機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)（第3版）課件：典型測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

典型測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

典型測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例10.1應(yīng)變測(cè)量案例10.2溫度測(cè)量案例10.3位移測(cè)量案例10.4噪聲測(cè)量案例10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例

10.6旋轉(zhuǎn)機(jī)械的網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)診斷重點(diǎn)：掌握一些實(shí)際的測(cè)試技術(shù)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一個(gè)基本的概念，學(xué)會(huì)分析方法與設(shè)計(jì)思路

掌握測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法了解噪聲測(cè)量基本方法了解模態(tài)分析基本概念回顧測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1）明確測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)（2）測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（3）測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)a)測(cè)量精度設(shè)計(jì)b)測(cè)量方法的選擇c)傳感器的確定d)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的確定e)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（4）測(cè)試系統(tǒng)的性能評(píng)定10.2溫度測(cè)量案例10.2.1溫度測(cè)量方法簡(jiǎn)介溫度測(cè)量的特殊要求

所選擇參數(shù)僅是溫度的單值函數(shù)

選擇參數(shù)與溫度之間的函數(shù)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、連續(xù)變化

測(cè)溫介質(zhì)能夠迅速與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到熱平衡，溫度跟蹤性好常見的測(cè)溫方法利用熱脹冷縮原理利用熱電效應(yīng)

利用物體導(dǎo)電率隨溫度變化的現(xiàn)象-熱阻效應(yīng)

利用物體熱輻射強(qiáng)度隨溫度變化的現(xiàn)象-紅外探測(cè)器原理10.2溫度測(cè)量案例常用溫度計(jì)及其使用范圍10.2.2高速機(jī)車軸溫測(cè)試系統(tǒng)10.2溫度測(cè)量案例任務(wù)描述——溫度測(cè)試背景高速、重載發(fā)展——支承軸承發(fā)熱增多軸承磨損和產(chǎn)生缺陷——不正常發(fā)熱增大重要性軸承溫度升高后果：輕則熱軸、固死造成機(jī)損，影響機(jī)車正常運(yùn)轉(zhuǎn)；重則造成疲勞破壞和熱切軸，車毀人亡測(cè)試任務(wù)在線監(jiān)測(cè)高速機(jī)車的軸箱軸承、牽引電機(jī)軸承、抱軸箱軸承及空心軸承處的溫度在控制室實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度，進(jìn)行聲光報(bào)警和定位指示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)用10.2溫度測(cè)量案例測(cè)試要求主要技術(shù)參數(shù)測(cè)溫范圍：-55～+125℃測(cè)溫精度：±1℃（0～85℃）測(cè)溫點(diǎn)數(shù)：38點(diǎn)（可根據(jù)不同車型而增減）報(bào)警溫度：絕對(duì)溫度（75℃）和相對(duì)溫度（環(huán)境溫度+55℃）供電電壓：110VDC(波動(dòng)范圍：65-140VDC)；功耗小于15W其他要求抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、穩(wěn)定可靠工作有完善的自檢功能數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和查詢防塵防水精度、實(shí)時(shí)性、可靠性哪個(gè)更重要？測(cè)試系統(tǒng)本身的可靠性最關(guān)鍵！10.2溫度測(cè)量案例測(cè)試方案在線？離線？

必須實(shí)時(shí)在線檢測(cè)溫度，抗干擾能力強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)？計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

傳感器的選擇

熱敏電阻傳感器？熱電偶？紅外監(jiān)測(cè)儀？數(shù)字溫度傳感器？……1）半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器測(cè)量誤差大。PN結(jié)溫度傳感器容易老化、失效傳感器的互換性差，需定期標(biāo)定，工作量大兩線制使測(cè)點(diǎn)到儀表的引線較長(zhǎng)，引線誤差較大連線多，環(huán)節(jié)多，每個(gè)測(cè)點(diǎn)到儀表均需連線、均需放大調(diào)理，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜傳輸弱小的模擬信號(hào)，抗干擾能力弱，測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性差2）地面紅外線機(jī)車軸溫檢測(cè)儀只能在機(jī)車通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)監(jiān)測(cè)軸箱軸承——無(wú)法全程監(jiān)測(cè)不能監(jiān)測(cè)牽引電機(jī)軸承和抱軸承溫度熱電偶是否可以克服這些缺點(diǎn)？10.2溫度測(cè)量案例

