GB T 11349.3-1992 机械导纳的试验确定 冲击激励法.pdf

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1、中华人民共和回国家标准机械导纳的试验确定冲击激励法Experimental determination of mechanical mobility Measurements using impact excitation 事标准是有关机械导纳的试验确定的系列国家标准之二。1 主题内容与适用范围GB/T 11349. 3- 92 本标准推荐了用不连接在结构上的撒振器产生脉冲激励进行机械导纳和其他频率响应函数损11撞的方法，并提供了选择和使用测量、分析仪器的基本准则。本标准适用于冲击激励F的导纳、阳速度导纳和位移导纳的精确测量，既可用于驱动点导纳测量，也可用于传递导纳测量。冲击激励法也可用于频率

2、响应函数的租略测景。本标准所涉及的信号分析方法都是以离散傅里叶变换为基础的，其应用范围仅受到实现这略为怯的仪器的能力和使用经验的限制，并不排斥使用目前正在发展中的其他方法。2 引用标准GB 2298 机械振功与冲击术语GB 10084 振动、冲击数据分析和表示方法GB 11349.1 机械导纳的试验确寇基本定义和传感器GB 11349. 2 机械导纳的试验确定用激振器作单点激励测量3 术语3. 1 收功点导纳Yu)driving point mobility 结构除了文承点具有约束外，其他的测点没有任何约束，这时j点的速度响应与施加在间一点的激励力的比（单位m/sN）所构成的频率响应函数称为驱

3、动点导纳。it: “点”是指一个位置初一个方向产哇！标”的含义与“点”相间。3.2 传递导纳（Yutransfer mobility 错构除了支承点具有约束外，1他的测点没有任何约束，这时j点的速度响应与施加在i点的激励力的比（单位m/sN）所掏成的频率响应曲数称为传递导纳。3.3 能量谱密度energy spectrum density 功率谱密度乘以瞬态信号分析中进行FFT计算的数字记录长度（单位s）称为能；最谓峦坷。注：该术语假设整个瞬态信号全部包含在陆录里。为了得到与自限（嘴里叶变换时使用的记录长度无关的i曾串岗位，这样做是必要的。4 冲击激励法的特点4. 1 概述由于冲击激励具有速度

4、快、成本较低的优点，它已成为一种测量结构频：和响应函数的常用方怯，其测量精度在很大程度上取决于被测结构的特性和试验技术。在某哩情况F，使用冲击激励很难甚至不可能得到与使用连接式撤振器连续撤励相同的精度，而且此方rE;还有可能增加总例圳母误差。尽管如此，只要使用得骂，它仍是4种非常有用的撒胁技术。国家技术监督局199212-07批准199310 01实施GB/T 11349.3-92 对非线性明显的结构进行导纳测量，保持激励力的崛值和方向不变是非常重要的。在这方丽，正弦激励技术更易于控制。如果用一个手幡来进行冲击激励，每次冲击的幅值可能有较大变化，而且激励力的方向较难保持一致，因此这种方法重复性

5、较差。在这种情况下，最好用连接式激振器进行正弦或随机激振。4.2.2 倍噪比问题冲击测量时，由于信号的平均电平比峰值电啊段，为此要求试验环境啸声低、测1世系统动态范阁很大，所以一般不宜使用模拟磁带记录仪。由于力倍号持镇时间比记最长度姻，仪器电噪声和由于机械原因诱发的背景崛商的均方值与输入力信号的均方值相比是不可忽略的。用7.5条所述的加商方法可以降低这种噪商。4.2.3 频嘟分辨事限制离散傅盟叶变换（包括有限带宽或“细化”分橱）的频率增最（单位Hz）等于记录长度（单位川的倒数。由于每帧记录代表个单次冲击事件，所以记录的长度可取成结构的脉冲晌应衰减到与背景啸声相当的水平所需要的时间。因此，得到的

