固有頻率測(cè)量

1:掃頻式

是由掃頻激振器、功率放大器、掃頻信號(hào)源、振動(dòng)頻率測(cè)量分析儀、振動(dòng)傳感器、等部件組成，主要通過(guò)激振掃頻形式，讓其工件產(chǎn)生共振，并通過(guò)拾取共振信號(hào)，得出其工件的固有頻率。

在激振功率輸出不變的情況下，由低到高調(diào)節(jié)激振器的激振頻率，通過(guò)振動(dòng)測(cè)量?jī)x，我們可以觀察到在某一頻率下，任一振動(dòng)量（加速度、速度、位移、速度）幅值迅速增加，這就是機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的某階固有頻率。

2: 錘擊法

用沖擊力激振，通過(guò)輸入的力信號(hào)和輸出的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行傳函分析，得到各階固有頻率，此方法準(zhǔn)確和方便。

 很多時(shí)候，人們只關(guān)心固有頻率是，而不關(guān)心阻尼與振型這兩個(gè)參數(shù)。這時(shí)因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)受到外界的激勵(lì)時(shí)，人們關(guān)心外界的激勵(lì)頻率離結(jié)構(gòu)固有頻率有多遠(yuǎn)，會(huì)不會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題。將某個(gè)輸入-輸出位置的頻響函數(shù)用模態(tài)參數(shù)表示為在這個(gè)方程中包括極點(diǎn)和振型的信息，極點(diǎn)由固有頻率和阻尼組成。對(duì)于不同的位置，模態(tài)振型值是不一樣的，但是極點(diǎn)卻不隨位置的變化而變化。這表明系統(tǒng)極點(diǎn)是全局特性，它們獨(dú)立于特定的輸入-輸出位置。也就是說(shuō)從一個(gè)輸入-輸出位置就能測(cè)量到系統(tǒng)的所有極點(diǎn)信息。因此，固有頻率測(cè)量時(shí)，理論上講，只需要一個(gè)測(cè)量位置即可測(cè)量出所有模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率。
雖然理論上講在一個(gè)位置安裝一個(gè)傳感器就能測(cè)量出結(jié)構(gòu)所有階固有頻率，但是卻有一些現(xiàn)實(shí)方面的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1）與測(cè)量位置有關(guān)。我們知道在布置模態(tài)參考點(diǎn)時(shí)，要求避開(kāi)關(guān)心的所有模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置。同樣的道理，固有頻率作為三個(gè)模態(tài)參數(shù)，同樣要遵循這樣的要求。
2）與激勵(lì)位置有關(guān)。如果采用測(cè)量FRF的方法進(jìn)行測(cè)量，那么，要求激勵(lì)位置也應(yīng)該避開(kāi)關(guān)心的所有模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置。這是因?yàn)槿绻?lì)位置是某階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置，那么將激勵(lì)不起來(lái)這階模態(tài)，因而這階模態(tài)將不參與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，導(dǎo)致這階模態(tài)在FRF曲線中不可見(jiàn)。也就是說(shuō)，對(duì)于固有頻率測(cè)量而言，要求激勵(lì)與響應(yīng)位置同時(shí)避開(kāi)模態(tài)節(jié)點(diǎn)位置。
3）與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。如果結(jié)構(gòu)是一個(gè)強(qiáng)方向性模態(tài)結(jié)構(gòu)，那么，如果只在一個(gè)方向布置一個(gè)單向傳感器，那么必將丟失其他方向的固有頻率。因此，對(duì)于具有強(qiáng)方向性模態(tài)的結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)該在不同的方向布置測(cè)點(diǎn)。
當(dāng)僅在結(jié)構(gòu)一個(gè)位置布置傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置都是不相同的，因而，固有頻率測(cè)量會(huì)遭遇與模態(tài)參考點(diǎn)相同的風(fēng)險(xiǎn)：一個(gè)測(cè)量位置會(huì)導(dǎo)致一階或幾階固有頻率不可見(jiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)測(cè)量位置不是這階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)，就可能是那階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)的可能性非常大。因此，強(qiáng)烈建議布置多個(gè)測(cè)量位置，原理與布置多參考點(diǎn)相同。
      我們?cè)趯?duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率測(cè)試時(shí)，測(cè)量方法可以分為以下幾類：
1、測(cè)量FRF：如采用傳統(tǒng)的FRF測(cè)量方法，錘擊法與激振器法。由于固有頻率是模態(tài)參數(shù)，所以，采用測(cè)量FRF方法測(cè)量固有頻率同樣要求遵循模態(tài)測(cè)試的那些要求。如激勵(lì)響應(yīng)位置要求、激勵(lì)力的大小等，但此時(shí)要求激勵(lì)與響應(yīng)同時(shí)避開(kāi)模態(tài)節(jié)點(diǎn)位置。
2、振動(dòng)臺(tái)測(cè)試：可以將待測(cè)結(jié)構(gòu)在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)激勵(lì)或掃頻激勵(lì)，然后分析響應(yīng)信號(hào)獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率。
3、僅測(cè)量響應(yīng)：當(dāng)結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)時(shí)，可以僅測(cè)量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，然后對(duì)響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析。但這時(shí)頻譜圖中的峰值可能有的是結(jié)構(gòu)的固有頻率，也可能有的是強(qiáng)迫響應(yīng)頻率，還有可能是轉(zhuǎn)頻及其諧頻。另外，當(dāng)采用這種方法時(shí)，工作載荷可能不能將所有關(guān)心的固有頻率都激勵(lì)起來(lái)，可能僅激勵(lì)起一些固有頻率，甚至連基頻也激勵(lì)不起來(lái)的情況也存在。
4、變轉(zhuǎn)速激勵(lì)：對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，可以采用變轉(zhuǎn)速方法，如升降速測(cè)量，然后對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行瀑布圖分析，在瀑布圖中垂直與頻率軸的峰值區(qū)域即是結(jié)構(gòu)的一階固有頻率。
5、非接觸式測(cè)量：當(dāng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，哪怕是在結(jié)構(gòu)上布置一個(gè)輕質(zhì)的傳感器也會(huì)導(dǎo)致固有頻率移動(dòng)明顯，這時(shí)宜用非接觸式的傳感器進(jìn)行測(cè)量，如電渦流位移傳感器，聲壓傳感器等。我曾經(jīng)采用聲壓傳感器測(cè)量過(guò)PCB板、軸瓦等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的固有頻率。
6、其他方法：如果能按測(cè)量FRF的方法來(lái)測(cè)量是好的，但很多時(shí)候，我們都沒(méi)有激勵(lì)設(shè)備可用，那么這個(gè)時(shí)候，我們可以采用特殊的激勵(lì)方法，僅測(cè)量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，對(duì)響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率。這些特殊的激勵(lì)方法包括：手撥方法（針對(duì)小型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)）、階躍方法（使結(jié)構(gòu)存在一個(gè)初位移，然后突然釋放）、生活中的各式錘子激勵(lì)等。
     我們經(jīng)常需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有頻率測(cè)量，那到底是測(cè)量哪一階固有頻率呢？一般情況下，沒(méi)有特別說(shuō)明時(shí)，通常指測(cè)量結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率，也就是基頻。但大多數(shù)情況下，我們可以得到結(jié)構(gòu)很多階固有頻率，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該將固有頻率按頻率值從小到大的順序依次列出測(cè)量到的所有階固有頻率。我個(gè)人認(rèn)為，對(duì)于絕大多數(shù)情況，前幾階（小于等于10階）固有頻率就可滿足測(cè)試要求。