可見，傳統(tǒng)的模擬型溫度傳感器精度低、抗干擾能力差。3）數(shù)字式溫度傳感器（DS1820溫度傳感器芯片）

原理：內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)受溫度影響的振蕩器（振蕩頻率與溫度之間有一個(gè)特定的關(guān)系）的脈沖計(jì)數(shù)，將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

特征：無(wú)需外圍器件，用9位二進(jìn)制數(shù)字量形式輸出溫度值溫度測(cè)量范圍：-55-125℃，分辨率為0.5℃將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的時(shí)間小于200ms采用串行單總線結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，即僅用一根數(shù)據(jù)線接收命令和傳送數(shù)據(jù)測(cè)溫誤差：＜1℃用戶可自定義永久的報(bào)警溫度設(shè)置適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)和控制，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，工作穩(wěn)定可靠

優(yōu)勢(shì)：外圍電路簡(jiǎn)單、精度高、對(duì)電源要求不高、抗干擾能力強(qiáng)。因此，選用數(shù)字式溫度傳感器10.2溫度測(cè)量案例數(shù)據(jù)處理方案：檢測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、編程方便（采用高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言）、通用性強(qiáng)缺點(diǎn)：體積較大，價(jià)格也較高，常用于參量類型和數(shù)目較多、要求運(yùn)算速度快的監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)單片計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、功能相對(duì)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：運(yùn)行速度較慢和數(shù)據(jù)處理能力較弱，常用于參量類型和數(shù)目較少、要求運(yùn)算速度不高、顯示界面簡(jiǎn)單的小型監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)，其最典型的應(yīng)用是自動(dòng)（智能）監(jiān)測(cè)儀表。ARM板的嵌入式計(jì)算機(jī)功能、速度、體積、價(jià)格均介于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和單片計(jì)算機(jī)之間。所有類型計(jì)算機(jī)均可完成任務(wù)；從成本、體積、計(jì)算性能要求等方面考慮，選擇單片機(jī)。10.2溫度測(cè)量案例測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖數(shù)據(jù)傳輸：接線盒與主機(jī)之間采用雙總線傳輸，當(dāng)一個(gè)有故障時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)總線。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院凸?jié)省連線，將兩根單總線連接成環(huán)形，所有傳感器連接在環(huán)形總線上。10.2溫度測(cè)量案例測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)程序核心是主機(jī)與傳感器的單總線串行通信抗干擾設(shè)計(jì)（強(qiáng)干擾源多、電磁輻射嚴(yán)重）

系統(tǒng)電源抗干擾：輸入端加濾波器磁環(huán)吸收（抑制高頻）系統(tǒng)主板抗干擾：加粗電源線和地線地線有效接地機(jī)殼屏蔽主電路板與電源間加屏蔽鋼板軟件抗干擾：自動(dòng)復(fù)位能力對(duì)于受到干擾的數(shù)據(jù)多次測(cè)量1）噪聲測(cè)量基礎(chǔ)噪聲定義：物理定義：大量頻率和相位各異的聲音復(fù)合而成的無(wú)序合聲。

