测量振动激励和响应信号的基本方法

　　1．机械阻抗与机械导纳

　　机械阻抗与机械导纳的一般定义为

　　　　　　　　　　　　　（1）

　　　　　　　　　　　　　（2）

　　机械系统的激励一般是力，系统的响应可用位移、速度和加速度来表示，故机械阻抗和机械导纳又各有三种形式。位移阻抗又称为动刚度，位移导纳称为动柔度，速度阻抗称为机械阻抗，速度导纳简称导纳，加速度阻抗又称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性。

　　机械阻抗是复量，可写成幅值、相角，或实部、虚部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特图表示。

　　在评价结构抗振能力时常用动刚度，在共振区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一；在分析振动对人体感受影响时，常用速度阻抗；在分析振动引起的结构疲劳损伤时，常用机械惯性；在分析车厢等振动、噪声时则常用速度导纳。

　　机械阻抗测试是在结构上施加激振力，同时测量力和响应，所得机械阻抗只决定于系统本身，而与激振力性质无关。

　　按激励方式的不同，测试方法通常分为稳态正弦激励测试、随机激励测试和瞬态激励测试三种。

　　2．稳态正弦激励测试

　　稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力，最常用的一种激励方式。它具有能量集中，精度高等优点，可分为单点激励和多点激励。所谓单点激励就是采用一个激振器，对结构上某一点进行激励；而多点激励则是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励。

　　图1是对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图。被测试件按实际工作条件固定。在其上选择激励点和测量点，激励点和测量点应避开各阶模态的节点或节线。激振器用橡皮绳悬吊，阻抗头与激振器之间用一个柔性杆连接（以减小激振器对试件非激励方向的附加刚度约束）。信号器输出的单一频率的正弦信号经功率放大器推动激振器，使试件产生受迫振动。振动信号与力信号分别通过电荷放大器放大，并转变为电压信号输入分析仪进行分析运算，结果由记录仪或打印机输出。改变激励频率，重复上述试验，即可获得有关频谱信息。改变激励点和测量点，重复上面的测量则可获得试件上各点的模态参数。

图1　稳态正弦激励测试原理框图

　　阻抗头是一个高精度的，由力传感器和加速度计同轴安装构成的传感器，如图2所示。它装在激振器顶杆和试件之间，前端是力传感器，后面为测量激振点响应的加速度计。在构造上应使两者尽量接近，质量块为钨合金制成，壳体用钛制造。为了使力传感器的激振平台具有刚度大、质量小的性能，采用铍来制造。

　　分析仪器的作用是对激励及响应信号进行采样、变换、运算，从而求出传递函数的幅值、相位或实部、虚部。稳态正弦激励测试常用的分析仪器有两类，即模拟量跟踪滤波器式和数字相关积分式分析仪，也可用FFT分析仪。

　　3．瞬态激励测试

图2　阻抗头
1-力敏压电片；2-加速度信号输出；3-安装面；4-外壳；5-质量块；6-加速度敏压电片；7-力信号输出；8-硅橡胶密封圈；9-驱动端面

　　瞬态激励方法是在被测构件上施加一个瞬态力，使试件产生振动。瞬态激励属于一种宽频率激励，其力的频谱较宽，一次可以同时激出多阶模态，因此是一种快速测试技术。同时，由于它测试设备简单、灵活性大，因此在生产现场使用方便。

　　目前常用的瞬态激励方法为脉冲锤击法，它是用带有力传感器的手锤敲击试件，给试件一个脉冲力。用装在试件上的加速度计或位移传感器测量响应，将力及响应信号同时送入分析仪以求出传递函数。锤击法测试原理如图3所示。

图3　脉冲锤击法测试原理框图

　　脉冲锤是锤击法的主要激振设备，其结构如图4所示。它由锤头、测力计、附加配重和锤柄四部分组成。锤头装在测力计上，敲击时直接与试件接触。

图4　脉冲锤结构

　　为了得到不同的脉冲宽度，锤头可用不同的材料制成，根据测试频响要求，进行更换。锤头的材料越软，其脉冲频谱越窄；反之锤头材料越硬，则脉冲频带越宽。几种常用锤头材料及使用频率范围见表1。

　　脉冲锤的质量（包括锤头、力传感器及附加配重）大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关。若力锤太小，能量不够；力锤太大，灵敏度低。所以应根据试件刚度和质量大小、频率范围等选择力锤的适当大小。

表1　常用锤头材料及使用范围

　　4．随机激振

　　随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，也是一种宽带激振方法。白噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数也是在τ=0处形成陡峭的峰，只要τ稍偏离零，自相关函数就很快衰减，其自功率谱密度函数也接近为常值。当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时，由于功放和激振器的通频带不是无限宽的，所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数，但它仍然是一种宽带激振，能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动。配合频谱分析仪，利用式可以得到被测对象的频率响应。

　　随机激振测试系统虽有可实现快速甚至实时测试的优点，但其作用的设备较复杂，价格也较昂贵。