振動(dòng)測(cè)量從本質(zhì)上說屬動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)振傳感器檢測(cè)的信號(hào)是被測(cè)對(duì)象在某種激勵(lì)下的輸出響應(yīng)信號(hào)。振動(dòng)測(cè)量的一個(gè)主要目的就是通過對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的測(cè)試分析，找出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比等。振動(dòng)測(cè)量是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)。限于篇幅的關(guān)系，本節(jié)只簡(jiǎn)單介紹測(cè)量振動(dòng)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的基本方法。
1．機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納
機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納的一般定義為
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（2）
機(jī)械系統(tǒng)的激勵(lì)一般是力，系統(tǒng)的響應(yīng)可用位移、速度和加速度來表示，故機(jī)械阻抗和機(jī)械導(dǎo)納又各有三種形式。位移阻抗又稱為動(dòng)剛度，位移導(dǎo)納稱為動(dòng)柔度，速度阻抗稱為機(jī)械阻抗，速度導(dǎo)納簡(jiǎn)稱導(dǎo)納，加速度阻抗又稱為視在質(zhì)量，加速度導(dǎo)納又稱為機(jī)械慣性。
機(jī)械阻抗是復(fù)量，可寫成幅值、相角，或?qū)嵅俊⑻摬啃问?，也可用幅一相特性、奈奎斯特圖表示。
在評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗振能力時(shí)常用動(dòng)剛度，在共振區(qū)動(dòng)剛度僅為靜剛度的幾分之一到十幾分之一；在分析振動(dòng)對(duì)人體感受影響時(shí)，常用速度阻抗；在分析振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷時(shí)，常用機(jī)械慣性；在分析車廂等振動(dòng)、噪聲時(shí)則常用速度導(dǎo)納。
機(jī)械阻抗測(cè)試是在結(jié)構(gòu)上施加激振力，同時(shí)測(cè)量力和響應(yīng)，所得機(jī)械阻抗只決定于系統(tǒng)本身，而與激振力性質(zhì)無關(guān)。
按激勵(lì)方式的不同，測(cè)試方法通常分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測(cè)試、隨機(jī)激勵(lì)測(cè)試和瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試三種。
2．穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測(cè)試
穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)即施加在被測(cè)對(duì)象上的力是穩(wěn)態(tài)正弦力，最常用的一種激勵(lì)方式。它具有能量集中，精度高等優(yōu)點(diǎn)，可分為單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)。所謂單點(diǎn)激勵(lì)就是采用一個(gè)激振器，對(duì)結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)；而多點(diǎn)激勵(lì)則是用兩個(gè)或兩個(gè)以上的激振器對(duì)被測(cè)物同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)。
圖1是對(duì)某被測(cè)試件進(jìn)行單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測(cè)試的原理框圖。被測(cè)試件按實(shí)際工作條件固定。在其上選擇激勵(lì)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)應(yīng)避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)或節(jié)線。激振器用橡皮繩懸吊，阻抗頭與激振器之間用一個(gè)柔性桿連接（以減小激振器對(duì)試件非激勵(lì)方向的附加剛度約束）。信號(hào)器輸出的單一頻率的正弦信號(hào)經(jīng)功率放大器推動(dòng)激振器，使試件產(chǎn)生受迫振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)與力信號(hào)分別通過電荷放大器放大，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸入分析儀進(jìn)行分析運(yùn)算，結(jié)果由記錄儀或打印機(jī)輸出。改變激勵(lì)頻率，重復(fù)上述試驗(yàn)，即可獲得有關(guān)頻譜信息。改變激勵(lì)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)上面的測(cè)量則可獲得試件上各點(diǎn)的模態(tài)參數(shù)。