實(shí)際定義：不需要的聲音。噪聲測(cè)量專用環(huán)境：

全消聲室：六個(gè)面全有吸聲材料。吸聲本領(lǐng)特別強(qiáng)、室內(nèi)聲音主要是直達(dá)聲而反射聲極小的房間。

提供自由聲場(chǎng)。

半消聲室：五個(gè)面有吸聲材料，地面沒有吸聲材料。

提供半自由聲場(chǎng)。

混響室：吸聲本領(lǐng)盡量低，室內(nèi)聲音經(jīng)過(guò)多次反射形成聲能分布均勻的房間。

提供擴(kuò)散聲場(chǎng)。10.4噪聲測(cè)量案例10.4.1噪聲測(cè)量方法簡(jiǎn)介聲壓P及聲壓級(jí)LP

聲壓P：聲波作用于物體上的壓力，單位是帕（Pa）聽閾聲壓：人耳可聽到的最弱聲壓，2

10－5

Pa痛閾聲壓：人耳感覺疼痛的聲壓，20Pa(聽閾聲壓的100萬(wàn)倍

)聲壓級(jí)LP

——單位是分貝（dB）定義為：式中：P表示測(cè)量聲壓，P0表示基準(zhǔn)聲壓（其值為聽閾聲壓）。則：人耳可聽聲范圍是0～120dB。2）噪聲測(cè)量基本參數(shù)10.4噪聲測(cè)量案例聲強(qiáng)I及聲強(qiáng)級(jí)LI聲強(qiáng)I：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、垂直于聲波傳播方向上單位面積內(nèi)所通過(guò)的能量，單位是W／m2

可見：聲強(qiáng)為矢量。聲強(qiáng)級(jí)LI

定義：式中，I表示測(cè)量聲強(qiáng)，I0表示基準(zhǔn)聲強(qiáng)，取為10－12W／m2

10.4噪聲測(cè)量案例聲功率W及聲功率級(jí)LW

聲功率：聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量。定義：聲功率為標(biāo)量

聲功率級(jí)是反映聲源發(fā)射總能量的物理量，且與測(cè)量位置無(wú)關(guān)，因此它是聲源特性的重要指標(biāo)之一。聲壓級(jí)與測(cè)量位置有關(guān)嗎？聲功率級(jí)：

定義：

式中，W0表示基準(zhǔn)聲功率，取為10－12W

10.4噪聲測(cè)量案例幾種物理量的比較：聲壓或聲壓級(jí)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：直接測(cè)量聲壓級(jí)，測(cè)量容易

缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果受測(cè)量環(huán)境的影響和限制聲功率測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果反映被測(cè)物實(shí)際發(fā)出的能量，可客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能缺點(diǎn)：不能直接測(cè)得，只能通過(guò)聲壓級(jí)計(jì)算間接獲得聲強(qiáng)測(cè)量

優(yōu)點(diǎn)：不受環(huán)境影響，能反映噪聲的方向性，尋找噪聲源缺點(diǎn)：需專用儀器，測(cè)量比較困難實(shí)際中究竟測(cè)量什么量？10.4噪聲測(cè)量案例問(wèn)題：如果已知聲場(chǎng)中兩個(gè)聲源的聲壓級(jí)均為80分貝，則總聲壓級(jí)為多少？ú?ùê?é=?=niLwtotwiL110/10lg10總聲壓級(jí)與總聲功率級(jí)合成方法為：

當(dāng)噪聲源是由兩個(gè)或n個(gè)組成，總聲壓應(yīng)該是兩個(gè)或n個(gè)噪聲源聲壓能量的疊加。聲壓合成方法為幾何合成法：

3）噪聲級(jí)的合成

根據(jù)上式可知，兩個(gè)80分貝的聲源合成的聲壓級(jí)為83分貝10.4噪聲測(cè)量案例4）背景（本底）噪聲的扣除本底噪聲：在噪聲測(cè)量時(shí)，即使所測(cè)量的聲源停止發(fā)聲，環(huán)境也存在著一定的噪聲，稱之為本底噪聲。工程意義：只有從測(cè)量結(jié)果中扣除本底噪聲后，才能得到所考察噪聲的正確聲壓級(jí)值?？鄢恚?/p>

注意：

若被測(cè)噪聲源的聲級(jí)高于本底噪聲的聲級(jí)10dB，則可忽略本底噪聲的影響；若被測(cè)噪聲源的聲級(jí)與本底噪聲相差3～10dB，則按上表進(jìn)行修正；

