常见激振设备简介，振动试验人员必备知识

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　　激振设备
　　常用的激振器有电动式、电磁式和电液式三种，此外还有用于小型、薄壁结构的压电晶体激振器、高频激振的磁致伸缩激振器和高声强激振器等。

　　激振设备的分类
　　按使用方式：
　　振动台：机械式、电动式、液压式→分布力
　　激振器：机械式、电动式、液压式→集中力

　　按工作原理：
　　机械式、电动式、液压式、压电式、磁吸式

　　按振动方向：
　　单方向：垂直、水平、扭转→ 一维振动
　　多方向：垂直、水平→二维平面或三维空间振动

　　按振动波形：
　　简谐振动、冲击振动、随机振动、任意波形振动

　　激振设备的基本特性参数
　　  · 最大激振力
　　  · 最大负荷
　　  · 最大空载和满载加速度
　　  · 最大位移和最大速度
　　  · 使用频率范围
　　  · 失真度
　　  · 台面的均匀度
　　  · 台面的横向运动

　　1. 机械式振动台与激振器
　　(1) 直接驱动式

　　当它们的主轴由电机带动旋转时，台面即产生确定的振动→台面是由主轴经过一个机构直接驱动的。台面的位移如下式：

　　直接驱动式振动台的特点：
　　  · 振幅的大小由偏心距确定
　　  · 振动频率由偏心轮回转速度确定
　　  · 转速是可调的
　　  · 频率范围窄，下限频率决定于调速机构在低速时稳定程度，上限频率受轴承磨损等因素的影响，不会太高，一般在50-60赫兹。
　　  · 输出波形较差

　　(2) 离心式振动台
　　工作原理：两个转轴通过一对齿轮齿和，并由电机带动以相等的角速度、相反的转向转动，每一轴上有一质量为m、偏心距为e的偏心块，每一偏心块就有一离心力作用在转轴上，如果两偏心块的相对位置配置的好，则两个力的水平分力相互平衡，而垂直分力合成为一合力，若转轴以等角速度转动，则合力呈简谐变化，这个力通过激振器的外壳作用于被试验的物体上。其激振力的大小：

　　2. 电动式振动台与激振器
　　(1) 电动式振动台
　　组成：运动系统---线圈骨架、线圈、连杆、支撑弹簧和台面;磁路系统---励磁线圈(永久磁铁)、环形空气隙和外壳。

　　工作原理：利用带电导体在磁场中受到磁场力的作用而产生运动。当由励磁电源供以直流电流后，就在磁路的环形气隙中形成一个强大的恒定磁场，信号发生器产生交变信号，经功率放大器放大后，输入到动圈，它与磁场作用即产生一个交变的力，推动可动系统运动。若输入电流呈简谐变化时，则力的大小为：

　　频率特性
　　a. 力学模型
　　如图所示，其中m1和m2分别为台面和动圈质量ks和cs分别支撑弹簧的刚度和阻尼系数ke和ce分别为台面相对动圈的刚度和阻尼系数。

　　b. 运动方程

　　当ω较低时，由于Ke≥Ks，m1和m2可看作是刚体连接，系统可简化为如图a所示的单自由度系统，其运动方程为：

　　令

　　则有：

　　其中：

　　当w较高时，由于Ks≤ Ke，可忽略，系统可简化为如图b所示的两自由度系统，其运动方程为：

　　则有

　　将两种情况结合起来得振动台频率特性曲线为：

　　特点：
　　  · 频率范围宽，下限1-10Hz，上限 上万Hz。
　　  · 输出加速度波形好
　　  · 输出推力大，易调节和控制
　　  · 操作方便，可实现多种波形振动
　　  · 造价高

　　(2) 电动式激振器

　　结构如图所示，驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极与铁芯6的气隙中。当线圈7通入交变电流i时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流i成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。

　　注意：由顶杆施加到被激对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比(电动力与激振力之比)与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力

　　(3) 绝对式电动激振器的安装一
　　以下是几种安装方式：
　　a. 当要求作较高频率的激振时，激振器用软弹簧悬挂起来，并加上必要的配重，以尽量降低悬挂系统的固有频率，使它低于激振频率1/3以上。

　　b. 低频激振时则将激振器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上。

　　c. 在很多无法找到安装激振器的参考物场合，可将激振器用弹簧支撑在被激对象上。此方法仅适合用于被测对象的质量远远超过激振器质量，且激振频率大于激振器安装固有频率的振动试验。

　　(4) 绝对式电动激振器的安装二
　　为了保证测试精度，做到正确施加激振力，必须在激振器与被激对象之间用一根在激励力方向上刚度很大而横向刚度很小的柔性杆连接，既保证激振力的传递又大大减小对被激对象的附加约束。此外，一般在柔性杆的一端串联着一力传感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角

　　3. 电磁式激振器
　　电磁式激振器直接利用电磁力作激振力，常用于非接触激振场合。特别是对回转件的激振，如图所示。一定频率的交变信号经功率放大器放大后，通入绕在铁芯上的线圈中，这时在磁极附近就形成一个交变磁场，处在磁场中的磁性试验对象就受到交变的吸力，吸力的大小近似为：

