在多个领域,为了避免共振都需要清楚地知道结构的固有频率。如果外界的激励频率接近或等于结构的固有频率,那么,结构将发生共振现象,对于绝大多数应用来说,这都是有害的,需要避免。因此,清楚地知道结构或部件的固有频率是非常有必要的,那如何测量固有频率呢? 01 — 定义 02 — 影响因素 03 — 为什么有多阶 04 — 与共振频率的区别 05 — 避免共振,激励频率须离固有频率多远 06 — 怎么测量 固有频率是结构的全局属性,不会随测量位置的变化而变化。因此,固有频率测量时,理论上讲,只需要在一个测量位置布置一个振动传感器即可测量出关心频率范围内所有的固有频率。因此,固有频率测量时,至少需要在一个测量位置布置一个单向振动传感器进行测量。 虽然理论上讲,在一个位置安装一个单向振动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,导致测量存在问题,这主要体现在以下几个方面: 1)与测量位置有关。我们知道模态有节点,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:响应位置避开关心模态的节点。从这一点来讲,在进行固有频率测量时,应多布置几个响应位置,或者说多使用几个振动传感器,且避免对称布置。 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。那么,应激励多个不同的位置,以防一个激励位置是一阶或多阶模态的节点。 3)与结构特点有关。如果结构是一个强方向性模态(一阶或多阶模态响应仅出现在某一个方向,而在其他方向几乎没有响应)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,如在不同位置按不同布置单向振动传感器,或在同一位置布置三向振动传感器。 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,这种可能性非常大。因此,强烈建议布置多个测量位置,在多个位置激励,在多个方向上进行测量。 在对结构系统进行固有频率测量时,测量方法可以分为以下几类: 1)测量FRF:如采用传统的FRF测量方法,锤击法与激振器法。由于固有频率是模态参数之一,所以,采用测量FRF方法测量固有频率同样要求遵循模态测试的那些要求。如激励响应位置要求、激励力的大小等,但此时要求激励与响应同时避开模态节点位置。 2)振动台测试:将待测结构在振动台上进行随机激励或扫频激励,然后分析响应信号获得结构的固有频率。这时,要求响应位置避开关心的固有频率对应的模态的节点位置。 3)只测量响应:当结构处于工作状态时,可以仅测量结构的响应,然后对响应进行频谱分析。但这时频谱图中的峰值可能有的是结构的固有频率,也可能有的是强迫响应频率,还有可能是转频及其倍频。另外,当采用这种方法时,工作载荷可能不能将所有关心的固有频率都激励起来,可能仅激励起一些固有频率,甚至连基频也激励不起来的情况也存在。因此,采用这种方法时,要仔细评判。 4)变转速激励:对于旋转机械而言,可以采用变转速方法,如升降速测量,然后对响应信号进行瀑布图分析,在瀑布图中垂直于频率轴的峰值区域即结构的一阶固有频率。但这种方法,通常很难准确地得出固有频率的具体数值,更多对应的是一个共振带,如图7所示。 5)非接触式测量:当结构是一个轻质结构时,哪怕是在结构上布置一个轻质的传感器也会导致固有频率移动明显,这时宜用非接触式的传感器进行测量,如电涡流位移传感器,声压传感器等。我曾经采用声压传感器测量过PCB板、轴瓦等轻质结构的固有频率。 6)其他方法:如果能按测量FRF的方法来测量是最好的,但很多时候,我们都没有激励设备可用,那么这个时候,我们可以采用特殊的激励方法,仅测量结构的响应,对响应进行频谱分析获得结构的固有频率。这些特殊的激励方法包括:手拨方法(针对小型轻质结构)、阶跃方法(使结构存在一个初位移,然后突然释放)、生活中的各式锤子激励等。 大多数情况下,我们可以得到结构多阶固有频率,这个时候应该将固有频率按频率值从小到大的顺序依次列出测量到的所有阶固有频率。我个人认为,对于绝大多数情况,前几阶(小于等于10阶)固有频率就可满足测试要求。当然,可能大多数情况下,固有频率测量仅仅是指测量第1阶固有频率。 对于FRF曲线,曲线图中各峰值对应的频率即为各阶固有频率。但对于频谱图而言,可能会存在噪声干扰,这时,如果发现频谱图中有线状谱,那么这种情况下,可以认为该线状谱所对应的频率不是结构的固有频率,这是因为线状谱的阻尼为0,这是不可能的,结构总是存在或大或小的阻尼,不可能阻尼为0,因此,这时,这些线状谱可以认为是干扰或其他类型信号的频率。 |
|