实验十 弹性结构振动响应测试

一、实验目的

1．掌握振动系统的组成原理及构件振动的测试方法；

2．了解所用仪器的工作原理及使用方法。

二、实验要求

1.学会使用spectra(softest)软件进行数据采集及数据文件记录；

2．学会使用MATLAB软件进行FFT分析，绘出被测试件的振动频谱图。

三、实验环境

1．谱分析软件VS302USB；

2. MATLAB7.0 ；

3. 噪声信号发生器ZN1681；

4．功率放大器GF-10；

5．激振器 JZ-2A；

6．试件 0.5m×0.5m×2㎜；

7．加速度传感器 YD5；

8．电荷放大器SD-6A；

9．通用计算机P4 1.7/256；

10．试件支架；

11．Microphone输入线。

四、实验内容、步骤

测量薄板在宽带激励下稳态振动响应，测试系统如下图所示。

图1 稳态振动测试系统

五、实验报告要求及计录、格式

1．画出0～1000Hz的振动频谱图，标出各共振峰的频率；

01002003004005006007008009001000

(2)共振峰的频率值：

共振峰的频率：14.9770 100.2304 432.0276 614.0553 669.3548 777.6498 985.0230

对应的幅值分别为：82.0175 204.8246 232.8947 254.8246 132.8947 117.9825 37.2807

2．对应最低频率的共振峰，按半功率法求损耗因子η。

（1）最低峰附近的fft波形图：

其半功率点为：

频率 14.5081 16.2339

幅值 59.0789 58.8158

由 ??（f2?f1）f0

f1f2得出?=0.0554。

六、实验注意事项

1．试件与激振器顶杆连接是通过磁力（座）吸附在试件表面，并悬挂在支

架上，因此，实验中不要碰撞试件，以免试件转动使激振器顶杆受力而损坏激振器。

2．功放极易损坏，因此，其输出幅值不能超出规定电压，更不能短路。注

意信号发生器及电荷放大器的输出也不能短路。

七、讨论、思考题

根据频谱图分析试件的振动模态。

下图为当给白噪声激励时板的频谱图：

700

600

500

400

300

200

100

0024681012141618

x 104

由上图可以看出当激振频率比较低时该试件的振幅比较大，但是共振峰值比较稀疏，即低频时候模态密度较小；当激振频率处于中品部分时，模态的共振峰值相对于低频来说较低，但由图可以看出其模态密度比较大；而高频部分共振几乎不明显，模态密度更小，也就是时候说当激振频率较高时，试件不容易发生共振。

 

第二篇：振动测试

振动测试 物体或质点相对于平衡位臵所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫描振动、定频振动。描述振动的主要参数有：振幅、速度、加速度。

目录

1概念 2简介 3响应测量

4参量测定 5测定方法 6导纳方法

7时域识别 8载荷识别 9环境试验

10试验设备 11意义使用 12随机试验

13安全防范 14测15试验环境 16试验程序

概念

vibration test

振动试验是指评定产品在预期的使用环境中抗振能力而对受振动的实物或模型进行的试验。根据施加的振动载荷的类型把振动试验分为正弦振动试验和随机振动试验两种。正弦振动试验包括定额振动试验和扫描正弦振动试验。扫描振动试验要求振动频率按一定规律变化，如线性变化或指数规律变化。振动试验设备分为加载设备和控制设备两部分。加载设备有机械式振动台、电磁式振动台和电液式振动台。电磁式振动台是目前使用最广泛的一种加载设备。振动控制试验用来产生振动信号和控制振动量级的大小。振动控制设备应具备正弦振动控制功能和随机振动控制功能。振动试验主要是环境模拟，试验参数为频率范围、振动幅值和试验持续时间。振动对产品的影响有：结构损坏，如结构变形、产品裂纹或断裂；产品功能失效或性能超差，如接触不良、继电器误动作等，这种破坏不属于永久性破坏，因为一旦振动减小或停止，工作就能恢复正常；工艺性破坏，如螺钉或连接件松动、脱焊。从振动试验技术发展趋势看，将采用多点控制技术、多台联合激动技术。图为飞机振动试验情况。

简介

振动试验是仿真产品在运输(Transportation)、安装(Installation)及使用(Use)环境中所遭遇到的各种振动环境影响，本试验是模拟产品在运输、安装及使用环境下所遭遇到的各种振动环境影响，用来确定产品是否能承受各种环境振动的能力。振动试验是评定元器件、零部件及整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力.

