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振动信号采集、处理和分析. 辽宁工程技术大学 力学实验教学中心. 主要内容. 1 、机械振动实验教学指导 ( 机械振动 测试实验 ) 2 、机械振动实验教学指导 ( 锤击法振动实验 ) 3 、机械振动实验教学指导 ( 阻尼、弹模实验 ) 4 、振动信号处理与频谱分析教学指导. 1 、 机械振动实验教学指导 ( 机械振动测试实验 ). 实验 1.1 认识机械振动 实验 1.2 简谐振动幅值与频率的测量 实验 1.3 振动系统固有频率测量 ( 李萨育图 ) 实验 1.4 简支梁自振频率测量 ( 正弦扫频法 )
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振动信号采集、处理和分析 辽宁工程技术大学 力学实验教学中心
主要内容 • 1、机械振动实验教学指导(机械振动测试实验) • 2、机械振动实验教学指导(锤击法振动实验) • 3、机械振动实验教学指导(阻尼、弹模实验) • 4、振动信号处理与频谱分析教学指导
1、机械振动实验教学指导(机械振动测试实验) • 实验1.1 认识机械振动 • 实验1.2 简谐振动幅值与频率的测量 • 实验1.3 振动系统固有频率测量(李萨育图) • 实验1.4 简支梁自振频率测量(正弦扫频法) • 实验1.5 悬臂梁固有频率及振型测量(正弦扫频法) • 实验1.6 主动隔振实验(弹性体隔振实验) • 实验1.7 被动隔振实验 • 实验1.8 单式动力吸振器吸振实验 • 实验1.9 复式动力吸振器吸振实验 • 实验1.10 油阻尼减振器实验 • 实验1.11 拍振实验
1、机械振动实验教学指导(机械振动测试实验) • 实验1.1 认识机械振动 • 实验目的 掌握机械系统中的运动量；了解机械振动及常见的机械振动的类型。 机械系统中的运动量是指位移、速度和加速度。机械系统中运动量的振荡现象，称为机械振动。
实验1.1 认识机械振动 • 机械振动按产生的原因分自由振动、受迫振动、参数振动和自激振动。常见的是自由振动、受迫振动。
实验1.1 认识机械振动 • 自由振动：当系统的平衡被破坏，只靠其弹簧恢复力来维持的振动，即去掉激励或约束之后所出现的振动。振动的频率就是系统的固有频率。存在阻尼时，其振幅逐渐衰减。见下图。
实验1.1 认识机械振动 • 受迫振动：在外部周期激励的持续作用下，系统被迫产生的稳态振动。振动的特性与外部周期激励的大小、方向和频率密切相关。见下图。
实验1.1 认识机械振动 • 对机械振动的测量是通过对运动量的测量，来实现对振动系统动态参数的识别。实验内容是构成悬臂梁的自由振动系统及简支梁的受迫振动系统，观察两个振动系统振幅随时间变化的过程。 • 对运动量测试的传感器有位移传感器、速度传感器和加速度传感器。
1.1.2 实验仪器与设备 • 机械振动综合实验装置（装配组合简支梁和悬臂梁） 1套 激振器及功率放大器 1套 加速度传感器 1只 力传感器 1只 电荷放大器 1台 数据采集系统 1套 信号分析软件 1套 计算机 1台
1.1.3 实验方法与步骤 • 在悬臂梁末端给予一个外界干扰（初位移），然后立即将干扰撤去，系统便作自由振动，观察振幅自由衰减的波形。依次将外界干扰向前移，观察振幅自由振动衰减波形，并将振动波形记录下来。有何变化。 • 在简支梁受迫振动系统中依次用10Hz、20Hz、30Hz的正弦信号激振简直梁，观察简支梁的响应波形，分别将其振动波形记录下。
1.1.4 实验数据处理及分析 • 通过记录的振动曲线，分析悬臂梁系统，在不同位置施加干扰，振动振幅有何变化，衰减过程有何变化。简支梁振动系统，在不同频率正弦信号的激振下，响应波形的振幅及频率有何变化。
实验1.2 简谐振动幅值与频率的测量 • 1.2.1 实验目的 了解简单振动测试系统的组成。掌握激振器、加速度传感器、电荷放大器等常用仪器设备工作原理及使用方法；掌握测试简谐振动系统振幅及振动频率的基本方法。
1.2.2 实验内容与原理 • 振动测试系统通常由三部分组成，分别是激振系统、测试系统和分析系统。激振系统是激发被测结构或机械的振动。 • 激振系统中常用的设备称为激振设备。如激振器、振动台。 • 测试系统是将振动量加以转换、放大、显示或记录。如电荷放大器、示波器、数据采集仪等。 • 分析系统是将测得的结果加以处理，根据研究的目的求得各种曲线和振动参数。常用信号分析软件来实现。 • 本次实验通过测试简谐振动系统的振幅和振动频率，构成一个简单的振动测试系统如下图所示，观察振动系统的组成。
1.2.3 实验仪器及设备 • △ 机械振动综合实验装置（安装简支梁） 1套 △ 激振器及功率放大器 1套 △ 加速度传感器 1只 △ 电荷放大器 1台 △ 数据采集仪 1台 △ 信号分析软件 1套 △ 计算机 1台
