振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

4/4振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí).基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)

一、常見(jiàn)的工程物理量

力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等

（一）力：力是物體間的相互作用，是一個(gè)廣義的概念。物體承受的力可以有加載力，也可以有動(dòng)態(tài)力，我們常測(cè)試的力主要是動(dòng)態(tài)力，即給結(jié)構(gòu)施加力，激發(fā)結(jié)構(gòu)的某些特性，便于測(cè)試了解其結(jié)構(gòu)特性，如模態(tài)試驗(yàn)用的力錘。

（二）應(yīng)力應(yīng)變：材料或構(gòu)件在單位截面上所承受的垂直作用力稱為應(yīng)力。在外力作用下，單位長(zhǎng)度材料的伸長(zhǎng)量或縮短量，稱為應(yīng)變量。在一定的應(yīng)力范圍（彈性形變）內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變量成正比，它們的比例常數(shù)稱為彈性模量或彈性系數(shù)。

（三）振動(dòng)位移：位移就是質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的總的距離，也就是說(shuō)當(dāng)質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)，位移就是質(zhì)量塊上、下運(yùn)動(dòng)有多遠(yuǎn)。位移的單位可以用μm表示。進(jìn)一步可以從振動(dòng)位移的時(shí)間波

可以是靜態(tài)位移，可以是動(dòng)態(tài)位移。通常我們測(cè)試的都是動(dòng)態(tài)位移量。有角位移、線位移等。

（四）振動(dòng)速度：質(zhì)量塊在振蕩過(guò)程中運(yùn)動(dòng)快慢的度量。質(zhì)量塊在運(yùn)動(dòng)波形的上部和下部極限位置時(shí)，其速度為0，這是因?yàn)橘|(zhì)量塊在這兩點(diǎn)處，在它改變運(yùn)動(dòng)方向之前，必須停下來(lái)。質(zhì)量塊的振動(dòng)速度在平衡位置處達(dá)到最大值，在此點(diǎn)處質(zhì)量塊已經(jīng)加速到最大值，在此點(diǎn)以后質(zhì)量塊開(kāi)始減速運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)速度的單位是用mm/s來(lái)表示。

（五）振動(dòng)加速度：被定義為振動(dòng)速度的變化率，其單位是用有多少個(gè)m/s2或g來(lái)表示。

由下圖可見(jiàn)加速度最大值處是速度值最小值的地方，在這些點(diǎn)處質(zhì)量塊由減速到停止然后再開(kāi)始加速。

（六）轉(zhuǎn)速：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)速度

（七）簡(jiǎn)諧振動(dòng)及振動(dòng)三要素

振動(dòng)是一種運(yùn)動(dòng)形式――往復(fù)運(yùn)動(dòng)

d＝Dsin（2πt/T＋Φ）

D――振動(dòng)的最大值，稱為振幅

T――振動(dòng)周期，完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間

f――單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù),即周期的倒數(shù)為振動(dòng)頻率，

f＝1/T（Hz）(1)

頻率f又可用角頻率來(lái)表示，即

ω＝2π/T（rad/s）

ω和f的關(guān)系為

ω＝2πf（rad/s）(2)

f＝ω/2π（Hz）(3)

將式（1）、（2）、（3）代入式可得

d＝Dsin（ωt＋Φ）＝Dsin（2πft＋Φ）

可以用正玄或余玄函數(shù)描述的振動(dòng)過(guò)程稱之為簡(jiǎn)諧振動(dòng)振動(dòng)三要素：振幅D、頻率f和相位Φ

（八）、表示振動(dòng)的參數(shù)：位移、速度、加速度

振動(dòng)位移：d=Dsinωt

D

π)

振動(dòng)速度：v=Dωcosωt=Vsin(ωt+

2

V=Dω

振動(dòng)加速度：a=-Dω2sinωt=Asin(ωt+π)

A＝-Dω2

（九）振動(dòng)三要素在工程振動(dòng)中的意義

1、振幅

○振幅～物體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的幅度。

★振幅是振動(dòng)強(qiáng)度和能量水平的標(biāo)志，是評(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

即“有沒(méi)有問(wèn)題看振幅”。

○峰峰值、單峰值、有效值

振幅的量值可以表示為峰峰值（pp）、

單峰值（p）、有效值（rms）或平均值（ap）。

峰峰值是整個(gè)振動(dòng)歷程的最大值，即正峰

與負(fù)峰之間的差值；單峰值是正峰或負(fù)峰

的最大值；有效值即均方根值。

○振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度

振幅分別用振動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振

動(dòng)加速度值加以描述、度量，三者相互之間可以通過(guò)微分或積分進(jìn)行換算。在振動(dòng)測(cè)量中，除特別注明外，習(xí)慣上：

○振動(dòng)位移的量值為峰峰值，單位是微米[μm]或毫米[mm]；

○振動(dòng)速度的量值為有效值（均方根值），單位是毫米/秒[mm/s]；

○振動(dòng)加速度的量值是單峰值，單位是米/秒平方[m/s2]或重力加速度[g]，1[g]=

9.81[m/s2]。

○峰峰值、有效值、單峰值三者之間的量值關(guān)系

單峰值=峰峰值/2，有效值=0.707峰峰值（峰峰值=1.414有效值）

平均值=0.637峰峰值，平均值應(yīng)用較少。

△在低頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與位移成正比；

△在中頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與速度成正比；

△在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與加速度成正比。

頻率低意味著振動(dòng)體在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)少、過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，速度、加速度的數(shù)值相對(duì)較小，因此振動(dòng)位移能夠更清晰地反映出振動(dòng)強(qiáng)度的大小；而頻率高，意味著振動(dòng)次數(shù)多、過(guò)程短，速度、尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，因此振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)加速度成正比。