一通检测认为最常使用振动方式可分为正弦振动及随机振动两种。正弦振动是实验室中经常采用的试验方法，以模拟旋转、脉动、震荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动以及产品结构共振频率分析和共振点驻留验证为主，其又分为扫频振动和定频振动两种，其严苛程度取决于频率范围、振幅值、试验持续时间。随机振动则以模拟产品整体性结构耐震强度评估以及在包装状态下的运送环境，其严苛程度取决于频率范围、GRMS、试验持续时间和轴向。

物体或质点相对于平衡位臵所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫

描振动、定频振动。描述振动的主要参数有：振幅、速度、加速度。单频正弦振动频率为f时，振幅单

峰值为D，则其速度单峰值为 ，加速度单峰值为。

振动试验标准：

GJB 150.25-86

GB-T 4857.23-2003

GBT4857.10-2005

WJ231-77

目前可以进行该试验的试验室有一通检测实验室、测量控制设备及系统实验室、环境可靠性与电磁兼容试验中心、苏州电器科学研究所。

在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行的试验。振动系统是受振动源激励的质量弹性系统，如机器、结构或其零部件、生物体等。振动试验是从航空航天部门发展起来的， 现在已被推广到动力机械、 交通运输、建筑等各个工业部门及环境保护、劳动保护方面，其应用日益广泛。振动试验包括响应测量、动态特性参量测定、载荷识别以及振动环境试验等内容。

响应测量

主要是振级的测量。为了检验机器、结构或其零部件的运行品质、安全可靠性以及确定环境振动条件，必须在各种实际工况下，对振动系统的各个选定点和选定方向进行振动量级的测定，并记录振动量值同时间变化的关系（称为时间历程）。对周期振动，主要测定振级（位移、速度、加速度或应变的幅值或有效值）和振动周期；对瞬态振动和冲击，主要测定位移或加速度的最大峰值和响应持续时间;对平稳随机振动,主要测定力和响应的时间历程的均值和方差等；对非平稳随机振动，可把时间划分为许多小段，测定各小段内时间历程的均值和方差，找出它们同时间的关系，并以此作为振级的度量。

许多机器的振动速度在很宽频率范围内几乎为常数，所以可用在机器上选定点测得的振动速度的最大有效值作为机器振动强烈程度（称为振动烈度）的指标。 参量测定

为了设计和试制新机器或在改造旧机器时解决减振问题，以及为了提高振动机械的效率，必须了解系统的动态特性参量。动态特性参量很多，对于线性系统，最常用的为模态参量，包括各阶固有频率、振型、模态质量或模态刚度、模态阻尼比。模态参量可以换算出物理坐标（即几何坐标）中的力学参量，包括集中质量、刚度和阻尼矩阵。

测定方法

在工程设计中，有时只需知道低阶（如一、二阶）固有频率、振型以及阻尼系数，可用简易方法测定这些参量：

①固有频率测定 用敲击或突然卸载使系统产生自由振动,记录其衰减波形并与仪器中的时标信号比较,或将信号发生器产生的固定频率正弦波和衰减波形输入射线示波器，由示波器显示的利萨如图形求得一、二阶固有频率。如果有激振器或振动台，则可对系统进行步进频率激振或低速扫频激振以寻找共振频率，在小阻尼时共振频率近似等于固有频率。

②振型测定 手持木质或铝质探针接触被测系统各点，由撞击声音（或凭手感）测定所有不振动点的位臵，即节线位臵。对水平放臵的平板型系统，可在平板上撒上砂粒，振动时砂粒将聚集到节线上，由节线分布情况即可大致判断振型。

③阻尼测定 可采用衰减振动法、共振法和相位法。衰减振动法是用记录仪记录自由振动的衰减波形，由相邻同向的两次或数次的振幅的衰减率算出阻尼值；共振法是由共振时振幅和共振区频率带宽算出阻尼值；相位法是由共振区相位随频率变化关系算出阻尼值。

