振动实验指导书 西安建筑科技大学力学实验室 二零零四年六月
I 振动实验指导书 西安建筑科技大学力学实验室 二零零四年六月
前言 在工程实践中存在着大量的振动问题,由于振动学中的概念很多,结论 抽象,数学推导复杂,因此在教学中仅通过数学推导来建立概念,学生接受起 来比较困难。在这种情况下,我室开出了部分振动实验内容,使学生通过观察, 对比,分析,学会通过实验建立正确的牢固的概念,同时在实验中训练学生动 手能力,提髙学生解决实际问题的能力。本书由杨耀锋主编,刘书香参编, 编者水平有限,如有不足之处,请多提宝贵意见。 2004年06月
I 前 言 在工程实践中存在着大量的振动问题，由于振动学中的概念很多，结论 抽象，数学推导复杂，因此在教学中仅通过数学推导来建立概念，学生接受起 来比较困难。在这种情况下，我室开出了部分振动实验内容，使学生通过观察， 对比，分析，学会通过实验建立正确的牢固的概念，同时在实验中训练学生动 手能力，提高学生解决实际问题的能力。本书由杨耀锋主编，刘书香参编，因 编者水平有限，如有不足之处，请多提宝贵意见。 2004 年 06 月
实验守则和要求 1要按时进入实验室。实验进行过程中,不得擅自离开实验室; 2进入实验室,应保持室内安静和整洁,要爱护实验室设备,未经教师同 意,不得乱动仪器设备 3.为保证实验顺利进行,课前应认真预习本实验指导书中有关实验内容, 基本了解实验原理,明确实验要求; 4实验前,应认真听取指导教师对仪器的构造、原理及安全操作、实验步 骤、注意事项的讲解: 5实验准备就绪后,必须请教师检查认可后,方能打开电源进行实验 6实验过程中,如有违犯实验守则而不听教师指导者,教师可作相应处理; 7实验记录经教师检查认可后方可离开实验室 8实验完毕,应将实验装置恢复原状,布置整齐; 9实验报告是处理实验结果的总结材料,实验结束后,按实验要求计算有 关参数,绘制有关图线,按时送交教师审阅
II 实 验 守 则 和 要 求 1.要按时进入实验室。实验进行过程中，不得擅自离开实验室； 2.进入实验室，应保持室内安静和整洁，要爱护实验室设备，未经教师同 意，不得乱动仪器设备； 3.为保证实验顺利进行，课前应认真预习本实验指导书中有关实验内容， 基本了解实验原理，明确实验要求； 4.实验前，应认真听取指导教师对仪器的构造、原理及安全操作、实验步 骤、注意事项的讲解； 5.实验准备就绪后，必须请教师检查认可后，方能打开电源进行实验； 6.实验过程中，如有违犯实验守则而不听教师指导者，教师可作相应处理； 7.实验记录经教师检查认可后方可离开实验室； 8.实验完毕，应将实验装置恢复原状，布置整齐； 9.实验报告是处理实验结果的总结材料，实验结束后，按实验要求计算有 关参数，绘制有关图线，按时送交教师审阅
目录 实验一单自由度系统自由振动实验 试验二单自由度系统强迫振动实验
III 目 录 实验一 单自由度系统自由振动实验....................................................................1 试验二 单自由度系统强迫振动实验....................................................................7
实验一单自由度系统自由振动实验 、实验目的: 1.测定振动系统的固有频率f 2.测定振动系统的阻尼系数n 3.观察小阻尼情况下系统振动按照几何级数衰减的情况: 4.掌握用初干扰法测定系统动力特性参数的实验方法 5.掌握测振仪器的使用方法。 二、实验装置及测振系统框图 拾振器 数据采 弹簧片 测振 微机 放大器 集仪 图一 三、实验原理 实验装置如图一所示,水平台面(其质量为M)被四个下端固定的相同弹 簧片对称支撑着,这样便构成一个小阻尼单自由度水平振动系统,其台面的水 平位移按下面的规律变化。 X=e"sm(√p2-n2t+a) 振动幅值在±Ae两条对数曲线间变化如图二所示: 由理论力学知,相邻振幅之比 Ae -e 为: =e",这个比 值称为振幅减缩率。如果对上式两端 取自然对数得=h=nT,式中 6叫对数减缩率 为了准确计算出δ值,一般取十 个完整的波形取平均值进行计算,则 图二