若兩者相差小于３dB，則測(cè)量結(jié)果無(wú)效。

兩聲壓級(jí)算術(shù)差（dB）345678910扣除值△L（dB）3.002.301.701.250.950.750.600.4510.4噪聲測(cè)量案例（a）在自由聲場(chǎng)中(如果測(cè)量面是球面)，則有：

衡量機(jī)械產(chǎn)品噪聲的最合理的量是聲功率；聲功率無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)測(cè)量聲壓級(jí)經(jīng)計(jì)算而得到。5）機(jī)械產(chǎn)品聲功率的測(cè)量與計(jì)算設(shè)有n

個(gè)測(cè)點(diǎn)，聲壓級(jí)平均值求法如下：式中，是在面積為S的測(cè)試球面上所測(cè)的多點(diǎn)聲壓級(jí)的平均值。10.4噪聲測(cè)量案例注意：Kw為現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)環(huán)境修正系數(shù)(小于3)。測(cè)量面半徑要求足夠大，通常約大于整個(gè)被測(cè)物尺度的2倍。（b）在半消聲室或開闊地面測(cè)量，則：半球測(cè)量表面矩形測(cè)量表面10.4噪聲測(cè)量案例

（c）在混響聲場(chǎng)中測(cè)量被測(cè)聲源聲功率如下：

式中：V為混響室房間體積，T為混響時(shí)間。

混響室是測(cè)量機(jī)器聲功率的理想環(huán)境,只要測(cè)量較少的點(diǎn)就能求得聲功率,但在混響室中不能測(cè)量聲源的指向性.混響時(shí)間定義為:在一定頻帶,房間內(nèi)發(fā)一聲音,等聲音穩(wěn)定后,突然切斷聲源,其強(qiáng)度衰減60dB時(shí)所需要的時(shí)間。其計(jì)算值為：式中：S為房間總面積，為各表面平均吸聲系數(shù)，m為空氣中聲波傳播的強(qiáng)度衰減常數(shù)。對(duì)于給定混響室，混響時(shí)間是確定的。10.4噪聲測(cè)量案例噪聲頻譜測(cè)量的目的

找出噪聲產(chǎn)生的原因噪聲頻譜的測(cè)量?jī)x器頻譜分析儀恒定頻率帶寬分析儀恒定頻率百分比分析儀（噪聲測(cè)量常用）測(cè)量各個(gè)頻帶的聲壓級(jí)在某一頻帶中，聲音的聲壓級(jí)的累積稱為該頻帶聲壓級(jí)討論頻帶聲壓級(jí)時(shí)應(yīng)該指明頻帶的寬度6）噪聲的頻譜測(cè)量10.4噪聲測(cè)量案例中心頻率頻率范圍中心頻率頻率范圍31.522.4～451000710～14006345～9020001400～2800125905600250180～35580005600～11200500355～7101600011200～22400中心頻率頻率范圍中心頻率頻率范圍2522.4～28800710～90031.528～35.51000900～11204035.5～4512501120～14005045～5616001400～18006356～7120001800～22408071～9025002240～280010090～11231502800～355012511245001601405600200180～22463005600～7100250224～28080007100～9000310280～355100009000～11200400355～45012500112005601600014000710倍頻程中心頻率與頻率范圍1/3倍頻程中心頻率與頻率范圍10.4噪聲測(cè)量案例10.4噪聲測(cè)量案例例如：7）噪聲的主觀評(píng)價(jià)人耳對(duì)聲音所感覺的強(qiáng)度取決于：

(1)聲壓大小

(2)聲音的頻率特征：人耳對(duì)高頻聲敏感,對(duì)低頻聲不敏感

根據(jù)人耳的這種特性，引入一個(gè)把頻率和聲壓統(tǒng)一起來(lái)的、可以反映主觀感覺的量，即響度及響度級(jí)：響度是人耳判別聲音強(qiáng)度大小的量，單位是“宋”。響度級(jí)LS的單位是“方”,即：

