靠谱TB固有频率测量仪

对于振动系统，经常要测定其固有频率，常用的方法就是用简谐力激振，引起系统共振，从而找到系统的各阶固有频率。另一种方法是锤击法，用冲击力激振，通过输入的力信号和输出的响应信号进行传函分析，得到各阶固有频率。以下对这两种方法加以说明：
1、简谐力激振
强迫振动频率和系统固有频率相等时，动力系数迅速增加，引起系统共振，由式：
可知，共振时振幅和相位都有明显变化，通过对这两个参数进行测量，我们可以判别系统是否达到共振动点，从而确定出系统的各阶振动频率。
（一）幅值判别法
在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过示波器，我们可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，这就是机械振动系统的某阶固有频率。这种方法简单易行，但在阻尼较大的情况下，不同的测量方法的出的共振动频率稍有差别，不同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样，这样对于一种类型的传感器在某阶频率时不够敏感。
（二）相位判别法
相位判别是根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振是的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素的影响。
（三）位移判别法
将激振动信号输入到采集仪的通道（即x轴），位移传感器输出信号或通过ZJT-601A型振动教学仪积分档输出量为位移的信号输入第二通道（即y轴），此时两通道的信号分别为：
共振时，，x轴信号和y轴信号的相位差为π/2，根据利萨如图原理可知，屏幕上的图象将是一个正椭圆。当ω略大于ωn或略小于ωn时，图象都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如下图所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。

虽然理论上讲在一个位置安装一个传感器就能测量出结构所有阶固有频率，但是却有一些现实方面的影响，主要体现在以下几个方面：


1）与测量位置有关。我们知道在布置模态参考点时，要求避开关心的所有模态的节点位置。同样的道理，固有频率作为三个模态参数之一，同样要遵循这样的要求。


2）与激励位置有关。如果采用测量FRF的方法进行测量，那么，要求激励位置也应该避开关心的所有模态的节点位置。这是因为如果激励位置是某阶模态的节点位置，那么将激励不起来这阶模态，因而这阶模态将不参与结构的响应，导致这阶模态在FRF曲线中不可见。也就是说，对于固有频率测量而言，要求激励与响应位置同时避开模态节点位置。


3）与结构特点有关。如果结构是一个强方向性模态结构，那么，如果只在一个方向布置一个单向传感器，那么必将丢失其他方向的固有频率。因此，对于具有强方向性模态的结构而言，应该在不同的方向布置测点。


当仅在结构一个位置布置传感器进行测量时，由于各阶模态的节点位置都是不相同的，因而，固有频率测量会遭遇与模态参考点相同的风险：一个测量位置会导致一阶或几阶固有频率不可见，因为一个测量位置不是这阶模态的节点，就可能是那阶模态的节点的可能性非常大。因此，强烈建议布置多个测量位置，原理与布置多参考点相同。

固有频率也称为自然频率( natural frequency)。物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关(如质量、形状、材质等)，称为固有频率，其对应周期称为固有周期。物体的频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。 一个系统的质量分布，内部的弹性以及其他的力学性质决定。

为什么存在多阶固有频率
我们在对结构系统进行固有频率测试时，通常能得到多阶固有频率，如下图所示，是对某结构进行固有频率测试。在这个FRF图中存在多个峰值，而每个峰值对应一阶固有频率，因此，结构存在多阶固有频率。那么为什么结构存在多阶固有频率？阶跟什么有关系？
在高中物理课本中，我们就学习过单自由度系统的固有频率公式。用的是单自由度的弹簧-集中质量模型，如下面左图所示。其运动方程为正弦波Asinωt（简谐运动），对应一阶固有频率。对于两自由度系统而言，如下面中图所示，运动方程是两个正弦波叠加的结果，因而，对应两阶固有频率。同时，三自由度系统对应三个正弦波，因而，有三阶固有频率。因此，似乎“阶”与自由度相对应：1个自由度对应1阶固有频率（或者是1阶模态），情况的确是这样的。自由度是指用于确定结构在空间上运动所需要的少、立的坐标个数。质点有三个平动自由度；刚体有六个自由度，分别为三个平动和三个转动自由度。
一个连续体或弹性体实际上有无穷多个自由度，此时，任意连续结构都可以看成是无限多个微刚体组成的，每个微刚体有6个自由度，因而，我们可以认为任意连续结构具有无限多个自由度，但是，所有这些结构又可以近似地看作是由有限个微刚体组成的（比方有限元分析时只能划分有限数量的单元），因此又可以认为连续结构具有有限个自由度。该自由度数决定了解析质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的维数，也决定上理论上存在的固有频率阶数和模态振型阶数。
虽然连续体在理论上是有无限多阶固有频率，但很多情况下我们只关心低阶的固有频率或者特定阶的固有频率。这是因为固有频率越低，越容易被外界所激励起来。另外，结构也可能受到特定的激励，如在某恒定转速下运行，因此，也可能关心特定阶的固有频率。

基频和主频
NVH测试过程中，经常讲基频、主频，它们跟固有频率有什么区别与联系呢？
基频是指结构的阶固有频率。结构发生振动时，通常不会是以某一个频率振动，而是有多个振动频率，通常在这些振动频率中，能量大的振动频率称为主频。因此，这个主频可能是结构的固有频率，也可能是强迫响应频率。 如下图所示的PSD曲线中，存在三个峰值（假设都是固有频率），因而这三个峰值对应三阶固有频率，其中低阶的固有频率为基频，峰值大的频率为主频。基频一定是固有频率，主频可能不一定是结构的固有频率，主频主要看的是能量的大小。因为我们知道，当结构产生强迫振动时，振动的频率是与外界激励频率相等的，但此时，这个激励频率很大程度上不是结构的固有频率，而它的能量又是大的，此时，主频就不是固有频率。

与共振频率的区别与联系
共振是指系统受到外界激励时产生的响应表现为大幅度的振动，此时外界激励频率与系统的固有振动频率相同或者非常接近。共振是一种现象，共振发生时的频率称为共振频率。不管共振发生与否，结构的固有频率是不变的，而只有当外界的激励频率接近或等于系统的固有频率时，系统才发生共振现象。
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置，即节线位置。
对水平放置的平板型系统，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。
叶片的固有频率测定中锤击测定和扫频测定得到的结果有什么差别
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置，即节线位置。
对水平放置的平板型系统，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。