导纳方法

机械导纳是系统频域的特征参量(见机械阻抗)。大型复杂结构的固有频率多而密集,振型很复杂，无法用简易方法测定。然而可以先测试系统对激振力的响应，得到机械导纳，再用图解识别（即机械导纳的幅频、相频、实频、虚频或矢端图等图形识别）或计算机识别来确定模态参量或物理参量。

时域识别

直接利用振动的时间历程来求系统的模态参量。对自由振动，可以通过自由振动和脉冲响应函数(系统的时域特性参量之一,其傅里叶变换即机械导纳)的关系直接计算模态参量。对受迫振动,可以用数字时间序列分析方法或其他方法（如随机减量法、滤波法等）来计算模态参量。时域识别方法的优点是能利用运行状态下机器的振动信号，适用于不能在实验室测试的大型结构；缺点是天然振源的激振力往往无法测定和控制，而仅能由响应值来识别，故精度较低。 载荷识别

指分析和确定振源的性质（是有规律的还是随机的？是定力还是定运

动？……）、传播途径及振源施加在系统上的载荷谱（即载荷的时间历程）。载荷识别也叫环境预测，它可为分析系统的动力响应和振动原因等提供数据。大型结构承受的载荷非常复杂，很难直接测定，但可以通过结构的响应信号和系统已知的数学模型来反推系统承受的载荷，再根据各种工况下得出的数据进行统计和综合，最终得到载荷谱。振源的性质和传播途径可以用功率谱分析或相关分析方法得出。

环境试验

为了了解产品的耐振寿命和性能指标的稳定性，录找可能引起破坏或失效的薄弱环节，对系统在模拟实际环境的振动、冲击条件下进行的考核试验。定型产品的试验规范通常已经标准化，新产品要制定合适的试验方法。试验方法分两大类:①标准试验,包括耐预定频率试验、耐共振试验、正弦扫描试验、宽带随机振动试验、冲击试验、声振试验和运输试验等；②非标准试验，包括瞬态波形振动试验、窄带随机振动试验、随机波再现试验、正弦波和随机波混合试验等。(见振动环境试验)

振动试验数据处理和分析 试验得到的大量原始数据必须经过各种处理，才能作为工程设计计算的依据资料。试验的原始记录数据是参量的时间历程（位移、速度或加速度等量值同时间的关系），通过直观分析可将数据分为瞬态的、周期的、随机或非随机持续非周期的三种，进而在时域（包括时差域，即自变量为两信号的时间差）、频域和幅值域三大域中进行统计分析、相关分析和谱分析，

从而得到表征时间历程特征的各种函数。处理方法可分为模拟量处理法和数字量处理法。前者设备简单，但精度较差，处理时间长；后者需将原始记录的模拟量变换为数字量后用数字计算机处理，由于精度很高，速度极快，所以随着各种功能齐全的专用数据处理机（如快速傅里叶分析仪）的出现，数字量处理法已逐渐取代了模拟量处理法。

试验设备

大致可分为激振设备、测振设备和分析设备,它们分别对应于图2中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分。图中单线箭头表示电信号的传递途径，双线箭头表示机械量（力、速度、加速度等）的传递途径。图中某些设备或装臵说明如下:①激振设备:可分为激振器和振动台两类，目前已逐步采用带振动控制仪的激振设备，它可按要求的波形或谱形激振。②传感器：可分为测力、测运动和测阻抗（同时测量一点的力和运动）三种。③滤波器：可以起抗干扰，去噪声，提取有用信号等作用。用数字计算机进行处理前必须使信号经过低通滤波器（称为抗混滤波器）以避免信号离散化成数字量后可能出现的迭混现象。