以1kHz純音的聲壓級(jí)作為基準(zhǔn)，任何頻率的聲音聽起來(lái)與該1kHz純音一樣響，那么這個(gè)聲音的響度級(jí)就是這個(gè)1kHz純音聲壓級(jí)分貝值。人耳判別聲音大小的依據(jù)是什么？10.4噪聲測(cè)量案例等響度曲線結(jié)論：

人而對(duì)低頻聲不敏感；對(duì)1000——5000Hz聲很敏感。10.4噪聲測(cè)量案例計(jì)權(quán)聲壓級(jí)：從等響度曲線出發(fā)，在聲測(cè)量?jī)x器中添加頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使得儀器的輸出能近似地表達(dá)人耳對(duì)聲音響度的感覺。通常設(shè)置A、C兩種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

A計(jì)權(quán)可較好地模仿人耳對(duì)低頻段(500Hz以下)不敏感、對(duì)1000～5000Hz敏感的特點(diǎn)。

C計(jì)權(quán)接近水平，有時(shí)表示總聲壓級(jí)。在噪聲測(cè)量中，使用最廣泛的是A聲級(jí)，國(guó)際上已把A聲級(jí)作為評(píng)價(jià)噪聲的主要指標(biāo)。

表示方法：dB(A)若一個(gè)噪聲源分別采用A計(jì)權(quán)與C計(jì)權(quán)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果相差較大，表明該聲源低頻聲大還是??？10.4噪聲測(cè)量案例聲傳感器的調(diào)理電路——聲級(jí)計(jì)：功能：聲級(jí)計(jì)不僅能直接測(cè)量聲級(jí)，還能與多種輔助儀器配合進(jìn)行頻譜分析、記錄噪聲的時(shí)間特性等。組成：電容傳聲器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波電路放大器、衰減器、指示電表、電源等8）噪聲測(cè)量?jī)x器聲傳感器——電容傳聲器：組成：由一個(gè)非常薄的金屬膜和與它相距很近的一個(gè)后極板組成，膜片和后極板相互絕緣，構(gòu)成一個(gè)電容器。特點(diǎn)：電容傳聲器的靈敏度與膜片面積成正比，面積越大，靈敏度越高，但固有頻率越低，頻率范圍越窄。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，頻率響應(yīng)平直，受電磁場(chǎng)和外界振動(dòng)影響較小等，常用來(lái)進(jìn)行精密聲學(xué)測(cè)量；缺點(diǎn)：在較大濕度下電容傳聲器兩極板間容易放電并產(chǎn)生電噪聲，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法使用、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；膜片又薄又脆，容易破損。

聲級(jí)計(jì)（噪聲計(jì)）工作方框圖聲壓級(jí)計(jì)權(quán)聲壓級(jí)（聲級(jí)）10.4噪聲測(cè)量案例聲級(jí)計(jì)校準(zhǔn)器：活塞發(fā)聲器活塞發(fā)聲器是一種標(biāo)準(zhǔn)聲源：產(chǎn)生頻率為250Hz±2%

聲壓級(jí)為124dB的聲音聲壓級(jí)精度為±0.2%聲級(jí)校準(zhǔn)器聲級(jí)校準(zhǔn)器也是一種標(biāo)準(zhǔn)聲源：產(chǎn)生頻率為1000Hz±2%

聲壓級(jí)為94dB的聲音聲壓級(jí)精度為±0.3dB

精度較活塞發(fā)聲器低噪聲精密測(cè)量必須經(jīng)常校準(zhǔn)。10.4噪聲測(cè)量案例10.4.2汽車懸架減震器異響聲分析10.4噪聲測(cè)量案例測(cè)試任務(wù)：背景懸架減震器是懸架系統(tǒng)中與彈性元件并聯(lián)安裝的減震器，作用是改善汽車行駛平順性工作原理：當(dāng)車身和車橋間受振動(dòng)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減震器內(nèi)活塞上下移動(dòng)，腔內(nèi)油液反復(fù)地從一個(gè)腔經(jīng)不同孔隙流入另一個(gè)腔內(nèi)，利用流體阻尼作用衰減振動(dòng)任務(wù)針對(duì)某車型出現(xiàn)的懸架減震器異響問(wèn)題開展實(shí)驗(yàn)研究探索異響特征和異響形成的原因，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)測(cè)試方案：