6、频率分辨率不仅取决于结构的响应，而且取决于背景噪声的大小。在某些情况下，要用冲击激励直接待到GB11349.2中规定的频事分辨率可能是不现妇的（也是不必要的）。如果试验结构的模态密度相当高，即在一个窄频带内有多个共振峰，想要得到足够细的分辨率可能是困难的。这时，最好使用频率变化足够小的稳态激励方法。而对于大多数应用求说，在离散频率点上仍可得到有足够分辨率的精确导纳值。根据冲击的固有特性，它的频谱从零频率到某一个上限频率（见第5章）。由于不能限制激励相惜，从而限制了用“细化”分析改进冲击测量的频事分辨亭的效果。同时进一步提高了对测髓系统功态范围的要求。4.2.4 阻尼限制冲击激励对于大阻尼结构试

7、验有周限性，这是因为其响应信号的时间历程较矩，使得人们必须在频率分辨率和背景噪声电平之间作折衷选择（如4.2.3条所述）。这种周限性也可解释为在一定幡值的冲击力下，大阻尼结构响应的事均能.较低。大阻尼结构可能需要较高的能量连续的激励，以平衡古较高的内部能量耗散，并为精确测量提供足够的响应数据。对于阻尼特别小的结构，其频率响应函数最现出很尖的共振峰，正如4.2.3条讨拢的那样，这帮襄用高分辨幕的细化分析方法去精确地确定共振峰。利用指数商始数据加上已知的衰减有助于解决这问题。如果使用指数筒，则一定要对最终的导纳试验结果进行修正（见7.5条和附录A（补充件）。4.2.5 对操作者技巧的依赖性用手持式

8、冲击锤进行导纳测量的精度取决于操作者保持正确的忡击位置相方向的能力，n棋布细地施加冲击，这些影响通常可以控制在可以接受的限度内，假如果结构较小且要求很精确的空f！可m町，则这些影响就不可忽视。在避免幡反弹方面问样也要求操作者有较高的技巧；见5.4条p5 冲击激励5. 1 冲击键如因2所示，典型的冲击锤由刚性质量块（包含叮更换的质量块儿紧困在质最缺什端的力传感器和紧困在力传感器另端的幡头组成。锤头的刚性和锚的质量可按5.3条进行选择，以防制为除冲的宽度并接免反弹。GB/ T 113 49 3 - 9 2 缸质.锤柄图2典型的手挎式冲击锤小质踵的冲击锤通常做成手锤形式并带有可更换的锤头和质量块。对

9、于小的试验结构，可能需要一个合适的机械装置保持冲击幡在结构某一指定的位置和方向上激励。对于需要较高能量的大结构试脸，可以把大质量的幡用缆绳吊起来靠质量的自由下落或摆动进行冲击激励，也可以用弹簧、电磁吸铁、空气炮或其他方法将较小的质量块加撒到较高的冲击速度。睡头的冲击表面面积应足以最受施加的最大冲击力，而又不使锤头和试验结构产生永久变形。另方面，如果忡击位置需要精确定位，则锤头面积要小。冲击锤在冲击瞬间的速度矢量应该沿力传感器的灵敏轴方向，其偏差阳小于10 0细长的冲击锤容易保持合适的冲击方向。5.2 力谐的特性理想的脉冲在所有频事上含有相同的能量。但实际力脉冲的频带宽度都是有限的，且与脉冲的宽

10、度成反比。这提供了把激励能量集中在感兴岖的最高频率以下的方法。实际上，典型的单个力脉冲频谱一般还有高颇旁瓣紧跟在低频主瓣之后，它们的制值随频率的增高而迅速减小。阁3给出了一个力脉冲和它的能量谱密度，该脉冲的可用顿嘟范围可到1000 Hz o 应：在离散傅里叶变换巾，频城分辨率和时城分辨率是矛盾的，需要对两者加以仪衡。为了得到簸大的频率分辨察，分析频$、范围应略高于感兴趣频凉的最大值。由于离散傅黑时变换的果样关系（见7.3祭），力植形只由数字记录中的很少一些要离散样点来表示。并且力的被形被抗j昆捕、搜器改变了形状。如果分析频率不是远远大于脉冲的可用频率，数字记录就不适合用来监视力的披形。因4给出

