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          廣東萊伯通試驗設備有限公司

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          文章詳情

          激勵方式

          日期:2022-12-09 21:25
          瀏覽次數:145
          摘要:在測量機械設備或結構的振動力學參量或動態性能,如固有頻率、阻尼、剛度、響應和模態等時,需要對被測對象施加一定的外力,讓其作受迫振動或自由振動,以便獲得相應的激勵及其響應。激勵方式通??梢苑譃榉€態正弦激振 、瞬態激振和隨機激振三種。
          穩態正弦激振



          穩態正弦激振是*普遍的激振方法,它是借助激振設備對被測對象施加一個頻率可控的簡諧激振力。穩態正弦激振頻率改變有兩種方式,即線性掃頻和對數掃頻,對于被測結構關心固有頻率范圍不大的情形,采用線性掃頻;對于關心固有頻率范圍較大的情形,采用對數掃頻。


          掃頻速度的控制:頻率的變化要盡可能慢,以使系統響應達到穩定狀態。在共振區附近,頻率改變要小,而在非共振區,頻率改變可以多一些。這對于小阻尼系統尤為重要。


          其優點是:激振功率大,能量集中、信噪比高,能保證響應測試的精度;信號的頻率和幅值易于控制;激勵的能量級不同時,在非線性結構中將產生不同的頻率響應函數,因而能檢測出系統的非線性程度;采用適調多點激勵時,在模態實驗中可以直接得到頻域數據。


          其缺點是:需逐個測量各個頻率點上的穩態響應,測試周期長,特別是小阻尼結構,更加明顯;不能通過平均消除系統非線性因素的影響;容易產生泄漏誤差。


          瞬態激振



          瞬態激振為對被測對象施加一個瞬態變化的力,是一種寬帶激勵方法。常用的激勵方式有快速正弦掃描激振、脈沖激振、階躍(張弛)激振三種。


          1. 快速正弦掃描激振

          激振信號由信號發生器供給,其頻率可調,激振力為正弦力。但信號發生器能夠作快速掃描,激振信號頻率在掃描周期T內成線性增加,而幅值保持不變。

          快速正弦掃描激振力信號的函數

          達式為:



          圖片

          該激勵方式能在兩極限頻率之間產生一平直譜,而在極限頻率之外,譜幅為零,即矩形頻譜。幅值頻譜在起始頻率f上與終了頻率f下處有明顯的躍遷,基本上呈矩形,頻譜曲線的平均值上疊加的小波幅與T的算數平方根的倒數成正比,這種激勵可以很方便地選定和準確控制所需的激振頻率范圍。

          圖片

          其優點是:可消除泄漏誤差,信噪比好,測試速度快,容易控制激勵的頻率含量等。


          其缺點是:為控制猝發時間,需特殊硬件,不能消除結構非線性因素的影響。


          2. 脈沖激振

          脈沖激振是用一個裝有傳感器的錘子(又稱脈沖錘)敲擊被測對象,對被測對象施加一個力脈沖,同時測量激勵和被測對象。脈沖的形成及有效頻率取決于脈沖的持續時間。而持續時間則取決于錘端的材料,材料越硬,持續時間越小,則頻率范圍越大。


          其優點是:脈沖錘激振設備簡單,價格低廉,使用方便,對工作環境適應性較強,特別適應于現場測試;激勵頻率成分與能量可大致控制,試驗周期短,無泄漏。


          缺點是:信噪比較差,特別是對大型結構,激勵能量往往不足以激起足夠大的響應信號。且在著力點位置、力的大小、方向的控制等方面,需要熟練的技巧,否則會產生很大的隨機誤差。


          3. 階躍(張弛)激振

          階躍激振是通過突加或突卸力載荷(或位移)實現對系統的瞬態激勵。如使用一根剛度大、重量輕的繩索拉緊被測結構某一部分,突然釋放繩索中的拉力,就會形成系統的一個階躍激勵。


          階躍激勵的特點是能給結構輸入很大的能量,但激勵中高頻成分較少,一般只能激勵出系統的低階主振動。


          階躍激振屬于寬帶激振,適用于大型、重型結構的模態分析在建筑結構的振動測試中被普遍應用。它一般是在其它激勵很難實現時采用,并非一種常用且優選的激勵方式。



          隨機激振



          隨機激振是一種寬帶激振,一般用純隨機、偽隨機或猝發隨機信號為激勵信號。


          1. 純隨機信號

          純隨機信號一般由模擬電子噪聲發生器產生,經低通濾波成為限帶白噪聲,在給定頻帶內具有均勻連續譜,可以同時激勵該頻帶內所有模態。白噪聲的自相關函數是一個單位脈沖函數,即除τ=0 處以外,自相關函數等于零,在τ=0 時,自相關函數為無窮大,而其自功率譜密度函數幅值恒為1。


          實際測試中,當白噪聲通過功放并控制激振器時,由于功放和激振器的通頻帶是有限的,所以實際的激振力頻譜不能在整個頻率域中保持恒值,但如果在比所關心的有用頻率范圍寬得多的頻域內具有相等的功率密度時,仍可視為白噪聲信號。


          純隨機信號優點是:可以經過多次平均消除噪聲干擾和非線性因素的影響,得到線性估算較好的頻響函數;測試速度快,可做在線識別。


          其缺點是:容易產生泄漏,雖然可以加窗控制,但會導致分辨率的降低,特別是小阻尼系統;激振力譜難以控制。


          2. 偽隨機信號

          將白噪聲在時間T(單位為s)內截斷,然后按周期T重復,即形成偽隨機信號。偽隨機信號自相關函數與白噪聲的自相關函數相似,但由于它有一個重復周期T,它的自相關函數Rx(t)在τ=0時,T、2T、...以及-T、-2T,... 各點取值為a2,而在其余各點之值均為零。


          偽隨機信號激勵方法,既具有純隨機信號的真實性,又因為有一定的周期性,在數據處理中避免了統計誤差。


          偽隨機信號優點是:激勵信號的大小和頻率成分易于控制,測試速度快;如果分析儀的采樣周期等于偽隨機信號周期的整數倍,就可以消除泄漏誤差。


          其缺點是:抗干擾能力差;由于信號的嚴格重復性,不能采用多次平均來減少噪聲干擾和測試結構非線性因素的影響。


          3. 猝發隨機信號

          猝發隨機激勵只在測量周期的初始一段時間輸出信號,其占用時間可任意調節,以適應不同阻尼的結構。與連續隨機信號作為激勵源不同的是,猝發隨機激勵時,能保證一個測量窗的響應信號完全由同一測量窗的激勵信號引起,輸入與輸出相干性較好。而連續隨機信號激勵時,下一個測量窗的響應信號可能有一部分是由上一個測量窗的激勵信號引起。


          猝發隨機信號具有周期隨機信號的全部優點,既具周期性,有具隨機性,同時有具瞬態性,測試速度較偽隨機要快,是一種優良的激勵信號。


          其缺點是:為了控制猝發時間,需增加特殊硬件設備。


          本文根據百度文庫中的西安交通大學PPT講義《現代力學測量技術第三部分振動的激勵與激振設備》的部分內容整理而成,講義由sxer636分享,講義原作者不詳,故而未能標注,望見諒。


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