1）采取整車路試方式，先后測(cè)試數(shù)十個(gè)懸架減震器安裝條件下的振動(dòng)與噪聲，每次測(cè)試更換安裝不同編號(hào)懸架減震器2）測(cè)試內(nèi)容包括主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)：

主觀評(píng)價(jià)是依據(jù)駕乘人員對(duì)不同編號(hào)減震器下車內(nèi)噪聲進(jìn)行主觀判斷，分為“正常”和“異響”2種狀態(tài)；

客觀評(píng)價(jià)是測(cè)試聲壓及加速度頻譜進(jìn)行分析。3）測(cè)試中除減震器外，其他均處于正常工作狀態(tài)；此外，在對(duì)前懸架減震器進(jìn)行測(cè)試中，后懸架減震器保持主觀評(píng)價(jià)無(wú)異響。4）測(cè)試中要求道路及周邊噪聲干擾源少、周邊沒有大的聲反射物。

5）分三種路面進(jìn)行測(cè)試，即：500m以上的平直、干燥瀝青路面或混凝土路面；帶斜坡的坑洼路面（便于熄火滑行）；顛簸的土石路面。

10.4噪聲測(cè)量案例10.4噪聲測(cè)量案例測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)：前置放大器前置放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析異響主觀評(píng)價(jià)聲壓傳感器加速度傳感器

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)：傳聲器選擇：GRAS-46AE-26CA加速度傳感器選擇：PCB-ICP傳感器布置位置：10.4噪聲測(cè)量案例傳感器編號(hào)位置類型數(shù)量1前懸架左側(cè)減震器活塞桿頂端加速度傳感器12前懸架右側(cè)減震器活塞桿頂端加速度傳感器13前懸架左側(cè)減震器上支點(diǎn)車身側(cè)加速度傳感器14前懸架右側(cè)減震器上支點(diǎn)車身側(cè)加速度傳感器15前懸架左側(cè)下擺臂球頭銷附近加速度傳感器16前懸架右側(cè)下擺臂球頭銷附近加速度傳感器17前懸架左側(cè)減震器側(cè)面10cm處聲壓傳感器18前懸架右側(cè)減震器側(cè)面10cm處聲壓傳感器19駕駛員右耳/副駕駛左耳附近聲壓傳感器110發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)聲壓傳感器1數(shù)據(jù)分析與處理：分析曲線可得如下結(jié)論車內(nèi)聲音的頻域特性存在四個(gè)明顯的頻率段：20~60Hz；70~130Hz；170~300Hz；680~730Hz。有異響與無(wú)異響相比，這四個(gè)頻段內(nèi)頻譜曲線明顯升高，所以可以判定減震器的異響來(lái)自這四個(gè)頻段。有異響時(shí)桿端加速度有效值高于無(wú)異響的桿端加速度有效值。同時(shí)，在頻域中有異響與無(wú)異響相比，會(huì)在270Hz~300Hz左右出現(xiàn)一個(gè)峰值，從頻響函數(shù)可以知道，270Hz~300Hz附近出現(xiàn)峰值與路面激勵(lì)沒有關(guān)系，是懸架系統(tǒng)的固有特性。初步判斷異響中20Hz~60Hz頻率成分為結(jié)構(gòu)激勵(lì)噪聲；70Hz~130Hz頻率成分是左右減震器旁聲音傳遞進(jìn)車內(nèi)的；170Hz~300Hz頻率成分為結(jié)構(gòu)激勵(lì)噪聲。關(guān)于結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生的具體原因還需進(jìn)一步深入開展研究。10.4噪聲測(cè)量案例10.5.1模態(tài)分析方法簡(jiǎn)介模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在結(jié)構(gòu)振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)的模態(tài)參數(shù)：

