點,從而確定出系統(tǒng)的各階振動頻率。
(一)幅值判別法
在激振功率輸出不變的情況下,由低到高調節(jié)激振器的激振頻率,通過示波器,我們可以觀察到在某一頻率下,任一振動量(位移、速度、加速度)幅值迅速增加,這就是機械振動系統(tǒng)的某階固有頻率。這種方法簡單易行,但在阻尼較大的情況下,不同的測量方法的出的共振動頻率稍有差別,不同類型的振動量對振幅變化敏感程度不一樣,這樣對于一種類型的傳感器在某階頻率時不夠敏感。
(二)相位判別法
相位判別是根據共振時特殊的相位值以及共振前后相位變化規(guī)律所提出來的一種共振判別法。在簡諧力激振的情況下,用相位法來判定共振是一種較為敏感的方法,而且共振是的頻率就是系統(tǒng)的無阻尼固有頻率,可以排除阻尼因素的影響。
激振信號為:
位移信號為:
速度信號為:=ωYcos(ωt-)
加速度信號為:=-ω2sin(ωt-)
(三)位移判別法
將激振動信號輸入到采集儀的第一通道(即x軸),位移傳感器輸出信號或通過ZJT-601A型振動教學儀積分檔輸出量為位移的信號輸入第二通道(即y軸),此時兩通道的信號分別為:
激振信號為:F=Fsinωt
位移信號為:y=Y sin(ωt-)
共振時,ω=ωn,=π/2,x軸信號和y軸信號的相位差為π/2,根據利薩如圖原理可知,屏幕上的圖象將是一個正橢圓。當ω略大于ωn或略小于ωn時,圖象都將由正橢圓變?yōu)樾睓E圓,其變化過程如下圖所示。因此圖象由斜橢圓變?yōu)檎龣E圓的頻率就是振動體的固有頻率。
ω<ωn ω=ωn ω>ωn
圖3-2 用位移判別法共振的利薩如圖形
(四)速度判別共振
將激振動信號輸入到采集儀的第一通道(即x軸),速度傳感器輸出信號或通過ZJT-601A型振動教學儀積分檔輸出量為位移的信號輸入第二通道(即y軸),此時兩通道的信號分別為:
激振信號為:F=Fsinωt
速度信號為:=ωYcos(ωt-)
共振時,ω=ωn,=π/2,x軸信號和y軸信號的相位差為π/2,根據利薩如圖原理可知,屏幕上的圖象將是一條直線。當ω略大于ωn或略小于ωn時,圖象都將由直線變?yōu)樾睓E圓,其變化過程如下圖所示。因此圖象由斜橢圓變?yōu)橹本€的頻率就是振動體的固有頻率。
ω<ωn ω=ωn ω>ωn
圖3-3 用速度判別法共振的利薩如圖形
(五)加速度判別共振
將激振動信號輸入到采集儀的第一通道(即x軸),加速度傳感器輸出信號輸入第二通道(即y軸),此時兩通道的信號分別為:
激振信號為:
加速度信號為:
共振時,,,x軸信號和y軸信號的相位差為,根據利薩如圖原理可知,屏幕上的圖象將是一個正橢圓。當 略大于或略小于時,圖象都將由正橢圓變?yōu)樾睓E圓,其變化過程如下圖所示。因此圖象由斜橢圓變?yōu)檎龣E圓的頻率就是振動體的固有頻率。
ω<ωn ω=ωn ω>ωn
圖3-4 用加速度判別法共振的利薩如圖形
(三)、傳函判別法(頻率響應函數判別法——動力放大系數判別法)
通常我們認為振動系統(tǒng)為線性系統(tǒng),用一特定已知的激振力,以可控的方法來激勵結構,同時測量輸入和輸出信號,通過傳函分析,得到系統(tǒng)固有頻率。
響應與激振力之間的關系可用導納表示:
Y的意義就是幅值為1的激勵力所產生的響應。研究Y與激勵力之間的關系,就可得到系統(tǒng)的頻響特性曲線。在共振頻率下的導納值迅速增大,從而可以判別各階共振頻率。
(四)、自譜分析法