1.2.4 实验方法及步骤 • 1、激振系统安装：将激振器通过顶杆作用在简支梁上（注意确保顶杆与激振器的中心在一直线上），激振点位于简支梁中心偏左50mm 处（已有安装螺孔），将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器的输出端与激振器相连接。 • 2、测试系统安装：用双面胶纸（或传感器吸力磁座）将加速度传感器安装在简支梁上（中心偏左50mm）并与电荷放大器的输入端连接，将电荷放大器输出端分别与数据采集仪输入端连接。 • 3、分析系统：数据采集仪输出端与计算机连接，通过专用软件在计算机在观察采集的信号并对采集的数据进行分析处理。
1.2.4 实验方法及步骤 • 4、将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器在某一频率（可以为20Hz），调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V。调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至从数据采集软件的显示窗口能观察到光滑的正弦波，若功率放大器输出功率已较大仍得不到光滑的正弦波，应改变信号发生器的频率。 • 5、用数据采集软件采集10个周期正弦波，显示所包含的时间。 • 6、把在时间域采集的信号转换为频率域内，观察其振动频率 。
1.2.5 实验数据整理与分析 • 1、分别列出加速度传感器电荷灵敏度、加速度传感器与电荷放大器的通道灵敏度以及数据采集幅值读数，并换算出振动加速度，写出转换公式。 • 2、将测量的振动频率与信号放生器激振频率相比较，计算误差，分析误差原因。 • 3、本测试方法能否测量非简谐振动的频率？
实验1.3 振动系统固有频率测量(李萨如图) • 1.3.1 实验目的 以简支梁为例，掌握不同的相位差合成李萨育图形法，学会用共振法测量振动系统的固有频率，加深了解常用简单振动测试仪器的使用方法。
1.3.2 实验内容与原理 • 李萨育图形是由运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运动轨。李萨育图形可以通过示波器或数据采集软件的X-Y轨迹图观察到。在图的X、Y轴上同时输入简谐振动两个信号，这两个信号不同的相位差合成不同的李萨育图形。如图所示。
1.3.2 实验内容与原理 • 共振法测量振动系统的固有频率是比较常用的方法之一。共振是指当激振频率达到某一特定值时，振动量的振动幅值达到极大值的现象。振动的位移、速度及加速度的幅值其各自达到极大值时频率是不同的，只有在无阻尼的情况下，它们频率才相等，并且等于振动系统的固有频率。但在弱阻尼的情况下，三种共振频率接近系统的固有频率。只有速度共振频率真正和固有频率相等，所以用速度共振的相位差判别共振。 • 判别依据：系统发生速度共振时，激振力和速度响应之间的相位差为90，依据位移、速度、加速度响应判断速度共振的李萨育图形分别如下图所示。
1.3.3 实验仪器及设备 • 机械振动综合实验装置（安装简支梁） 1套 激振器及功率放大器 1套 加速度传感器 1只 电荷放大器 1台 信号发生器 1台 数据采集仪 1台 信号分析软件 1套 计算机 1台
1.3.4 实验方法及步骤 • 1、将激振器通过顶杆连接到简支梁上（注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上），激振点位于简支梁中心偏左50mm处（已有安装螺孔），将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器与激振器相连接。该通道信号定义X轴。 • 2、用双面胶纸（或传感器吸力磁座）将加速度传感器粘贴在简支梁上（中心偏左50mm）并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端数据采集仪的输入端相连接。该通道信号定义Y轴。
1.3.4 实验方法及步骤 • 3、将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz，调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V。调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至简支梁有明显的振动（用眼观察或用手触摸）。 • 4、将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，同时观察简支梁的振动情况并在采集软件的示波器处观察李萨育图形。当采集软件的示波器显示出稳定的正椭圆时，信号发生器的频率读数即为振动系统的第一阶固有频率。再将信号发生器的频率向高调节，测出其它阶固有频率。调节信号发生器的频率时应注意观察简支梁的振动幅度，避免振动过大损坏实验设备。