1 实验一 单自由度系统自由振动实验 一 、实验目的： 1. 测定振动系统的固有频率 f； 2.测定振动系统的阻尼系数 n； 3.观察小阻尼情况下系统振动按照几何级数衰减的情况； 4.掌握用初干扰法测定系统动力特性参数的实验方法； 5.掌握测振仪器的使用方法。 二 、实验装置及测振系统框图 三 、实验原理 实验装置如图一所示，水平台面（其质量为 M）被四个下端固定的相同弹 簧片对称支撑着，这样便构成一个小阻尼单自由度水平振动系统，其台面的水 平位移按下面的规律变化。 sin( ) 2 2 = − + − X Ae p n t nt 振动幅值在 nt Ae− 两条对数曲线间变化如图二所示： 由理论力学知，相邻振幅之比 为： d i d i nT n t T nt i i e Ae Ae A A = = − + − + ( ) 1 ，这个比 值称为振幅减缩率。如果对上式两端 取自然对数得 d i i nT A A = = +1 ln ，式中 δ叫对数减缩率。 为了准确计算出δ值，一般取十 个完整的波形取平均值进行计算，则 拾振器 弹簧片 测 振 放大器 数据采 集仪 微机 图一 图二
I A 上式改写为=-h (Ay是振动j次后的幅值)。 j A 阻尼系数n 测振系统如框图一所示,传感器采用891-2型速度传感器,其技术参数如 表一,该传感器固定于振动平台正上方与物体振动方向相一致,其输出电压与振 动物体速度成正比,由速度传感器输出的电压信号通过专用导线与891型测振 放大器输入端相连接,经过放大器放大或积分(微分)后,将电压信号再送到 INV306DF型数据采集仪输入端,由采集仪进行模拟量到数字量的转换后,输 入给计算机,计算机在测振软件的支持下,实现振动信号的自动采集、振动波 形的屏幕显示和实时处理,在计算机上可方便的测得系统振动的各种振动特性 参数如周期T频率f和振幅A等。可计算出系统的阻尼系数。 这里所使用的方法是初干扰法,即给系统一个初位移或初速度,使系统产 生振动。 表 891-2型拾振器技术指标 档位干 3 4 技术指标 参量加速度|中速度大速度小速度 灵敏度(Vsm或2)01或0.57 30 阻尼常数 7或5 0.65 0.65 0.65 最大|位移(m,DD 70 300 15 量程民度usP2 1.4 1.8 0.5 加速度(m/s,pp) 通频带(Hz,tdB) 0.5-80 1-100|0.5-1002-100 输出负荷电阻(k9) 300 300 300 300 与891型放位移(m) 1×101×104×10 大器配接速度(m/s) 1×1031×104×103 后的分辨「加速度(m/s2)1×10°或 2×10
2 上式改写为 1 1 ln 1 + = Aj A j （Aj+1是振动 j 次后的幅值）。 阻尼系数 f T n d = = 1 测振系统如框图一所示，传感器采用 891-2 型速度传感器，其技术参数如 表一，该传感器固定于振动平台正上方与物体振动方向相一致,其输出电压与振 动物体速度成正比，由速度传感器输出的电压信号通过专用导线与 891 型测振 放大器输入端相连接，经过放大器放大或积分（微分）后，将电压信号再送到 INV306DF 型数据采集仪输入端，由采集仪进行模拟量到数字量的转换后，输 入给计算机，计算机在测振软件的支持下，实现振动信号的自动采集、振动波 形的屏幕显示和实时处理，在计算机上可方便的测得系统振动的各种振动特性 参数如周期 T,频率 f 和振幅 A 等。可计算出系统的阻尼系数。 这里所使用的方法是初干扰法，即给系统一个初位移或初速度，使系统产 生振动。 