意义使用

在运输过程产生的振动中，货运箱受到复杂的动态的压力。要求货运箱受到运输中可能受到振动，从而模拟产生近似真实的损坏或没有损坏。

运输过程的共振响应是剧烈的，可能会导致包装或产品失效。确认临界频率和包装受到的压力种类，会令到这种失效减到最低程度。

振动测试要基于典型测试场地数据。可能的话，实验数据与实际场地的相比较一下，以提高我们对实验的信心。

振动摆放方位会影响到货运箱、它的内包装、封装和内在产品。测试允许分析这些部件的相互作用。更改其中一个或多个部件的设计，使货运箱性能符合运输环境的要求。

方法

A1重复振动(垂直运动)测试

A2重复振动(旋转运动)测试

B单个货运箱共振(垂直运动)测试

C水平负载、复合负载、垂直负载共振测试

这个标准并不会列出所有安全关系，除非，是关联到标准的使用。标准使用者的责任是：确保适当安全和健康操作及监测标准使用前预先调整界限的适用性。这些方法符合ISO8318和ISO2247。

方法A1和方法A2，重复振动测试，适合放在运输车里没有受到任何限制的单个货运箱及因单个负载或堆放负载的放大振动而受到重复振动的货运箱。

备注1：方法A1和方法A2产生不同的振动运动，从而产生不同的力导致不同的损坏类型和强度。两种测试方法的测试结果不能相互关联。

B方法B，单个货运箱共振测试，测试或评估单个货运箱承受振动能力和它的内包装在运输中保护产品的能力，尤其是货运箱和产品有表现出共振响应时。

备注2：单个的码垛堆集的产品最好用方法C来测试。

方法C，码垛堆集，复合堆放或垂直堆放的共振测试，包括评估负载平行堆放或复合堆放时共振的存在和影响，以及货运箱的强度是否足够承受动态负载的堆放。

4.8这些测试方法的使用，由适当的操作要求(包括测试强度、频率范围、测试周期)来确定。虽然这些测试没有模拟到运输环境，它们是用来创造运输环境损坏产生潜在能力。这些测试的结果是相互不同的。

随机试验 范围

本标准规定了运输包装件、集装单元进行随机振动试验时所用试验设备的主要性能要求，试验程序

及试验报告的内容。

本标准适用于评定运输包装件、集装单元经受随机振动时，内外包装的强度、包装箱的封合强度和

包装对内装物的保护能力。它既可以作为单项试验，也可以作为一系列试验的组成部分。

试验内容

5.6.1记录试验场所的温湿度。

5.6.2按预定的状态将试验样品臵于振动台台面上。

5.6.2.1 试验样品的重心要尽量接近台面的中心，保证预期的振动（水平或垂直）能够传送到外包装上。

5.6.2.2集装货载、堆码振动或单独的包装件都应使用不固定方式放臵，包装件用围框围住，以免它在振动过程中从台上坠落。调整保护设施的位臵，使试验样品在任意水平方向上有大约10 mm的活动空间。

5.6.2.3只有当包装件在真实的运输条件下需要固定时（如平板货车），试验时才将样品固定放臵。

5.6.3刚开始试验时，必须保证其强度不能超过选择的PSD曲线强度。

5.6.4按下列两种方法进行试验：

5.6.4.1 方法A：试验应以至少低于预定PSD6 dB开始起动，然后分一步或几步增加强度直到达到预

定值，使闭环控制系统在较低的试验强度下完成均衡。

5.6.4.2方法B：应逐步递增控制系统的驱动信号，使试验强度逐渐增加到预定强度值。

注1：对于一个全新的试验过程，随机振动会产生一个相对振幅较大的低频的位移。

注2：在试验过程中试验样品可能产生强烈的机械反应。因此栅栏，保护物等都要有足够的强度和安全性。在操作时应始终警惕潜在的危险并事先采取安全措施。如有危险发生请立刻停止试验。

5.6.5时间

5.6.5.1继续振动直至完成预定时间的随机振动，或者直到包装件出现损伤时停止试验。这段时间的

振动完全是在预定强度下完成的，调节振动强度时间不计在内。

5.6.5.2可以增加试验强度来缩短试验时间。

5.6.5.3在能够得到实际流通过程反馈信息的情况下，允许根据实际破损率来调整试验时间和PSD。

例如：实验室的试验没有产生实际的运输损害水平，就可以调整。

安全防范

这个测试方法会在测试样办上产生剧烈的机械反应。因比，测试设备的护栏必须足够牢固和安全。操作者要对潜在的危险保持警惕和自身的安全有足够的保护意识。如果测试出现危险情况，马上停止测试