1.3.5 思考 • 1、列出固有频率，并与理论值比较。 • 2、本实验能否用位移传感器？
实验1.5 悬臂梁固有频率及振型测量(正弦扫频法) • 1.5.1 实验目的 以简支梁为例，了解和掌握机械振动系统幅频特性曲线的测量方法以如何由幅频特性曲线得到系统的固有频率，了解常用简单振动测试仪器的使用方法。
1.5.2 实验内容及原理 • 简支梁系统在周期干扰力作用下，以干扰力的频率作受迫振动。振幅随着振动频率的改变而变化。由此，通过改变干扰力（激振力）的频率，以其为横坐标，以振幅B为纵坐标，得到的曲线即为幅频特性曲线。
1.5.3 实验仪器及设备 • 机械振动综合实验装置（安装简支梁） 1套 激振器及功率放大器 1套 加速度传感器 1只 电荷放大器 1台 信号发生器 1台 数据采集仪 1台 信号分析软件 1套 计算机 1台
1.5.4 实验方法及步骤 • 1、将激振器通过顶杆连接到简支梁上（注意确保顶杆与激振器的中心线在一直线上），激振点位于简支梁中心偏左50mm处（已有安装螺孔），将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器与激振器相连接。 • 2、用双面胶纸（或传感器磁座）将加速度传感器粘贴在简支梁上（中心偏左50mm）并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端分别与数据采集仪输入端连接。
1.5.4 实验方法及步骤 • 3、将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。设置信号发生器输出频率为10Hz，调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V。调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大其输出功率直至简支梁有明显的振动（用眼观察或用手触摸）。 • 4、将信号发生器输出频率由低向高逐步调节，观察简支梁的振动情况，若振动过大则减小功率放大器的输出功率。 • 5、保持功率放大器的输出功率恒定，将信号发生器的频率重新由抵向高逐步调节，记录调整频率的变化情况，采集各个调整频率下响应信号振动幅值对应的电压数据。
1.5.5 实验数据整理与分析 • 1、依据在不同频率下测得的振动幅值，以频率为横坐标，以振动幅值为纵坐标绘出加速度幅频特性曲线。 2、根据加速度幅频特性曲线，找出振动系统的固有频率。 3、依据幅频特性曲线，估算振动系统的相对阻尼系数。
实验1.6 主动隔振实验(弹性体隔振实验) • 1.6.1 实验目的 1、建立主动隔振的概念。 2、掌握主动隔振的基本方法。 3、学会测量、计算主动隔振系数和隔振效率。
1.6.2 实验内容及原理 • 在厂矿中，运行中的机器是很大的振源，它通过机脚、支座传至基础或基座。主动隔振就是隔离振源，是振源的振动经过减振后再传递出去，从而减小振源振动对周围环境和设备的影响。主动隔振又称为积极隔振或动力隔振。
1.6.2 实验内容及原理 • 隔振的效果通常用隔振系数n和隔振效率E来衡量。隔振系数定义式为 由上式可知，测量主动隔振的隔振系数涉及到动载荷的测量，测试较复杂，要精确测试很困难。在工程实际中，测试主动隔振系数常用间接方法，具体是测基础在隔振前、后的振幅A1、A2计算隔振系数。
1.6.3 实验仪器及设备 • △ 机械振动综合实验装置（装配简支梁）1套 • △ 力锤 1只 • △ 加速度传感器1只 • △ 主动隔振实验装置1套 • △ 电荷放大器1台 • △ 数据采集仪1台 • △ 信号分析软件（锤击测振软件）1套 • △ 计算机1台
1.6.4 实验方法与步骤 • 1、松开隔振器上平台的四颗螺帽，利用教学软件和振动教学测振仪测量出隔振系统的固有频率F1。然后开动调速电机，调到至一定转速后，用以上方法测量出激振频率F2和阻尼比￡。 • 2、锁紧隔振器上平台的螺帽，使振动器不起作用，测量出隔振前基础的振幅值A1。然后松开隔振器上平台的螺帽，使隔振器起作用，测量出隔振后基础的振幅值A2。 • 3、根据实验数据计算隔振系数的隔振效率。
1.6.5 问题思考 • 隔振器在不同频率激振下的减振效果，是否对各种频率都能起到减振作用？
实验1.7 被动隔振实验 • 1.7.1 实验目的 1、建立被动隔振的概念2、掌握被动隔振的基本方法3、学会测量、计算被动隔振系数和隔振效率。
