什么是振動(dòng)？

當(dāng)物體描述關(guān)于參考位置的振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體被稱為振動(dòng)。一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期在一秒內(nèi)發(fā)生的次數(shù)稱為頻率，以赫茲（Hz）為單位。

該運(yùn)動(dòng)可以由以單個(gè)頻率出現(xiàn)的單個(gè)分量組成，例如與音叉一樣，或者由以不同頻率同時(shí)出現(xiàn)的多個(gè)分量組成，例如與內(nèi)燃機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)一起。

在實(shí)踐中，振動(dòng)信號(hào)通常由許多同時(shí)發(fā)生的頻率組成，因此我們不能僅通過觀察時(shí)間模式立即看出有多少分量以及它們發(fā)生在什么頻率。

這些分量可以通過繪制振動(dòng)幅度與頻率的關(guān)系來顯示。將振動(dòng)信號(hào)分解成各個(gè)頻率分量稱為頻率分析，這種技術(shù)可被視為診斷振動(dòng)測(cè)量的基石。將振動(dòng)水平表示為頻率的函數(shù)的曲線圖稱為頻譜圖。

當(dāng)對(duì)機(jī)器振動(dòng)做頻率分析時(shí)，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)顯著的周期頻率分量，這些頻率分量與機(jī)器各個(gè)部件的基本運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)。因此，通過頻率分析，我們能夠追蹤到不希望的振動(dòng)源。



振動(dòng)從何而來？

在實(shí)際操作中，避免振動(dòng)是非常困難的。這通常是由于制造公差、間隙、機(jī)器部件之間的滾動(dòng)和摩擦接觸以及旋轉(zhuǎn)和往復(fù)構(gòu)件中的不平衡力的動(dòng)態(tài)效應(yīng)而發(fā)生的。通常，微小的不重要的振動(dòng)可以激發(fā)一些其他結(jié)構(gòu)部件的共振頻率，并被放大成主要的振動(dòng)和噪聲源。

不過，有些工作又需要利用機(jī)械振動(dòng)。例如，我們?cè)诓考o料機(jī)、混凝土壓實(shí)機(jī)、超聲波清潔槽、鑿巖機(jī)和打樁機(jī)中故意產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)廣泛用于向產(chǎn)品和子組件施加受控水平的振動(dòng)能量，其中需要檢查它們的物理或功能響應(yīng)并確定它們對(duì)振動(dòng)環(huán)境的耐受性。

在所有振動(dòng)工作中，無論是在利用其能量的機(jī)器的設(shè)計(jì)中，還是在平穩(wěn)運(yùn)行的機(jī)械產(chǎn)品的制造和維護(hù)中，一個(gè)基本要求是通過測(cè)量和分析獲得振動(dòng)的準(zhǔn)確描述的能力。

量化振動(dòng)水平

振動(dòng)幅度是描述振動(dòng)嚴(yán)重程度的特征，可以以幾種方式量化。圖中顯示了正弦波的峰峰值、峰值、平均值和RMS值之間的關(guān)系。

峰-峰值的價(jià)值在于它指示了波的最大偏移，這個(gè)量在例如評(píng)價(jià)機(jī)器部件的振動(dòng)位移對(duì)于最大應(yīng)力或機(jī)械間隙時(shí)非常關(guān)鍵。

峰值對(duì)于指示短持續(xù)時(shí)間沖擊等的水平特別有用。但是，從圖中可以看出，峰值僅表示出現(xiàn)的最大水平，沒有考慮波的時(shí)間歷程。

另一方面，整流平均值確實(shí)考慮了波的時(shí)間歷程，但只有有限的實(shí)際意義，因?yàn)樗c任何有用的物理量沒有直接關(guān)系。

RMS值是最有用的振幅度量，因?yàn)樗瓤紤]了波的時(shí)間歷程，又給出了與能量含量直接相關(guān)的振幅值，從而與振動(dòng)的破壞能力直接相關(guān)。