表一 891-2 型拾振器技术指标 档位 技术指标 参量 1 2 3 4 加速度 中速度 大速度 小速度 灵敏度（ V s/m 或 m V s 2 ） 0.1 或 0.5 7 1 30 阻尼常数 7 或 5 0.65 0.65 0.65 最大 量程 位移（mm,p-p） 70 300 15 速度（m/s,p-p） 1.4 1.8 0.5 加速度（m/s2 ,p-p） 40 通频带（Hz, 1 3 + − dB） 0.5-80 1-100 0.5-100 2-100 输出负荷电阻（kΩ） 300 300 300 300 与 891 型放 大器配接 后的分辨 率 位移（m） 1×10-7 1×10-6 4×10-8 速度（m/s） 1×10-7 1×10-6 4×10-8 加速度（m/s2） 1×10-5或 2×10-6
四、实验方法及步骤 1.阅读仪 器使用说明 书,熟悉各仪 器面板旋钮的 作用; C 2.将速度 L到se 传感器放置在 振动体上,使 传感器与振动 体振动方向保 持一致; 图三放大器前面板 按图 连线,891-2型 传感器输出线 接到891测振 放大器的“输 200年R 入”孔,放 0009090G 大器的输出插 头输入到 INV306DF数 据采集仪的输 入插孔上,数据 图四放大器后面板 采集仪的输出 通过专用排线与计算机输入接口相连,这样就构成了一个振动测试系统。将速 度传感器微型开关2接通可测速度(1接通测加速度),测振放大器上排的“参 数选择”开关K3置于1档或2档时为直通,可用来测加速度或速度置于3档 时积分档,用来测量小位移;置于4档时为积分档,用来测量大位移。下面 排旋钮为“放大倍数选择”开关,K2从1档到10档,放大倍数逐渐增大, 般开始放到1档K2与K3配合后的放大倍数见表二,根据要测的量使二者配合 适当。 3
3 四 、实验方法及步骤 1.阅读仪 器使用说明 书，熟悉各仪 器面板旋钮的 作用； 2.将速度 传感器放置在 振动体上，使 传感器与振动 体振动方向保 持一致； 3.按图一 连线，891-2 型 传感器输出线 接到 891 测振 放大器的“输 入”孔， 放 大器的输出插 头输入到 INV306DF 数 据采集仪的输 入插孔上，数据 采集仪的输出 通过专用排线与计算机输入接口相连，这样就构成了一个振动测试系统。将速 度传感器微型开关 2 接通可测速度（1 接通测加速度），测振放大器上排的“参 数选择”开关 K3 置于 1 档或 2 档时为直通，可用来测加速度或速度;置于 3 档 时积分档，用来测量小位移；置于 4 档时为积分档，用来测量大位移。下面一 排旋钮为“放大倍数选择”开关，K2 从 1 档到 10 档，放大倍数逐渐增大，一 般开始放到 1 档 K2与 K3 配合后的放大倍数见表二，根据要测的量使二者配合 适当。 图三放大器前面板 图四放大器后面板
表二 放大器各档位放大倍数 放大 开关 倍数 位置 参数选择档位 直通102050100|200500100020040005000 10|2050100200400500 3积 分 (K11=30) 5|102550100250500100020002500 分 (K12=10) 125|102050100200400500 4.接通电源,预热后,启动测试软件INV专业版等初始化完成后(约一分 钟),点击“数据采集”后,再点击“随机采样”,先点击屏幕第二项“示波”, 敲击一下振动物体,显示屏上如果出现振动波形则实验连线正常。再点击“采 样参数”,输入实验名:振动实验;实验号:1;采样频率:200;通道数:1: 程控放大倍数10等,其它参数已设好。一般情况下,未经教师许可不要变动 点击右下方“完成”即可,点击“边采边显”敲击振动物体后计算机即可对振 动波形信号进行一边显示一边采集数据并进行存盘,对已采集的波形,采集完 成,可点击“停止”,可通过点击“左滚”或“右滚”进行回放。如果认为波形 不满意,可按上述步骤重新进行采集,直到满意后进行振动信号分析。返回主 菜单,点击“信号分析”,点击“调入”输入所记录的实验名:振动实验、实验 号1等,点击“确定”,该组测试数据即调入屏幕。