△振動(dòng)位移反映了振動(dòng)距離（間隙）的大小，振動(dòng)速度反映了振動(dòng)能量的大小，振動(dòng)加速度反映了振動(dòng)沖擊力的大小。

在實(shí)際應(yīng)用中：

△大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)用裝在軸承座上的渦流式位移傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子（軸）的振動(dòng)，用振動(dòng)位移的峰峰值[μm]表示；

△一般轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)用速度傳感器、如今主要是加速度傳感器在殼體上靠近軸承處來(lái)測(cè)量，用振動(dòng)速度的有效值[mm/s]表示；

△齒輪的振動(dòng)用加速度傳感器在殼體上測(cè)量，用振動(dòng)加速度的單峰值[m/s2]或[g]表示，或用振動(dòng)速度的有效值[mm/s]表示。

2、頻率

○頻率f～物體每秒鐘振動(dòng)循環(huán)的次數(shù)，單位是赫茲[Hz]。

★頻率是振動(dòng)特性的標(biāo)志，是分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)。

即“有沒(méi)有問(wèn)題看振幅，什么問(wèn)題看頻率”。

○周期T是物體完成一個(gè)振動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間，單位是秒[s]。例如一個(gè)單擺，它的周期就是重錘從左運(yùn)動(dòng)到右，再?gòu)挠疫\(yùn)動(dòng)回左邊起點(diǎn)所需要的時(shí)間。

頻率與周期互為倒數(shù)，f＝1/T。

對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周就是完成了一個(gè)振動(dòng)過(guò)程，為一個(gè)周期，或者說(shuō)振動(dòng)循環(huán)變化了一次。因此轉(zhuǎn)速n、角速度ω都可以看作頻率，稱為旋轉(zhuǎn)頻率、轉(zhuǎn)速頻率、圓頻率，或n、ω、f不分，都直接簡(jiǎn)稱為頻率，它們之間的換算關(guān)系為：f=n/60，ω＝2πf＝2πn/60≈0.1n，其中轉(zhuǎn)速n的單位為轉(zhuǎn)/分鐘[r/min]，角速度ω的單位為弧度/秒[rad/s]。

○倍頻、一倍頻、二倍頻、0.5倍頻、工頻、基頻、轉(zhuǎn)頻

許多振動(dòng)往往與轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此振動(dòng)頻率也可以用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來(lái)表示。

倍頻就是用轉(zhuǎn)速頻率的倍數(shù)來(lái)表示的振動(dòng)頻率。

如果振動(dòng)頻率為機(jī)器實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率的一倍、二倍、三倍、0.5倍、0.43倍、…時(shí)，則稱為一倍頻（習(xí)慣上又稱為1X，或1×）、二倍頻（2X、2×）、三倍頻（3X、3×）、0.5倍頻（0.5X、0.5×）、0.43倍頻（0.43X、0.43×）、…等。其中，一倍頻，即實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率又稱為工頻、轉(zhuǎn)頻、基頻，0.5倍頻又稱為半頻。

例如，某機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n為6000r/min，那么，轉(zhuǎn)速頻率＝n/60＝6000/60＝100Hz，其工頻為100Hz，二倍頻為200Hz，半頻為50Hz。

3、相位

○相位～給定時(shí)刻振動(dòng)體被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于固定參考點(diǎn)的角位置，單位是度［°］進(jìn)一步的理解后續(xù)再介紹。

（十）波形與頻譜的關(guān)系FFT變換原理

FFT變換示意圖

二振動(dòng)測(cè)量用傳感器

如何檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)呢？測(cè)試系統(tǒng)采集的都是電壓信號(hào)，如何將物理量轉(zhuǎn)換為電量呢？這就需要各種類型的傳感器。

1、傳感器作用：傳感器就是將被測(cè)物量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。

2、傳感器分類：傳感器根據(jù)被測(cè)物量的不同分為：溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、應(yīng)變計(jì)、振動(dòng)傳感器（位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器）、轉(zhuǎn)速傳感器以及噪聲傳感器等；

3、傳感器常用技術(shù)指標(biāo)：

最常用的指標(biāo)：靈敏度：傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成電量后，我們測(cè)到的是電壓，如

何知道真實(shí)物理量變化了多少呢？這就是傳感器的靈敏度指標(biāo)要告訴我們的。靈敏

度就是單位物理量變化產(chǎn)生的電量大小。如位移傳感器靈敏度指標(biāo)：7.87mv/um。單

位：V/EU

4、電渦流式位移傳感器

外形圖

用于測(cè)量軸的振動(dòng)。

靈敏度：200mv/mil＝7.87mv/μm≈8mv5、電動(dòng)式速度傳感器

用于測(cè)量軸承座的振動(dòng)速度。

靈敏度：500mv/in/s＝19.6mv/mm/s

6、壓電式加速度傳感器

靈敏度：25mv/gBently公司標(biāo)準(zhǔn)型

三、振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

△振動(dòng)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常、有無(wú)發(fā)生故障，除查看轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、電流等運(yùn)行參數(shù)外，主要是看設(shè)備的振動(dòng)狀況，看振幅值的大小。

○振動(dòng)烈度

振動(dòng)烈度是振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中的通用術(shù)語(yǔ)，是描述一臺(tái)機(jī)器振動(dòng)能量狀態(tài)的特征量。在國(guó)內(nèi)外振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎都規(guī)定振動(dòng)烈度的度量值為振動(dòng)