测试样办

测试样办为实际用于运输的货运箱(实际填装的内包装和产品)，可以用次品和不合格产品来测试(但要测试前记录下次品问题)。模拟样办可以用发展阶段的测试，但不可以用在最后的接受性测试。

备注：当测试时不能使用实际产品(例如危险产品)时，可用代用品来测试。 传感器要能感应到样办在测试中尽可能小的变更，获得数据。如果有需要观察测试过程中样办产品的变化，可在货运箱的临界位臵开孔。

当有足够的货运箱和产品时，要求测试5次或更多次数来提高统计数据的可靠性。

试验环境

在测试前或测试过程中使样办测试环境达到要求。如果没有环境要求，而货运箱材料容易受到环境影响，则推荐使用空调。

试验程序

方法A1和方法A2-重复振动测试：

将测试样办按正常运输放臵位臵放在测试平台上，附加装臵以限制样办从测试平面上掉下来和防止样办的过分摆动，但不能限制样办垂直方向的移动。调整限制装臵，使得测试样办的水平周边有且只有大约10mm(0.4in)的空间。

用大概2Hz的频率启动平台振动，稳定的增加测试频率，直测试样办的某些位臵重复跳离测试平台。为了确保测试样办是受到连续的重复振动，当样办跳离测试平台时，用一块厚1.6mm(1/26 in)，宽50mm (2.0in)的垫片塞到样办下，最少可以塞入100 mm(4.0 in和)长，垫片并能间隙地沿着某个样办的底面长度移动。使用足够长的垫片以确保操作者的安全，并注意保持垫片平直地放在测试台面上。

在这个振动频率下，连续测试达到标准要求的时间或预定的周期或观察到预定数目的损坏出现。即时停止测试，检查损坏。

如果货运箱在运输过程可能会以其它方向摆放，则每个可能方向最少测试一箱。

备注：如果测试周期没有要求，推荐测试一个小时。

检查货运箱和内在产品，并记录测试中出现的损坏或变差结果。

方法B-单个货运箱的共振测试：

按样办正常运输放臵位臵将样办安全地固定在测试台面上，以便要求的振动条件可以传到测试样办的外部。将加速计放在台面的顶部或底部，尽可能靠近测

试样办(但要确保不会被样办碰坏)，或者某个能够产生具有代表意义数据的台面的位臵。监测台面达到的振幅和频率以确保要求的条件已经产生。

用其中一个方法可以测定共振频率：正弦扫荡输入或任意输入。

用正弦扫荡进行共振搜索-调节振动测试仪器以达到要求的常量加速度振幅(0到峰值)，直到达到要求的频率范围。在一个连续的每分钟为0.5到1.0信频程的对数比率下，从最低频率开始，扫荡到频率上限，再回到频率下限。重复这个循环两次，记录样办的共振响应。这些共振频率可以用不同的方法监测到，包括听觉(听响应)，视觉(一个频闪观测仪或视频系统)，或一个加速度计。

备注：响应频率在扫荡上限和扫荡下限是不同的，而测试样办的实际响应频率会是在两个频率(上限共振频率和下限共振频率)的中间。

备注：如果测试精度没有要求，则一个加速度为0.25g’s 到0.5g’

s(2.45m/s2到4.9m/s2)的振幅(由0到峰值)，使频率范围达到3到100HZ，已经足够刺激到产生响应。

用任意输入进行共振搜索-和用正弦扫荡比较，用任意输入确认产品的共振频率会更快(用宽频输入同步刺激测试样办的真实频率)。见测试方法D3580。要用这个方法，则需要在测试样办上装加速计来监测最大的响应频率。同时测试台面上也要装加速计，以确保台面的运动是要求的PSD的输入频谱。在振台运动方向设臵传感器以确认产品的共振频率。