11、了与因3相同的力脉冲，但进行了截止频率为625Hz的低通撞撞。可以看出尽管困4所示的数字化力披形的形状和峰值与图3有明显的差别，但是它们的能量i普密度很一敛。GB/T 11349.3-92 401凡30例，（2000. 1000. o.o z问叫-100也币20001“ 3000. 。-AHV MW AO A他1 . AHV o. 05 时间，s未滤披的冲f行力时间历程a 10. 0.1 0.001 NE的JZMm阳白领翩翩锢夜1.00 x 10 4000. 3000. 2000. 频率，Hz米捕糠的冲击力能量谱密度1000. AO . -nHV 7 0uv l UA nHV AHV . l

12、典型的力脉冲和颇谱b 困3 GB/T 11349.3-92 AHW AHUU AHU an她“H吨。”vv nI、:z ，阿飞AHHU . “HHV HHHU 川HVj ( ! ) 八“HUOV 们，“d AH川UVAHH” 川门HV04 叫- AHH” ) - AHHV aA他啕) 1 . ) ( 。.us 时间，sGB/T 11349.3-92 能量进行检查。如果需要，应该时冲击锦的特性进行调整以就得需要的频率范闹。5.4耀免冲击反弹如果在一帧数据记录中有两个以上的冲击，脉冲的傅型叶变换就会在某熙频率上抵消其频卒分最，从而在力谱中产生一些尖的下阴（如图5所示）。由于力陆在这J些颇卒点上信噪

13、比低，这些与频率点上的导纳测量结果会具有很大的误差。对于结构上非常敏感的点，如果用较茧的冲击锤橄励，即使非常仔细地施加冲击有时也难免发生反弹。解决这问题的方法就是减小冲击锤的质量，然后再通过调整锤头的刚度以达到需要的激励频率范围。如果第二次冲击比韧始冲击小，力谱可能会；在现出轻微的披功而不是尖的下川。这种股油通常是允许的。通过在频域内检查每个冲击位置的力谱或用存储示波器观察未滤波的力信号可以很容易地发现第二次冲击。应注意，决不能在傅果叶变换之前用“力窗”（见7.5条）消除力记录中的第二次冲击的应响。当用力窗减少力信号中的噪声时，要注意不要掩盖实际发生的多次冲击，否则响应中仍然创含多次冲击的影响

14、，这会导致频率响应函数估计错误。4000. 3000, 2000. z o.o 平坦一1000.2000, 创3000.户4000.。.0 O. IJ5 ) ( l . ) ( 时fa.s a 汉冲击力时jaJ历程图5力记录中两次冲击对力谐的影响GB /T 113 49. 3 92 , AO i 5. . Nm的”2皑白刽啦刷刷磁卡1, .5 0.2 4(J0, 频率，Hzb 冲击力能a谱密度( - E) l - A 续阁56. 1 概述传感器和信号适调仪组成的传感器系统应该根据导纳测量标准GB11349.1和GB11349. 2中始出的准则m排。对于冲击测量来说，该系统具有低噪声和大的线性动

15、态范围是特别重要的。6.2 冲击键校；住虱然力传感器和试验结构之间的有敖质量不影响运功晌应信号，但它对冲击锤的力有显著影响。在每组测撞开始和结束时应该进行下列系统校准。系统校准基本上与导纳测量标准GB11349. 2第6.5条中描述的步骤相同。测量个自由，包；挂的已变p股璋的刚性校准块的导纳或加速度导纳。在整个感兴趣的颇率范周内测得的校准块的频率响应与已知值（例如：加速度导纳的制值为1.Im，这里m是校准块的总质量包括附加真t的传感器的质量1应小于土5%、校准时，应该使用校准值已知的响应传感器，并通过调？在力信号的校推常数以我得正确的导纳或加速度导纳的幅值。对试验中将要使用的其他传感器（例如多

