提高固有频率测量精度的声频法及其工程应用

    0　引　　言

    不同材料、不同尺寸和形状的结构,若被撞击,发出声音的频率是各不相同的。声音频率的不同事实上也就反映了系统固有特性的差别,因为结构在受到动载荷激励产生振动时,结构表面振动将通过流体媒介向周围传播噪声[1～4],噪声的频率和结构振动信号的频率有着直接、密切的联系。本文的试验已经验证了被撞击系统发出的撞击声频率就是该系统的固有频率。将通过撞击声频率获得固有频率的方法称为声频法。声频法是以声级计为传感器,将声压转换为电压信号,再经过数据采集硬件和数据处理软件进行频谱分析而获得振动系统的多阶固有频率的方法。声级计是非接触式传感器,可消除接触式传感器(例如加速度计)的附加质量和激振器杆附加刚度对固有频率测量精度的影响,因此声频法可以提高固有频率的测量精度,并具有简单、快速及易用的特点。

    1　实验原理

    根据梁的横向振动理论,其各阶固有频率的计算公式为[5]

　　对于高为h的矩形截面梁,i=h/2 3 =0.288 7h,将其代入(1)式得

    其中,E为梁材料弹性模量;Q为梁材料密度;l为梁的长;h为梁的高度。knl与梁的约束有关,对于两端由的梁,knl值见表1所列。

    2　实验框图和仪器

    2.1　实验框图

    声频法测量自由梁固有频率的实验框图如图1所示。

    2.2　实验仪器

    (1)声级计:声级计一般是由电容式传声器、前置放大器、衰减器、放大器、频率计权网络和有效值指示表头等组成。本实验仅将声级计作传声器和放大器使用,它将声压转换成电压输出。

    (2)信号调理箱对来自声级计的信号进行放大和滤波。

    (3)采集箱:安正软件公司数据采集箱。

    (4)安正软件公司动态信号及系统分析软件包CRAS SsCras:与采集箱、计算机和打印机一道完成数据采集、频谱分析和打印功能。

    3　测试方法

    采用脉冲激励法,即用硬塑料制作的冲击棒撞击试件,撞击方向垂直于试件,冲击棒与试件相撞后发出撞击声并激起试件的横向振动。自由梁和声级计放置在泡沫塑料上,声级计的传声器轴线平行于试件轴线,相距5～8 cm。声级计信号采用安正软件公司的采集硬件和信号采集及分析块SSCRAS进行采集与处理,采集方式为触发延时方式。

    接触式传感器(例如加速度计),若安装于试件某一振形的节点位置,则该阶振形对应的固有频就不能测出。声级计是接受声音信号的非接触式传感器,实验中发现若撞击点位于试件某一阶振形的节点上,则该阶振形对应的固有频率也不能测出。可以说,撞击点位于某一振形的节点,发出的撞击声就不包含该阶频率成分。对一个弹性体,在进行模态试验前,振形的节点位置是未知的,为了不遗漏前几阶声频频率,试验时随机地取几个撞击位置,采用线性平均的方式以获取前几阶的声频。