當系統(tǒng)做自由衰減振動時包括了各階頻率成分,時域波形反映了各階頻率下自由衰減波形的線性疊加,通過對時域波形做FFT轉換就可以得到其頻譜圖,從而我們可以從頻譜圖中各峰值處得到系統(tǒng)的各階固有頻率。
四、實驗方法
(一)、幅值判別法測量
1、安裝儀器
把接觸式激振器安裝在支架上,調節(jié)激振器高度,讓接觸頭對簡支梁產生一定的預壓力,使激振桿上的紅線與激振動器端面平齊為宜,把激振器的信號輸入端用連接線接到DH1301掃頻信號源的輸出接口上。
把加速度傳感器粘貼在簡支梁上,輸出信號接到DH59XX的振動測試通道。
2、開機
打開儀器電源,進入DAS2003數采分析軟件,設置采樣率,連續(xù)采集,輸入傳感器靈敏度、設置量程范圍,在打開的窗口內選擇接入信號的測量通道。清零后開始采集數據。
3、測量
打開DH1301掃頻信號源的電源開關,調大輸出電壓,注意不要過載,手動調節(jié)輸出信號的頻率,從0開始調節(jié),當簡支梁產生振動,振動量最大時,保持該頻率一段時間,記錄下此時信號源的顯示頻率。繼續(xù)增大頻率可得到高階振動頻率。
(二)、相位判別法
1、將激勵信號源DH1301的輸出端信號接入采集儀的應變測試通道(X軸),(或將力傳感器輸出信號接采集儀器的振動測試通道),加速度傳感器輸出信號接采集儀器的振動測試通道(Y軸)。加速度傳感器放在距離梁端1/3處。
2、打開儀器電源,進入DAS2003數采分析軟件,在打開的窗口內,點擊鼠標右鍵選擇信號的時間波形,選擇“X-Y記錄儀方式”,利用利薩如圖顯示兩通道的數據。
調節(jié)信號源的頻率,觀察圖象的變化情況,將加速度傳感器換成速度傳感器和位移傳感器分別測試,觀察圖象,根據共振時各物理量的判別法原理,來確定共振頻率。
1、 調節(jié)DH1301的輸出電壓來調整激振器的激振力大小,從而調整傳感器的輸出幅值大小。
(三)、傳函判別法測量
1、安裝儀器
把力錘的力傳感器輸出線接到DH59XX的振動測試通道的1-1通道;把加速度傳感器安放在簡支梁上,也可把速度傳感器,位移傳感器安放在簡支梁上,輸出信號接到另外一個振動測試通道1-2通道。
2、開機
打開儀器電源,進入DAS2003數采分析軟件,設置各項運行參數,采樣方式選擇瞬態(tài),觸發(fā)方式選擇信號觸發(fā), 分析功能選擇單輸入頻響分析功能。
3、測量
用力錘擊簡支梁中部,就可看到時域波形,點鼠標右鍵信號選擇,選擇頻響曲線,頻響曲線的第一個峰就是系統(tǒng)的一階固有頻率。后面的幾個峰是系統(tǒng)的高階頻率。移動傳感器或用力錘敲簡支梁的其他部位,再進行測試,記錄下各階固有頻率。
(四)、自譜分析法
1、安裝儀器 把加速度傳感器安放在簡支梁上,輸出信號接到振動測試通道1-1通道。
2、開機 打開儀器電源,進入DAS2003數采分析軟件,設置各項運行參數,選擇單頻響分析功能。
3、測量 用力錘擊簡支梁中部,就可看到時域波形,點鼠標右鍵信號選擇,選擇自功率譜,就可得到自功率譜曲線,第一個峰就是系統(tǒng)的一階固有頻率。后面的幾個峰是系統(tǒng)的高階頻率。移動傳感器或用力錘敲簡支梁的其他部位,再進行測試,記錄下各階固有頻率。
五、實驗結果與分析
i. 將用位移、速度、加速度判別共振的結果圖分別繪出來。
ii. 比較各種方法得到的各階模態(tài)頻率。
頻率(Hz)
測試方法
第一階頻率
第二階頻率
第三階頻率
幅值判別法
相位判別法
位移d
速度v
加速度a
傳函判別法
自譜判別法