16、轴向传感器）也要进行系统校准。测量系统和冲击饨的配置方式校推时相使用时要相间。！但选择校推块的质量，以使其导纳值能够适应将要测量的导纳范围。传感器系就6 7 传感器倍略的处理7. 1 滤波应用傅里nt分析仪对数据采样和数字化以前，息须对传感器系统仿号j挂行低温滤波，以防止在分和i呀！卒内错误地棍入借外信号而I起迭出。大多数分析仪都有机内滤波器它的截止频率是与分析仪iiJ闸的频率范切相适配的c抗选汩的她架可以用台商质璋的信号发生器来检查检查时，用信号发生：挤在分析频带以外的若干频率点上给分析仪输入满实！J度的u:1！世，然后检茸输出谓是否在分析频带以内有假的频率分量检查时使用的颇率最好大于成等于

17、采样频卒lj最大分析频率之xGB/T 11 34 9 3- 9 2 憾脏器的另一个重要特性是在通带内各通道的增益和相位的匹配。捕波器和分析仪的各通道的匹配性能可以这样检查：将间一宽带（随机或冲击）信号输入到所有的滤披器通道，然后测量每对通道之间的“频率响应函数”，在整个感兴趣的频率范罔内其制值应该等于l，容菜为士5%，相位兼应该为牢，容差为5 u 0 为了充分利用分析仪的功范围，可以利用高通棉被器对低于感兴趣赖率部阁下限的倍号分最进行衰减，但要注意确保它不会在感兴趣的频率施隅内产生增益或相位误差c在使用商处理时（见7.5条），可以用分析仪的“交流祸合”输入方式消除传感器系统信号中的直流分量。7

18、.2瞬态捕捉版该用分析仪的瞬捕捉方式得到每次冲击的数字记录，使数据的起始点置于数字记录的起点附近。数字记录应该包括少量的预触发数据，以保证不丢失冲击的前沿，见阁6。如果分析仪没有预触发功能，最好对未滤披的力信号使用外触发。7.3 5良样每个用于傅恩叶变换处琐的数字记最都是由阔寇的N点组成这些与点是滤波过的模拟波形的等间隔采样值。由于离散傅盟叶变换(OFT）算怯的需要，OFT的块大小N通常是2的路数次方。常用的块大小是1024。记录长度为T=Nf.t，这里t是以秒为单位的采样间隔，采样频率为1/Lt 0 记录的OFT产生N/2)+ 1个复数傅盟叶系数，这些系数代表从零频率到采样频率的一半（称为N

19、yquist频率戒折叠频率）的频率疏罔内频率问阳为A产1IT 两边同乘t;.Le -at得：t（f)工；c-auh u) e-a t u; f (f-u) du ( A2) 公式A2)表明如果给力和响应的时间历幌都乘以指数在减窗函数，则与这些加商后的时间历2N 帮对应的脉冲响应为实际脉冲响应乘以同一指数在减函数。绒性系统的脉冲响应为h(f)Ar川。式中Sr是一个复数，它的实部和虚部分别为第r阶振动模态的衰减率和阻尼固有频廓，而且Ar是一个复常数。因此，对力和响应都加指数窗的姓果就是在脉冲响应函数中用S，.一）代替Sro如果频率响应函数测量用了指数筒，并且L是测得的第r阶模态的阻尼比，则第r阶模

20、态的实际阻尼为r乙二俨，这黑(t)r是舰炮固有频率，单位弧度秒。用修正的阻尼值对感兴趣的频率藏围内所有模态进行综合而得到修正后的导纳值。对于阻尼小而且分离得开的模态，峰值幅度与阻尼成反比，在第r阶模态测得的峰值的模乘以仁，便可得到真正的峰值的模。在实际中，指数商常常只用于响应的时间历程，而不用于力时间历程。由于冲击力持续时间非常短，因此给力加指数商的结果与给力乘以矩形窗的结果相当接近。如果力峰值出现在非常接近于数字记录开始点的位置，则它们之间的差别完全可以忽略。如果6.2条所述的系统校准是使用与导纳测囊相间的商处理和预触发，则这一影响被自动地包括在力校准之中。附加说明：本标准由中华人民共和困机械电子工业部提出。本标准由全国机械振功与冲击标准化技术委员会归口c本标准由机械电子工业部郑州机械研究所负责也靡。本标准主要起草人梅小平、韩国明。