圖1 穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測(cè)試原理框圖
阻抗頭是一個(gè)高精度的，由力傳感器和加速度計(jì)同軸安裝構(gòu)成的傳感器，如圖2所示。它裝在激振器頂桿和試件之間，前端是力傳感器，后面為測(cè)量激振點(diǎn)響應(yīng)的加速度計(jì)。在構(gòu)造上應(yīng)使兩者盡量接近，質(zhì)量塊為鎢合金制成，殼體用鈦制造。為了使力傳感器的激振平臺(tái)具有剛度大、質(zhì)量小的性能，采用鈹來制造。
分析儀器的作用是對(duì)激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣、變換、運(yùn)算，從而求出傳遞函數(shù)的幅值、相位或?qū)嵅?、虛部。穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)測(cè)試常用的分析儀器有兩類，即模擬量跟蹤濾波器式和數(shù)字相關(guān)積分式分析儀，也可用fft分析儀。
3．瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試
圖2 阻抗頭
1-力敏壓電片；2-加速度信號(hào)輸出；3-安裝面；4-外殼；5-質(zhì)量塊；6-加速度敏壓電片；7-力信號(hào)輸出；8-硅橡膠密封圈；9-驅(qū)動(dòng)端面
瞬態(tài)激勵(lì)方法是在被測(cè)構(gòu)件上施加一個(gè)瞬態(tài)力，使試件產(chǎn)生振動(dòng)。瞬態(tài)激勵(lì)屬于一種寬頻率激勵(lì)，其力的頻譜較寬，一次可以同時(shí)激出多階模態(tài)，因此是一種快速測(cè)試技術(shù)。同時(shí)，由于它測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、靈活性大，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用方便。
目前常用的瞬態(tài)激勵(lì)方法為脈沖錘擊法，它是用帶有力傳感器的手錘敲擊試件，給試件一個(gè)脈沖力。用裝在試件上的加速度計(jì)或位移傳感器測(cè)量響應(yīng)，將力及響應(yīng)信號(hào)同時(shí)送入分析儀以求出傳遞函數(shù)。錘擊法測(cè)試原理如圖3所示。
圖3 脈沖錘擊法測(cè)試原理框圖
脈沖錘是錘擊法的主要激振設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由錘頭、測(cè)力計(jì)、附加配重和錘柄四部分組成。錘頭裝在測(cè)力計(jì)上，敲擊時(shí)直接與試件接觸。
圖4 脈沖錘結(jié)構(gòu)
為了得到不同的脈沖寬度，錘頭可用不同的材料制成，根據(jù)測(cè)試頻響要求，進(jìn)行更換。錘頭的材料越軟，其脈沖頻譜越窄；反之錘頭材料越硬，則脈沖頻帶越寬。幾種常用錘頭材料及使用頻率范圍見表1。
脈沖錘的質(zhì)量（包括錘頭、力傳感器及附加配重）大小與脈沖力的大小及激勵(lì)頻帶寬度有關(guān)。若力錘太小，能量不夠；力錘太大，靈敏度低。所以應(yīng)根據(jù)試件剛度和質(zhì)量大小、頻率范圍等選擇力錘的適當(dāng)大小。
表1 常用錘頭材料及使用范圍
4．隨機(jī)激振
隨機(jī)激振一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，也是一種寬帶激振方法。白噪聲發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)信號(hào)，其自相關(guān)函數(shù)也是在τ=0處形成陡峭的峰，只要τ稍偏離零，自相關(guān)函數(shù)就很快衰減，其自功率譜密度函數(shù)也接近為常值。當(dāng)白噪聲信號(hào)通過功率放大器控制激振器時(shí)，由于功放和激振器的通頻帶不是無限寬的，所得激振力頻譜不再是在整個(gè)頻域中保持常數(shù)，但它仍然是一種寬帶激振，能夠激起被測(cè)對(duì)象在一定的頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)。配合頻譜分析儀，利用式可以得到被測(cè)對(duì)象的頻率響應(yīng)。
隨機(jī)激振測(cè)試系統(tǒng)雖有可實(shí)現(xiàn)快速甚至實(shí)時(shí)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)，但其作用的設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格也較昂貴。