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电动型振动台的几个频率特性曲线说明

嘉峪检测网        2022-07-15 21:52

电动型振动台的物理动作特性

 

   本文介绍了振动台的几个重要频率特性曲线。

 

   有经验的工程师会发现,在高频(1000Hz以上)试验情况下,有时候很多试验都比较难完成,功放容易出现过电流或过电压或低电压(开环)等报警。这主要还是由于振动台的阻抗随工作频率变化而变化,频率越高,阻抗变化等因素造成的。对于阻抗的概念,初学者可以理解电阻(R),它是阻抗的一种,还有电容性阻抗(C)、电感性阻抗(L),三者加起来叫阻抗(z)。

 

   先看动圈,看看其阻抗特性曲线,可用电阻Rc和电感Lc表示其阻抗,

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

由于动圈在磁场中运动会产生反电动势,所以动圈还有运动阻抗zk,反电动势e可用下式表示,

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

所以,

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

对于动圈可以近似等效成单自由度的振动系统,若动圈质量为m,阻尼为c,弹性系数为k,受到电磁力为F,则速度阻抗为

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

动圈的速度可表示为

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

(2)代入(1),得到zk为,

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

动圈的阻抗z为

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

根据上式可得到动圈的阻抗特性曲线,如下图1所示。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

图1中可以看出,当频率很小时,电感影响小,阻抗接近等于线圈的直流电阻Rc。随着工作频率的增加,阻抗也增大,这主要是运动阻抗增加的结果。当质量和阻尼系统共振时,阻抗出现极值fs,即动圈悬挂机构的机械谐振频率,反馈电动势也到达最大。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

当频率高于fs,动圈的感性阻抗作用越渐明显,阻抗可以近似看成电阻、电感和电容的串联电路,动圈反馈电动势也迅速增大,出现第二个谐振频率fc峰值,即动圈共振,

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

动圈的高阻抗在低频和高频都出现峰值,若不采取各种改进方法,这么大的阻抗肯定给振动台推力和频率范围带来损失。

 

    接着,看动圈加上功放电压和电流阻抗频响特性图,如图2。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

图2中可以看出,

 

1)阻抗最大点fs  是和运动部件质量和支撑悬挂部件组成的质量-弹性系统的谐振频率点,也就是振动台耳轴部分支撑空气弹簧处,一般为几赫兹至几十赫兹。

 

2)阻抗最小点fe  驱动线圈和动圈台面处,由于两者之间连接刚度很大,接近刚性连接,输入阻抗最低,大约等于驱动线圈的交流电阻。

 

3)f<fs电感性阻抗,fs<f<fe电容性阻抗,当f>fe时,又呈现电感性阻抗。在fs和fe处才呈现电阻性阻抗。

 

4)阻抗次高点fc  当频率f达到动圈共振点fc时,负载阻抗出现第二个峰值,之后阻抗急剧下降。此时,功放的输出电压和电流也会变得很小,当驱动电压特别小时,控制仪检测不到驱动电压的话,就会显示开环报警。

 

5)再来看看功放输出电流电压的最大最低点,电流最低fs和fc处,电流最大fe处;电压最低点fc处。

 

6)其他各频率处,都需要功放输出较大的电流和电压值。电压和电流不是同时到达最大值,可以利用这一阻抗特性,在短时间内后获得高加速度。

 

   有了以上阻抗特性,接下来看看振动台的定电流特性曲线,就是给振动台一个恒定的电流(也就是恒定的推力),台面上产生的加速度随工作频率变化的关系曲线,如图3所示。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

图3中,同样有两个峰值,当然这两个峰值就是前面说的支撑部件峰值和动圈共振峰值。具体分析,分为四个区,

 

I区为刚性控制区,激振力差不多是静止的,振动台的位移幅值正比于激振力,反比于支撑刚度,保持常数;加速度幅值随频率值平方的增加而增加。

 

II区为台面-支撑系统共振区,频率上升,运动部件和支撑组成的系统发生共振。可通过在系统中增加阻尼,如在支撑弹簧片中间加阻尼层等。这种情况容易导致低频情况下没有办法实现大位移的试验,容易导致过位移报警,可将支撑机构锁死进行低频大位移试验,当然此时地面会有振感。

 

III区为惯性控制区,频率继续升高,激振力主要用于使台面和试验对象产生加速度,振动台加速度基本保持常数。

 

IV区为动圈共振区,频率升高,台面和动圈发生共振。

 

    最后,我们再来看一下振动台的定电压特性曲线,就是给振动台一个恒定的电压值,振动台面产生的加速度和频率的关系曲线,如图4。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

图4中,已经看不到前面那个共振峰了,即运动部件和支撑弹簧决定的共振峰。这是因为共振产生的感应电动势减小了动圈电流,把峰值给压平了。在中频区域,幅频特性有一定的峰值,这是由于机电耦合系统在此处形成动圈阻抗的一个低谷,造成动圈电流大大增加所致。当台面上有弹性的试验对象时,振动台的频率特性都会有改变,会出现大小和位置都随负载变化的峰和谷,如图5所示。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

   来看图5中的无负载动圈定电压特性曲线中的①和②,有一个峰(peak)和一个谷(notch),此处希望引起大家的绝对重视。在peak处,即振动台共振频率处,输入很小的驱动信号,就可以得到很大的响应,或者说由于共振的影响,试验体振动的厉害,都不需要输入很大的电压和电流信号,就可以得到大的加速度。相反的在notch处,输入较大的驱动信号,却很难得到响应,即所需的加速度。当有负载的情况下,如上文所述,峰和谷会有变化,质量变大,峰和谷朝频率小的地方移动(蓝线移动到红点线)。

 

   再来谈一下这个峰(peak)和谷(notch)对扫频试验时的影响,即过电压过电流报警和开环报警。扫频试验加速度一定情况下,功放的电流电压输出如下图6所示,在谷(notch)这个频率处需要较大的电压和电流得到试验条件的响应加速度,一旦超过极限值即过电压过电流报警。在(peak)这个频率处,只需要很小的驱动电流和电压,一旦小过控制仪中设定的开环认定值,则开环报警显示。

 

电动型振动台的几个频率特性曲线说明

 

   通过以上几个曲线可以看出,为了抑制振动台的阻抗特性,使振动台更好的工作,不仅需要对动圈进行良好的优化,还要对功放进行各种改进设计,最后还要引入振动控制系统,最终得到良好的电压、电流、阻抗的频响特性曲线,并以此求得功放输出功率的频响曲线。

 

   对于上述几种曲线的说明,初学者只要记住各图曲线及后面结论即可,这些结论在试验过程中出现报警时,还是相当有参考价值的。实在记不住,那请一定要记住定电压特性曲线的特征。具体推导过程更复杂,主要讲的是动圈的阻抗特性对振动台内部设计和功放设计的要求,还要考虑波形失真度、台面横向振动、台面振动均匀度等等因素,不建议深究,留给动圈及功放的研发设计人员去解决吧。

 

参考资料:

 

1 《振动、冲击环境与试验》P130-133,袁宏杰、姚军等编著,北京航空航天大学出版社。

2 《振动与冲击试验技术》P214-218,胡志强 编著,中国质检出版社、中国标准出版社。

3 《力学环境试验技术》P145、P161-166,本书编著委员会编著,西北工业大学出版社。

 
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来源:振动试验学习笔记