固有頻率、模態(tài)振型

模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼模態(tài)分析分類：計(jì)算模態(tài)分析：模態(tài)參數(shù)由有限元計(jì)算的方法獲得

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析：模態(tài)參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得（將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)）。主要介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得模態(tài)參數(shù)。10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例（1）預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)已知輸入，通過(guò)模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)為結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及疲勞壽命的估計(jì)服務(wù)（2）分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析模態(tài)參數(shù)，判斷其動(dòng)態(tài)特性是否滿足要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，使其滿足動(dòng)力特性要求（3）查找結(jié)構(gòu)故障、振動(dòng)原因結(jié)構(gòu)的局部損傷將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的變換通過(guò)檢測(cè)模態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康度的實(shí)時(shí)監(jiān)控10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例模態(tài)分析的意義單自由度運(yùn)動(dòng)微分方程式為01234X/A

0.51/

n10.70.40.30.2問(wèn)題：通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了幅頻及相頻圖，可否知道其參數(shù)？1）單自由度系統(tǒng)通過(guò)富氏變換，可得到其動(dòng)態(tài)放大比：f(t)x(t)kcm10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法簡(jiǎn)介幅頻與相頻曲線在小阻尼情況下，幅頻曲線的峰值對(duì)應(yīng)的頻率為固有頻率；相頻曲線-90o對(duì)應(yīng)的頻率為固有頻率。幅頻曲線半功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率滿足：其中：為阻尼比為固有頻率固有頻率：從單自由度的幅頻、相頻曲線獲得固有頻率與阻尼比10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例多自由度運(yùn)動(dòng)微分方程式為mx1+x2x1211+2121+2頻率頻率幅度相位同樣，可以利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)曲線擬合獲得模態(tài)參數(shù)。2）多自由度系統(tǒng)引入坐標(biāo)變換（目的是解耦）：設(shè)系統(tǒng)受簡(jiǎn)諧激勵(lì)，可得

頻響函數(shù)矩陣：其中，10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例實(shí)驗(yàn)獲得頻響函數(shù)模態(tài)分析Frequency單自由度模態(tài)系統(tǒng)Frequency曲線擬合(模式識(shí)別)kcmkcmkcm

模態(tài)分析思路輸出結(jié)果模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼、模態(tài)振型模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例簡(jiǎn)支梁前5階模態(tài)振型10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例3）實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的基本步驟頻響函數(shù)測(cè)量模態(tài)參數(shù)估計(jì)測(cè)量系統(tǒng)建立懸掛、支撐形式網(wǎng)格劃分激勵(lì)方式選擇激勵(lì)位置確定響應(yīng)位置確定

混疊現(xiàn)象-低通濾波泄漏-窗函數(shù)譜相關(guān)函數(shù)誤差估計(jì)分量分析法導(dǎo)納圓辨識(shí)方法正交多項(xiàng)式曲線擬合非線性優(yōu)化參數(shù)辨識(shí)10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例（1）

測(cè)量系統(tǒng)的建立注意：結(jié)構(gòu)的安裝狀態(tài)盡可能與工作狀態(tài)一致

或者使其近似處于自由狀態(tài)10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例a）懸掛、支承邊界條件1懸掛或支撐點(diǎn)應(yīng)該選擇處于或接近盡可能多的模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上2懸掛繩或支承裝置要足夠軟，保證剛體共振頻率低于第一階彈性共振頻率（通常要求小于10%）10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例b）結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)或拾振點(diǎn)；根據(jù)精度要求、結(jié)構(gòu)尺寸、實(shí)驗(yàn)成本等劃分網(wǎng)格；在結(jié)構(gòu)輪廓位置應(yīng)有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；對(duì)各個(gè)網(wǎng)格編號(hào)；將結(jié)構(gòu)尺寸及編號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例激勵(lì)方法c）激勵(lì)方法力錘優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)備簡(jiǎn)單，不會(huì)影響試件動(dòng)態(tài)特性；缺點(diǎn)：