点击“频域”,点击“自谱 分析(A)”,点击“确定”,即可得到该振动体的固有频率f,点击“×”返回, 点击“时域”,点击“单踪时域分析(S)”;点击“确定”显示屏上显示振动波 形后可移动光标在正弦波形上找i个波峰的最大值后(A1),点击左中“收数” 此时该点值计算机已记录,从第ⅰ个最大值点(即刚才收数向右数十个完整波 形后用鼠标箭头点击第计+10个点的波峰值(A10),再点击“收数”,然后再点 击“列表”,则波形两个峰值点的最大振幅即A和A+0的表格的形式显示在屏 幕上,两个峰值点的时间差值除以十即为振动体的周期T。图五为振动体振幅 随时间衰减的波形图,图中第一个波形的最大振幅为00882m,第十个波形的 最大振幅为00627m,可通过横坐标时间以内有几个波形来测出振动体的固有 频率f,也可由图六幅频特性曲线图找到振动体的固有频率
4 表二 放大器各档位放大倍数 放大 开关 倍数 位置 参数选择档位 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 直通 10 20 50 100 200 500 1000 2000 4000 5000 2 直通 1 2 5 10 20 50 100 200 400 500 3 积 分 （K11=30） 5 10 25 50 100 250 500 1000 2000 2500 4 积 分 （K12=10） 1 2 5 10 20 50 100 200 400 500 4.接通电源，预热后，启动测试软件 INV 专业版等初始化完成后（约一分 钟），点击“数据采集”后，再点击“随机采样”，先点击屏幕第二项“示波”， 敲击一下振动物体，显示屏上如果出现振动波形则实验连线正常。再点击“采 样参数”，输入实验名：振动实验；实验号：1；采样频率：200；通道数：1； 程控放大倍数 1.0 等，其它参数已设好。一般情况下，未经教师许可不要变动。 点击右下方“完成”即可，点击“边采边显”敲击振动物体后计算机即可对振 动波形信号进行一边显示一边采集数据并进行存盘，对已采集的波形，采集完 成，可点击“停止”，可通过点击“左滚”或“右滚”进行回放。如果认为波形 不满意，可按上述步骤重新进行采集，直到满意后进行振动信号分析。返回主 菜单，点击“信号分析”，点击“调入”输入所记录的实验名：振动实验、实验 号 1 等，点击“确定”，该组测试数据即调入屏幕。点击“频域”，点击“自谱 分析（A）”，点击“确定”，即可得到该振动体的固有频率 f，点击“×”返回， 点击“时域”，点击“单踪时域分析（S）”；点击“确定”显示屏上显示振动波 形后可移动光标在正弦波形上找 i 个波峰的最大值后（A1），点击左中“收数” 此时该点值计算机已记录，从第 i 个最大值点（即刚才收数向右数十个完整波 形后用鼠标箭头点击第 i+10 个点的波峰值（A10），再点击“收数”，然后再点 击“列表”，则波形两个峰值点的最大振幅即 Ai 和 Ai+10 的表格的形式显示在屏 幕上，两个峰值点的时间差值除以十即为振动体的周期 T。图五为振动体振幅 随时间衰减的波形图，图中第一个波形的最大振幅为 0.0882m，第十个波形的 最大振幅为 0.0627m，可通过横坐标时间以内有几个波形来测出振动体的固有 频率 f，也可由图六幅频特性曲线图找到振动体的固有频率
di: 0. 00s0S 共:1頁 512s 0.00 每页1Q24点 光标读数 A=6.26544e 0.15 数据列表时间S幅值:m S)时间 0 序号 1009 幅值10067 振帽-时间图线 a060,(.)幄Pe 总确量 频率图线
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五、测试结果 固有频率 振幅A1 振幅A10对数减缩率8阻尼系数n
6 五、测试结果 固有频率 振幅 A1 振幅 A10 对数减缩率δ 阻尼系数 n