本書系統(tǒng)地介紹了結(jié)構(gòu)振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)的基本原理及其在工程中的應(yīng)用。內(nèi)容主要包括:單自由度、多自由度和彈性體的自由振動(dòng)、衰減振動(dòng)、受迫振動(dòng)的理論和方法,著重論述了實(shí)際工程問題的力學(xué)模型的簡化過程,解決多自由度振動(dòng)系統(tǒng)中行之有效的數(shù)值計(jì)算方法、工程上經(jīng)常應(yīng)用的有限元法等,桿、梁、環(huán)、板等連續(xù)彈性體的振動(dòng)理論,其中包括剪切應(yīng)變、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸向力對梁的橫向振動(dòng)的影響,非線性振動(dòng)理論以及在工程中行之有效近似解決方法,結(jié)合工程實(shí)例(如龍洗現(xiàn)象等),解釋了一些典型的非線性振動(dòng)現(xiàn)象。
隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,動(dòng)力結(jié)構(gòu)有向大型化、高速化、復(fù)雜化和輕量化發(fā)展的趨勢,由此而帶來的振動(dòng)問題更為突出。解決振動(dòng)問題主要有兩種方法——理論方法和實(shí)驗(yàn)方法,兩種方法具有相輔相成的作用,它們的結(jié)合運(yùn)用是解決工程振動(dòng)的有效方法。
用實(shí)驗(yàn)的方法解決振動(dòng)問題經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程,直到20世紀(jì)70年代以后,振動(dòng)測試技術(shù)才進(jìn)入了一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期。在這一時(shí)期,由于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展以及快速傅里葉變換的普遍應(yīng)用,各種基于數(shù)字信號處理原理的頻率分析儀以及以計(jì)算機(jī)為核心的多功能信號分析軟件大量涌現(xiàn),從而大大加強(qiáng)了對工程振動(dòng)信號時(shí)域及頻域的分析功能。由于有關(guān)軟件功能的不斷完善,在測試過程中只要掌握振動(dòng)理論,并熟悉有關(guān)儀器、設(shè)備的工作原理以及操作步驟和要求,根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系,就能很容易地通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模態(tài)分析而得到各階振動(dòng)模態(tài)特性。此外,為環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)需要而發(fā)展起來的振動(dòng)控制原理與技術(shù),為機(jī)器設(shè)備故障診斷而發(fā)展起來的各種振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng),都是振動(dòng)測試應(yīng)用的重要方面。振動(dòng)測試是一種解決工程振動(dòng)問題的好方法,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,它已成為一門綜合性學(xué)科,并深入到各科技、生產(chǎn)領(lǐng)域,是解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行、產(chǎn)品試制中有關(guān)振動(dòng)問題的必不可少的手段。因此,為解決現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)際問題中的振動(dòng)問題,掌握工程振動(dòng)測試技術(shù)是十分必要的。
由此,許多學(xué)校在力學(xué)、機(jī)械、航空、航天、船舶、車輛、建筑、土木和水利等各專業(yè)開設(shè)了相關(guān)的振動(dòng)測試技術(shù)課程,為適應(yīng)工程建設(shè)的需要,天津大學(xué)的國家資源共享課“工程振動(dòng)與測試”在網(wǎng)上發(fā)布了教學(xué)全程錄像,以及幾個(gè)典型教學(xué)實(shí)驗(yàn)(如中華文物龍洗和編鐘實(shí)驗(yàn))的全程錄像,解決了此課程的實(shí)驗(yàn)問題,以方便大家以網(wǎng)絡(luò)形式學(xué)習(xí),為全程教育提供了平臺。為滿足教學(xué)和工程建設(shè)的需求,本書在編寫中本著由淺入深、通俗易懂的原則,以務(wù)實(shí)為根本,著重介紹了有關(guān)的基本概念和原理,從而避免了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
本書對振動(dòng)測試系統(tǒng)著重介紹其工作原理和應(yīng)用:如對有些儀器,著重用框圖說明電路各環(huán)節(jié)的作用,而不涉及具體的線路圖;對傳感器,主要用示意圖說明其工作原理,而不涉及其實(shí)際結(jié)構(gòu)。上述處理可為工程技術(shù)人員的初學(xué)和應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。