能量集中在短時(shí)間內(nèi)，容易引起過(guò)載和非線性問(wèn)題，數(shù)據(jù)一致性不易保證；激振器優(yōu)點(diǎn)：可以采用多種多樣的激勵(lì)信號(hào)，數(shù)據(jù)一致性好；缺點(diǎn)：

設(shè)備麻煩，并且存在附加質(zhì)量影響問(wèn)題(特別是對(duì)輕型試件)；10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例用帶力傳感器的錘頭在不同的點(diǎn)激勵(lì)在一點(diǎn)測(cè)試響應(yīng)計(jì)算激勵(lì)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)FrequencyDistanceAmplitudeBeam一階模態(tài)二階模態(tài)三階模態(tài)ForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceFrequencyDomainViewForceModalDomainViewAcceleration力錘激勵(lì)示意圖10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例

圖1懸臂板（正弦激勵(lì)）圖2振動(dòng)頻率逐漸增加圖4圖3頻響函數(shù)傅立葉變換正弦掃頻激勵(lì)示意圖10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例激勵(lì)點(diǎn)注意問(wèn)題激勵(lì)位置

激勵(lì)點(diǎn)避免處于所測(cè)量任一階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上，否則所測(cè)量信息中將會(huì)漏掉該階模態(tài)激勵(lì)數(shù)目

多通道輸入更好的把輸入能量分配到整個(gè)試件上（對(duì)大型試件尤為重要），并最大限度的減少因激勵(lì)點(diǎn)剛好選在某階模態(tài)節(jié)點(diǎn)上而漏掉該階模態(tài)激勵(lì)方向確信各個(gè)方向的模態(tài)都能激勵(lì)出來(lái)，激勵(lì)方向應(yīng)該涵蓋各個(gè)方向10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例響應(yīng)點(diǎn)注意問(wèn)題響應(yīng)位置響應(yīng)點(diǎn)盡量選擇處于或接近盡可能多的重要模態(tài)的腹部，避免漏掉重要的模態(tài)信息；響應(yīng)數(shù)目取決于所選頻率范圍、期望的模態(tài)數(shù)、試件上關(guān)心的區(qū)域、可用的傳感器數(shù)量和時(shí)間；響應(yīng)分布

感興趣區(qū)域應(yīng)該多布置響應(yīng)點(diǎn)，同時(shí)響應(yīng)點(diǎn)應(yīng)該在某種程度上均勻分布，可以減少漏掉模態(tài)的機(jī)會(huì)，并能得到像樣的結(jié)構(gòu)線框動(dòng)畫10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例a）滿足采樣定律采集數(shù)據(jù)

采樣頻率大于等于感興趣的最高頻率的2倍以上。采樣定律低通濾波

為避免混疊現(xiàn)象出現(xiàn)，采用截止特性陡峭的低通濾波器，濾除所有高于1/2采樣頻率的高頻分量。（2）

頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)量10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例b）選擇適當(dāng)窗函數(shù)減小泄露力信號(hào)響應(yīng)信號(hào)

選擇合適的窗函數(shù)可以減小采樣時(shí)段邊界的不連續(xù)性，從而減小泄漏。窗函數(shù)選擇要兼顧好的幅值估計(jì)和頻率分辨率。力窗指數(shù)窗力窗（1/4余弦）：用于力信號(hào)截取指數(shù)窗：

用于響應(yīng)信號(hào)截取10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例（3）

模態(tài)參數(shù)估計(jì)主要方法

分量分析法

導(dǎo)納圓辨識(shí)方法正交多項(xiàng)式曲線擬合非線性優(yōu)化參數(shù)辨識(shí)根據(jù)精度及計(jì)算工作量選擇適當(dāng)方法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例10.5結(jié)構(gòu)模態(tài)分析案例10.5.2機(jī)床模態(tài)分析實(shí)例測(cè)試任務(wù)：背景模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。任務(wù)利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法研究某立式銑床的動(dòng)態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，以提高其動(dòng)態(tài)特性。測(cè)