研究結構自由振動的測試方法

蒲 育

（蘭州工業學院土木工程學院,蘭州 730050）

研究結構自由振動的測試方法

蒲 育

（蘭州工業學院土木工程學院,蘭州 730050）

具有運動特征的結構自由振動是機電系統的重要組成部分，結構自由運動的振動特性不僅對幾機電的工作性能有決定性作用，還能夠為材料力學的穩定性研究提供基礎數據。本文主要介紹了機械結構自由振動的測試方法以及激勵信號的沖擊反映，并進一步針對測量中的誤差現象進行分析。

結構自由振動；機電系統；基礎；測量

1 機械結構自由振動的測試方法

從宏觀的角度來看，許多的機械結構以及特性都需要進行相關的測試。對機械的自由振動測試普遍使用的方法是給機械結構賦予一定的刺激形式，比較常用的是正弦掃描激勵、沖擊激勵。按照它的響應進行測定，獲得振動特征以及數據參數。機械制造業中，運用于測試振動系統的傳統方法是自由衰減振動法。

圖1

圖1自由衰減方法應用于汽輪機測試振動頻率中，汽輪的機葉片由特定的夾具來固定，機葉片的上方一般都有微型轉速傳感器。自由振動由手錘敲擊的葉片來刺激出來，振動響應則是通過速度傳感器和信號采集放大器共通轉生成信號，傳入到計算機中去，做出記錄和數據的整理。

本文主要運用的方法是根據結構自由振動特性的衰減測試方法進行的，工作原理參照宏觀機械振動測量方法，在具體的操作過程中，會對傳統的方式方法有所改進，并具體地做試探性分析研究，結構自由振動的特性測量要結合準確、快速特點來實現。

2 激勵信號的沖擊反映分析

2.1 自由振動沖擊計算

實際上屬于信號沖擊的響應方式，這是一種能量傳遞的過程和反映形式。日常的生活中，爆炸、敲擊或是碰撞都會發生沖擊，沖擊現象的復雜性導致無法準確地給予它某種定義，但是沖擊現象有一個共同點，就是時間突然且短少，力量較為集中。

系統運動時所產生的沖擊力的運動和力為沖擊激勵，根據此沖擊系統不斷調整變化運動的沖擊相應，在短時間內收到的沖擊作用力為f(t)，那么沖擊力的計算公式可以為：

顯而易見，沖擊的響應程度是取決于沖擊激勵函數的形式的，但最終還是參考系統本身的特征和性能。

激勵振動作用的大小要根據一般的具體形勢來確定，有的希望響應程度和信號都有所提高，所以從信噪入手，但在這個過程中要注意對設備的保護，避免損壞使用件。

動壓電陶瓷所形成的接近線性的變形，會導致待測的微結構反映出穩定的自由衰減震動。

2.2 壓電陶瓷的振動特性

壓電陶瓷材料主要是各種鋯鈦酸鉛陶瓷，該材料是用來產生高分辨力位移的理想材料。理想情況下，位移與所施加的場強成正比，實際應用中，壓電陶瓷將表現出遲滯、非線性和蠕變等現象，影響輸出的位移。

溫度變化會對壓電陶瓷的位移輸出產生影響，而且情況較為復雜，如果通過恒溫的條件來消除這種影響，系統的應用范圍將受到限制。另外壓電陶瓷在位移過程中所受負載發生變化時，也對其位移輸出的精度產生影響。為了減少壓電陶瓷特性造成的誤差，目前主要的方法還是對壓電陶瓷位移的誤差進行軟件的補償。本文將壓電陶瓷的變形作為對微結構產生衰減振動的從實驗的角度出發，并不需要壓電陶瓷的位移輸出達到很高的精度，但是要求壓電陶瓷能夠對信號發生器產生的激勵信號迅速響應，并盡可能在壓電陶瓷的線性區激發微結構的振動。

綜合沖擊激勵信號的理論分析和壓電陶瓷的響應特性，選擇斜波作為沖擊激勵信號能最大程度滿足自由衰減振動試驗的要求。

3 理論誤差分析

針對很多常用的數據模型來說，推到公式都只是近似或等效的，所以不可避免會有一些誤差的產生。質量——彈性——阻尼的系統公式同樣也有這種問題，主要來說誤差的存在體現在幾個方面。

3.1 考慮不周全

結構自由振動測試所研究出的振動效果效果具有單自由度的特性，考慮范圍可以使測試的豎直面內振動，一旦出現了需要被測量的物件同時存在Z方向的離面振動與X、Y方向的平面振動，理論上的模型就難以實現數據的對應，必然會產生誤差。被測量的物件在自由振動上即使以Z為方向，從上往下運動為主，但是其他方向也有振動存在，是不能忽視的。

3.2 考慮綜合性

結構自由振動計算的方程式運用在測量的過程，需要把測試品作為單一的黏性阻尼進行綜合性研究，在實際操作中，振動系統的阻尼并不會單一單方面的存在，而是會有性質不一的阻尼在同一時間作用，有粘性阻尼，還有平方阻尼，結構阻尼和干摩擦阻尼。其他性質的阻尼，振動系統呈線性相關，在方程的求解上會存在一定的困難，解決這一問題的最佳途徑就是通過阻尼的簡化，將同時作用的不同性質阻尼簡化成黏性阻尼且具有等效作用。不過在計算的過程中，為了避免誤差，還會出現更多復雜的情況，所以實行理論的推到過程需要把各種測試中的阻尼綜合起來研究，并加入黏性阻尼系統進行考慮。這就導致計算的過程中會與實際出現一定的誤差。

上面的部分就是利用理論分析來介紹的誤差，目前的力學理論與等效作用中，只能采用這種方式來計算接近真實振動的情況。所以這就要求我們需要不斷完善工作中的理論研究，不斷開發出更適合實際操作，更具有實際意義的數據模型，不斷提高精準度，從而滿足實際應用需求。

4 結語

具有運動特征的結構自由運動在科學與技術領域有著廣泛的應用，逐步推入產業化結構，結構自由運動的振動特性不僅對產品的工作性能有決定性作用，同時還能夠為材料力學的穩定性測試提供有效的數據基礎。

[1]吳一輝.微機電系統(MEMS)專題文章導讀[J].光學精密工程，2005(13).

[2]洪昕.遠距離固體散射體面內位移激光多普勒測量技術的研究[D].天津大學，1999.

蒲育（1984—），男，甘肅天水人，碩士研究生，助教，研究方向：新型材料的力學行為。