考慮到部分讀者可能對振動(dòng)基本理論不甚熟悉,這將影響對測試技術(shù)的理解和應(yīng)用。為此,本書在第1章中用通俗易懂的方式對有關(guān)振動(dòng)的基本理論和概念進(jìn)行了簡單介紹,以建立振動(dòng)理論與測試技術(shù)的相互聯(lián)系。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,先進(jìn)的測試與傳感技術(shù)不斷涌現(xiàn),測試儀器和設(shè)備不斷更新?lián)Q代,所以本書在編寫方法上:一是為讀者自學(xué)、深造和拓寬知識打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);二是大膽地推陳出新,注意引進(jìn)新方法、新技術(shù)和新科技成果,根據(jù)工程振動(dòng)測試技術(shù)的特點(diǎn)精選內(nèi)容,結(jié)合工程實(shí)際,反映現(xiàn)代分析方法和工程測試技術(shù)的發(fā)展等。
本書共分11章:第1章介紹了機(jī)械振動(dòng)的基本理論,它是工程振動(dòng)測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。第2章介紹了振動(dòng)測試中的基本方法,包括工程振動(dòng)測試的基本原理、測試系統(tǒng)的組成和技術(shù)性能等。第3章介紹了傳感器的機(jī)械接收原理和機(jī)電變換原理,包括機(jī)械式、壓電式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、電動(dòng)式等傳感器的工程應(yīng)用。第4章介紹了振動(dòng)測試儀器及設(shè)備的工作原理,其中包括微分、積分放大器,濾波器,激振器、振動(dòng)臺、力錘等激振設(shè)備,并重點(diǎn)討論了不同激勵(lì)形式的激振器和振動(dòng)臺的工作原理和適用范圍,以及振動(dòng)測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)。第5章介紹了數(shù)據(jù)采集與信號的傅里葉分析原理;闡述了模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換,頻率混淆與采樣定理,泄漏與窗函數(shù),傅里葉變換,快速傅里葉變換等基本概念;討論了工程實(shí)際中對采樣頻率的要求和窗函數(shù)的選擇。第6章介紹了虛擬儀器技術(shù),并以虛擬儀器開發(fā)平臺為研究對象,講述了有關(guān)軟件的使用方法,重點(diǎn)講解了數(shù)據(jù)分析模塊的基本功能。第7章介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,闡述了單自由度系統(tǒng)傳遞函數(shù)和多自由度系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣的物理意義,介紹了模態(tài)參數(shù)識別的基本方法和在環(huán)境模態(tài)下的模態(tài)分析方法。第8章介紹了小波分析及其在基本參數(shù)識別和結(jié)構(gòu)損傷識別方面的應(yīng)用。第9章介紹了基本振動(dòng)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法等實(shí)例。第10章介紹了表面振動(dòng)波的非接觸測試方法。第11章介紹了激光測振原理及應(yīng)用,其中重力波測試技術(shù)和激光測振技術(shù)是近年來在振動(dòng)測試領(lǐng)域發(fā)展起來的新技術(shù),并得到迅速的普及和應(yīng)用。各章之中還包含部分工程應(yīng)用實(shí)例。為便于學(xué)習(xí),本書還配有相應(yīng)的習(xí)題等。欲觀看有關(guān)講課視頻錄像和實(shí)驗(yàn)視頻錄像,可登錄網(wǎng)站,選擇國家資源共享課“工程振動(dòng)與測試”課程的第2部分。
本書的主要內(nèi)容是對多年振動(dòng)測試技術(shù)課程講授經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),是在編者較早編寫的《工程振動(dòng)與測試技術(shù)》和《工程振動(dòng)理論與測試技術(shù)》基礎(chǔ)上改編而成的,增加了小波變換、虛擬儀器、表面振動(dòng)波的非接觸測試方法和激光測振儀等在工程上應(yīng)用的新內(nèi)容,并對其他章節(jié)進(jìn)行了大幅度修改,有關(guān)專家經(jīng)過詳細(xì)審閱,提出了非常寶貴的意見,在此謹(jǐn)向他們表示衷心的感謝。
本書進(jìn)行了兩方面改進(jìn)。首先,為方便學(xué)習(xí)以及快速掌握全書重點(diǎn),本書采取了雙色印刷技術(shù),使重點(diǎn)更加突出。其次,在每一頁引入了二維碼,掃描二維碼,可得到本頁的相關(guān)資源,如要點(diǎn)提示、有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、圖片、動(dòng)畫、思考題答案、實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用微視頻、實(shí)驗(yàn)錄像以及學(xué)術(shù)講座等內(nèi)容。在使用本書相關(guān)資源的過程中,若讀者有任何建議或意見,請聯(lián)系我們,在此深表感謝。