　　其中：Ra为空气隙磁阻;Rm为铁芯磁路的磁阻;Sa，Sm为气隙与铁芯的截面积;μa，μm为气隙与铁芯材料导磁系数;la，lm为气隙平均厚度与铁芯磁路长度;w为线圈匝数。

　　设通入线圈的电流i是简谐变化的(a)，即i=sinwt。不论磁铁极性怎样，对磁铁材料均有吸引力，故激振力是脉动力(图b)，因此时气隙中的磁感应强度Bi，亦呈简谐变化。Bi=Bsinwt，得吸力为：

　　这种脉动的激振力除了包含有恒力F0以外，主要的谐波频率是电流频率的两倍，这对激振试验有时会带来一些麻烦。若在铁芯上另绕一个线圈，并通入直流电使铁芯预磁化。此时吸力的简谐性大有改善，因为加上直流电后，气隙的磁感应强度为Bi=B0+B1sinwt，吸力为：

　　若预磁化有适当大小，使B0≥B1，则有F1≥F2，即除了恒力F0以外，吸力中主要成分的频率是w(图c)，预磁化也不宜过大而导致铁芯饱和。

　　由于铁磁材料的磁通-电流特性曲线的非线性，激振力一般失真度较大。此外高频时由于电磁铁及被激对象的涡流效应及线圈的集肤效应，激振力会大幅下降，这种激振器常用的频率范围为20至数百Hz，力幅为数N至数百N。

　　4. 涡流式不接触激振器
　　涡流式激振器是一种新兴的不接触激振器，除了有磁吸式激振器类似的优点外，试验对象不限于铁磁材料，只要是导体即能适用。

　　涡流式激振器的工作原理

　　涡流式激振器有两个磁路(图a)。高磁能的永久磁铁置于试件的侧面。它在试件周围形成一个恒定磁场，绕有线圈的铁芯置于试件下方，与试件保持一定间隙，当交变电流通入线圈时，就有交变磁通穿过试件，在试件上感应出与输入电流同频率的交变涡流，涡流与恒磁场相互作用便产生如图b所示铅垂方向的交变激振力F。激振力的频率与电流频率相同，其幅值大小正比于恒磁场强度和输入电流的强度，并与试件的材质以及试件与激振器安装的相对位置有关，定量确定比较困难。

　　5. 电液式激振器

　　电液式激振器结构原理如图所示。

　　信号发生器的信号经过放大后，经由电动激振器，操纵阀和功率阀所组成的电液伺服阀2，控制油路使活塞3作往复运动，并以顶杆1去激励被激对象。活塞端部输入一定油压的油，形成静压力p* ，对被激对象施加预载荷。用力传感器测量交变激励力p1和静压力p*。

　　电液式激振器的优点：激振力大，行程大。但由于油液的可压缩性和调整流动压力油的摩擦，使电液式激振器的高频特性变差，一般只适用于较低的频率范围，通常为零点几Hz到数百Hz，其波形也比电动式激振器差。此外，它的结构复杂，制造精度要求也高，并需一套液压系统，成本较高。

　　液压振动台
　　它的功能与特点：
　　a. 实现正弦振动、随机振动、多点激振及冲击碰撞;

　　b. 可实现低频振动，并且推力大、防爆，因此可以应用于模拟地震激励、弹药装填等;

　　c. 高强度的铸铝或铸镁台面，保证了振动的均匀和一致性，重现性高，避免台面产生变形;

　　d. 可实现大质量、大尺寸产品的长行程振动试验。

　　6. 压电晶体激振器
　　工作原理：利用压电晶体的逆压电效应，即在压电晶体的两个极化面上加交变电流时，在它的某一方向就会发生伸缩或剪切变形

　　使用方法：用胶将压电晶体粘帖在试验物体表面，在它的两个极化面上加交变电压，当晶体片产生变形时，会带动试件产生相应的变形，这样在试件的局部区域起激振作用，而引起整个试件的振动

　　特点：
　　a. 激振力很小，大小与晶体片的大小及所施加的交变电压有关。

　　b. 仅适用于轻薄结构

　　c. 有附加质量和附加刚度

　　7. 冲击力锤
　　组成：由压电力传感器配以锤体、锤头盖和锤把等零件构成

　　产生的波形：半正弦波

　　特点：
　　a. 锤头盖材料不同，产生的波形的作用时间和主瓣频率不同。

　　b. 垂体质量主要影响冲击力幅值，对持续时间也略有影响。

　　c. 冲击能量主要集中在 0-1/τ，主瓣频率大约为3/2τ

　　d. 冲击力大小一般与锤体质量有关，锤体大，冲击力也约大。

　　本文根据百度文库中的西安交通大学PPT讲义《现代力学测量技术：第三部分振动的激励与激振设备》的部分内容整理而成，讲义由sxer636分享，讲义原作者不详，故而未能标注，望见谅。