振動(dòng)參數(shù)：加速度、速度和位移


測(cè)量單位

當(dāng)我們觀察振動(dòng)音叉時(shí)，我們認(rèn)為波的振幅是音叉末端向靜止位置兩側(cè)的物理位移。除了位移外，我們還可以用它的速度和它的加速度來描述音叉的運(yùn)動(dòng)。無論考慮的是位移、速度還是加速度，振動(dòng)的形式和周期都保持不變。主要區(qū)別在于如圖所示的三個(gè)參數(shù)的幅度-時(shí)間曲線之間存在相位差。

對(duì)于正弦信號(hào)，位移、速度和加速度幅度通過頻率和時(shí)間的函數(shù)在數(shù)學(xué)上相關(guān)，如圖所示。如果忽略相位，如在進(jìn)行時(shí)間平均測(cè)量時(shí)總是這樣，則可以通過將加速度信號(hào)除以與頻率成比例的因子來獲得速度水平，也可以通過將加速度信號(hào)除以與頻率的平方成比例的因子來獲得位移。這種除法計(jì)算在測(cè)量?jī)x器中以數(shù)字方式執(zhí)行。

振動(dòng)參數(shù)幾乎都是按照ISO要求以公制單位測(cè)量的，這些參數(shù)如表所示。然而，重力常數(shù)“g”或更準(zhǔn)確地說“gn”仍然廣泛用于加速度水平，盡管它不屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制。幸運(yùn)的是，該常數(shù)數(shù)值上接近10（9.80665）可將兩個(gè)單位聯(lián)系起來，如果2%的偏差可接受可以快速心算。



選擇加速度、速度或位移參數(shù)

通過檢測(cè)振動(dòng)加速度，我們不會(huì)單獨(dú)依賴于該參數(shù)。我們可以將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和位移。大多數(shù)現(xiàn)代振動(dòng)計(jì)都配備了測(cè)量所有三個(gè)參數(shù)的設(shè)備。

在進(jìn)行單個(gè)寬頻帶振動(dòng)測(cè)量的情況下，如果信號(hào)具有許多頻率的分量，則參數(shù)的選擇是重要的。位移測(cè)量將給予低頻分量較大的權(quán)重，相反，加速度測(cè)量給予高頻分量較大權(quán)重。

經(jīng)驗(yàn)表明，在10至1000Hz范圍內(nèi)測(cè)量的振動(dòng)速度的總RMS值給出了旋轉(zhuǎn)機(jī)器上振動(dòng)嚴(yán)重程度的最佳指示。一個(gè)可能的解釋是給定的速度水平對(duì)應(yīng)于給定的能量水平；從振動(dòng)能量的觀點(diǎn)來看，低頻和高頻的振動(dòng)同等地加權(quán)。實(shí)際上，許多機(jī)器的速度譜相當(dāng)平坦。

進(jìn)行窄帶頻率分析時(shí)，參數(shù)的選擇將僅反映在顯示屏或報(bào)告上。因此我們需要考慮影響參數(shù)選擇的實(shí)際考慮。選用頻譜最平坦的參數(shù)可以最好地利用儀器的動(dòng)態(tài)范圍（可測(cè)量的最小值和最大值之間的差）。因此，通常選擇速度或加速度參數(shù)進(jìn)行頻率分析。

因?yàn)榧铀俣葴y(cè)量是可以充分顯示高頻振動(dòng)分量，所以加速度傾向于用在需覆蓋高頻的情況下。

但要注意機(jī)械系統(tǒng)的可感知的位移通常只發(fā)生在低頻。因此，如果關(guān)注低頻，位移測(cè)量很重要。在考慮機(jī)器元件之間的小間隙時(shí)，振動(dòng)位移也是一個(gè)重要的考慮參數(shù)。位移也常用作旋轉(zhuǎn)機(jī)器部件中不平衡的指標(biāo)，因?yàn)橄鄬?duì)大的位移通常發(fā)生在軸旋轉(zhuǎn)頻率處，該頻率也是平衡目的最感興趣的頻率。