本書第1、2、4、5、7、9、11章由劉習(xí)軍執(zhí)筆,第3章由徐家福執(zhí)筆,第6章由劉鵬執(zhí)筆,第8章由商開然、相林杰執(zhí)筆,第10章由張素俠執(zhí)筆,最后由劉習(xí)軍、張素俠統(tǒng)稿。
本書可作為高等工科院校本科生和研究生的工程振動(dòng)測試技術(shù)課程的教材或教學(xué)參考書,也可供從事機(jī)械、航空、航天、船舶、車輛、建筑和水利等行業(yè)的從事振動(dòng)測試工作的工程技術(shù)人員參考。
限于水平,錯(cuò)誤與不妥之處在所難免,懇請廣大同行及讀者指正。
編者
前言
引言
第1章振動(dòng)的基本理論
1.1振動(dòng)系統(tǒng)的組成
1.2單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)
1.3兩自由度系統(tǒng)的振動(dòng)
1.4多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)
習(xí)題
第2章工程振動(dòng)測試系統(tǒng)概述
2.1工程振動(dòng)測試原理概述
2.2工程振動(dòng)測試方法
2.3測試系統(tǒng)的組成及配置
2.4工程測試系統(tǒng)的技術(shù)性能
2.5工程振動(dòng)測量中參量和儀器的選擇
2.6工程振動(dòng)測試技術(shù)的任務(wù)
習(xí)題
第3章傳感器的工作原理
3.1傳感器的機(jī)械接收原理
3.2相對式傳感器的機(jī)電變換原理
3.3慣性式傳感器的機(jī)電變換原理
習(xí)題
第4章振動(dòng)測試儀器及設(shè)備
4.1微積分放大器
4.2模擬濾波器
4.3壓電式加速度傳感器的測試系統(tǒng)
4.4 電渦流式傳感器的測試系統(tǒng)
4.5激振設(shè)備
4.6振動(dòng)測試儀器的校準(zhǔn)
習(xí)題
第5章數(shù)字信號分析( I)
傅里葉分析
5.1數(shù)據(jù)處理的基本知識
5.2傅里葉變換
5.3有限離散傅里葉變換
5.4快速傅里葉變換
5.5頻率混淆與采樣定理
5.6泄漏與窗函數(shù)
5.7數(shù)字濾波器
5.8噪聲與平均技術(shù)
5.9數(shù)字信號分析儀的工作原理及簡介
習(xí)題
第6章虛擬儀器技術(shù)
6.1虛擬儀器概述
6.2虛擬儀器的組成
6.3虛擬儀器的編制
6.4虛擬儀器的應(yīng)用
習(xí)題
第7章實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析簡介
7.1實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析概述
7.2實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的幾個(gè)基本概念
7.3多自由度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣和
頻響函數(shù)矩陣
7.4傳遞函數(shù)的物理意義
7.5多自由度系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)識別
7.6模態(tài)分析中的幾種激振方法
7.7模態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)過程
7.8環(huán)境激勵(lì)法的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析簡介
7.9實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析在工程中的應(yīng)用
7. 10模態(tài)參數(shù)識別的判據(jù)
習(xí)題
第8章數(shù)字信號分析(Ⅱ)——
小波分析
8.1傅里葉變換的特點(diǎn)
8.2短時(shí)傅里葉變換
8.3小波變換
8.4離散小波變換
8.5正交小波變換的快速( Mallat)
算法
8.6小波包變換
8.7小波分析的工程應(yīng)用
習(xí)題
第9章基本振動(dòng)參數(shù)常用的
測量方法
9.1簡諧振動(dòng)頻率的測量
9.2機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的測量
9.3簡諧振動(dòng)幅值的測量
9.4同頻簡諧振動(dòng)相位差的測量
9.5衰減系數(shù)及阻尼系數(shù)的測量
9.6振型曲線的測量
9.7質(zhì)量或剛度的測量
9.8周期振動(dòng)的參數(shù)測量方法
習(xí)題
第10章表面振動(dòng)波的非接觸
測試方法
10.1云紋法
10.2傅里葉變換莫爾法
10.3工程應(yīng)用實(shí)例
習(xí)題
第11章激光測振原理及應(yīng)用
11.1激光干涉基礎(chǔ)
11.2時(shí)間平均全息方法
11.3激光多普勒效應(yīng)
11.4激光多普勒光學(xué)信息處理
11.5激光多普勒測振儀的工程應(yīng)用
習(xí)題
參考文獻(xiàn)