研究结构自由振动的测试方法

蒲 育

（兰州工业学院土木工程学院,兰州 730050）

研究结构自由振动的测试方法

蒲 育

（兰州工业学院土木工程学院,兰州 730050）

具有运动特征的结构自由振动是机电系统的重要组成部分，结构自由运动的振动特性不仅对几机电的工作性能有决定性作用，还能够为材料力学的稳定性研究提供基础数据。本文主要介绍了机械结构自由振动的测试方法以及激励信号的冲击反映，并进一步针对测量中的误差现象进行分析。

结构自由振动；机电系统；基础；测量

1 机械结构自由振动的测试方法

从宏观的角度来看，许多的机械结构以及特性都需要进行相关的测试。对机械的自由振动测试普遍使用的方法是给机械结构赋予一定的刺激形式，比较常用的是正弦扫描激励、冲击激励。按照它的响应进行测定，获得振动特征以及数据参数。机械制造业中，运用于测试振动系统的传统方法是自由衰减振动法。

图1

图1自由衰减方法应用于汽轮机测试振动频率中，汽轮的机叶片由特定的夹具来固定，机叶片的上方一般都有微型转速传感器。自由振动由手锤敲击的叶片来刺激出来，振动响应则是通过速度传感器和信号采集放大器共通转生成信号，传入到计算机中去，做出记录和数据的整理。

本文主要运用的方法是根据结构自由振动特性的衰减测试方法进行的，工作原理参照宏观机械振动测量方法，在具体的操作过程中，会对传统的方式方法有所改进，并具体地做试探性分析研究，结构自由振动的特性测量要结合准确、快速特点来实现。

2 激励信号的冲击反映分析

2.1 自由振动冲击计算

实际上属于信号冲击的响应方式，这是一种能量传递的过程和反映形式。日常的生活中，爆炸、敲击或是碰撞都会发生冲击，冲击现象的复杂性导致无法准确地给予它某种定义，但是冲击现象有一个共同点，就是时间突然且短少，力量较为集中。

系统运动时所产生的冲击力的运动和力为冲击激励，根据此冲击系统不断调整变化运动的冲击相应，在短时间内收到的冲击作用力为f(t)，那么冲击力的计算公式可以为：

显而易见，冲击的响应程度是取决于冲击激励函数的形式的，但最终还是参考系统本身的特征和性能。

激励振动作用的大小要根据一般的具体形势来确定，有的希望响应程度和信号都有所提高，所以从信噪入手，但在这个过程中要注意对设备的保护，避免损坏使用件。

动压电陶瓷所形成的接近线性的变形，会导致待测的微结构反映出稳定的自由衰减震动。

2.2 压电陶瓷的振动特性

压电陶瓷材料主要是各种锆钛酸铅陶瓷，该材料是用来产生高分辨力位移的理想材料。理想情况下，位移与所施加的场强成正比，实际应用中，压电陶瓷将表现出迟滞、非线性和蠕变等现象，影响输出的位移。

温度变化会对压电陶瓷的位移输出产生影响，而且情况较为复杂，如果通过恒温的条件来消除这种影响，系统的应用范围将受到限制。另外压电陶瓷在位移过程中所受负载发生变化时，也对其位移输出的精度产生影响。为了减少压电陶瓷特性造成的误差，目前主要的方法还是对压电陶瓷位移的误差进行软件的补偿。本文将压电陶瓷的变形作为对微结构产生衰减振动的从实验的角度出发，并不需要压电陶瓷的位移输出达到很高的精度，但是要求压电陶瓷能够对信号发生器产生的激励信号迅速响应，并尽可能在压电陶瓷的线性区激发微结构的振动。

综合冲击激励信号的理论分析和压电陶瓷的响应特性，选择斜波作为冲击激励信号能最大程度满足自由衰减振动试验的要求。

3 理论误差分析

针对很多常用的数据模型来说，推到公式都只是近似或等效的，所以不可避免会有一些误差的产生。质量——弹性——阻尼的系统公式同样也有这种问题，主要来说误差的存在体现在几个方面。

3.1 考虑不周全

结构自由振动测试所研究出的振动效果效果具有单自由度的特性，考虑范围可以使测试的竖直面内振动，一旦出现了需要被测量的物件同时存在Z方向的离面振动与X、Y方向的平面振动，理论上的模型就难以实现数据的对应，必然会产生误差。被测量的物件在自由振动上即使以Z为方向，从上往下运动为主，但是其他方向也有振动存在，是不能忽视的。

3.2 考虑综合性

结构自由振动计算的方程式运用在测量的过程，需要把测试品作为单一的黏性阻尼进行综合性研究，在实际操作中，振动系统的阻尼并不会单一单方面的存在，而是会有性质不一的阻尼在同一时间作用，有粘性阻尼，还有平方阻尼，结构阻尼和干摩擦阻尼。其他性质的阻尼，振动系统呈线性相关，在方程的求解上会存在一定的困难，解决这一问题的最佳途径就是通过阻尼的简化，将同时作用的不同性质阻尼简化成黏性阻尼且具有等效作用。不过在计算的过程中，为了避免误差，还会出现更多复杂的情况，所以实行理论的推到过程需要把各种测试中的阻尼综合起来研究，并加入黏性阻尼系统进行考虑。这就导致计算的过程中会与实际出现一定的误差。

上面的部分就是利用理论分析来介绍的误差，目前的力学理论与等效作用中，只能采用这种方式来计算接近真实振动的情况。所以这就要求我们需要不断完善工作中的理论研究，不断开发出更适合实际操作，更具有实际意义的数据模型，不断提高精准度，从而满足实际应用需求。

4 结语

具有运动特征的结构自由运动在科学与技术领域有着广泛的应用，逐步推入产业化结构，结构自由运动的振动特性不仅对产品的工作性能有决定性作用，同时还能够为材料力学的稳定性测试提供有效的数据基础。

[1]吴一辉.微机电系统(MEMS)专题文章导读[J].光学精密工程，2005(13).

[2]洪昕.远距离固体散射体面内位移激光多普勒测量技术的研究[D].天津大学，1999.

蒲育（1984—），男，甘肃天水人，硕士研究生，助教，研究方向：新型材料的力学行为。