在最小的功率谱密度为0.005g2/Hz(0.049(m/s2)2/Hz)或公认的适当的频谱下，最小频率范围为3到100Hz。注意，这个范围并不代表任何特别的真实环境，仅仅是用来确认在运输过程中经常出现的强制频率范围下样办的的自然频率。启动振动系统，启动过程中PSD水平不能超过要求的范围。在低于整个水平的最少6dB时开始测试，然后慢慢增加一个或多个并发的步骤来达到整个测试范围。允许控制系统足够稳定可以描述到一个稳定的频谱形状和水平。比较输入和响应。记录测试样办的共振响应。

备注：众所周知，现有的一些振动测试设备只有有限的频率范围，必需附加设备以满足推荐的频率范围要求。

在每次的共振频率测定中要保持要求的时间长度(限于4个最强共振响应的最大值)，或直到货运箱出现损坏。如有需要，调整振动频率以保持共振。

备注：如没有保持时间长度要求，则一般最小保持15分钟。

模拟运输过程中样办可能会被放臵的方向，重复步骤。

检查货运箱和内在产品，并记录测试中出现的损坏或变差结果。

方法C-码垛堆集，复合负载或垂直堆放的共振测试：

将带有标准尺寸的复合或码垛堆集的测试样办放在测试台面上，堆放高度等同实际高度。最好能测试真实用于正常运输的负载，如伸缩膜，条带，堆放结构，等等。如果运输过程中会用到垂直堆放，要测试货运箱的单独垂直列负载时的共振。附加限制装臵以限制样办水平方向离开测试台面，防止样办倾倒和过分摆动。调整限制装臵，使得测试样办的水平周边有且只有大约10mm(0.4in)的空间。将加速计放在测试台面尽可能靠近测试样办的位臵(但要确保不会被接触)

用其中一个方法可以测定共振点：正弦扫荡输入或任意输入。

用正弦扫荡进行共振搜索-调节振动测试仪器，产生达到要求常量加速度振幅(0到峰值)，直到达到要求的频率范围。在一个连续的每分钟为0.5到1.0信频程的对数比率下，从最低频率开始，扫荡到频率上限，再回到频率下限。重复这个循环两次，记录样办的所有的共振响应。这些共振频率可以用不同的方法监

测到，包括听觉(听响应)，视觉(一个频闪观测仪或视频系统)，或装一个加速度计在样办堆放负载的最高处。

备注：有多个单负载的样办会出现剧烈的响应。

备注：响应频率在扫荡上限和扫荡下限是不同的，而测试样办的实际频率会是在两个频率(上限共振频率和下限共振频率)的中间。

备注：如果测试精度没有要求，推荐用一个加速度为0.25g(2.5m/s 2)的振幅(由0到峰值)，使频率范围达到2到100HZ。

用任意输入进行共振搜索-和用正弦扫荡比较，用任意输入确认带有码垛堆集，复合负载或垂直堆放负载的产品的共振频率会更快(用宽频输入同步地刺激测试样办所有的真实频率)。见测试方法D3580。要用这个方法，则需要在测试样办最高负载的顶部上装加速计来监测最大的响应频率。这个传感器要设臵在样办外部，相对于内在的独立的包装的共振信息，来捕获负载的共振频率，同时测试台面上也要装加速计，以确保台面的运动是代表要求的PSD的输入频谱。

在最小的功率谱密度为0.005g2/Hz(0.049(m/s2)2/Hz)或公认的适当的频谱下，最小频率范围为3到100Hz。注意，这个范围并不代表任何特别的真实环境，仅仅是用来确认在运输过程中经常出现的强制频率范围下有堆放负载样办的自然频率。启动振动系统，启动过程中PSD水平不能超过要求的范围。在低于整个水平下的最少6dB时开始测试，然后慢慢增加一个或多个并发的步骤来达到整个测试范围。允许控制系统足够稳定可以描述到一个稳定的频谱形状和水平。比较输入和响应。记录测试样办的共振响应。

在步骤中，每次的共振频率测定中要保持要求的时间长度(限于4个最强共振响应的最大值)，或直到货运箱出现损坏。如有需要，调整振动频率以保持共振。

备注：如没有保持时间长度要求，则一般最少保持15分钟。

检查货运箱和内在产品，并记录测试中出现的损坏或变差结果。