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電動(dòng)型振動(dòng)臺(tái)的物理動(dòng)作特性

 

   本文介紹了振動(dòng)臺(tái)的幾個(gè)重要頻率特性曲線。

 

   有經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)，在高頻（1000Hz以上）試驗(yàn)情況下，有時(shí)候很多試驗(yàn)都比較難完成，功放容易出現(xiàn)過(guò)電流或過(guò)電壓或低電壓（開(kāi)環(huán)）等報(bào)警。這主要還是由于振動(dòng)臺(tái)的阻抗隨工作頻率變化而變化，頻率越高，阻抗變化等因素造成的。對(duì)于阻抗的概念，初學(xué)者可以理解電阻（R），它是阻抗的一種，還有電容性阻抗（C）、電感性阻抗（L），三者加起來(lái)叫阻抗（z）。

 

　　 先看動(dòng)圈，看看其阻抗特性曲線，可用電阻Rc和電感Lc表示其阻抗，

 

 

由于動(dòng)圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，所以動(dòng)圈還有運(yùn)動(dòng)阻抗zk，反電動(dòng)勢(shì)e可用下式表示，

 

 

所以，

 

 

對(duì)于動(dòng)圈可以近似等效成單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，若動(dòng)圈質(zhì)量為m，阻尼為c，彈性系數(shù)為k，受到電磁力為F，則速度阻抗為

 

 

動(dòng)圈的速度可表示為

 

 

（2）代入（1），得到zk為，

 

 

動(dòng)圈的阻抗z為

 

 

根據(jù)上式可得到動(dòng)圈的阻抗特性曲線，如下圖1所示。

 

 

圖1中可以看出，當(dāng)頻率很小時(shí)，電感影響小，阻抗接近等于線圈的直流電阻Rc。隨著工作頻率的增加，阻抗也增大，這主要是運(yùn)動(dòng)阻抗增加的結(jié)果。當(dāng)質(zhì)量和阻尼系統(tǒng)共振時(shí)，阻抗出現(xiàn)極值fs，即動(dòng)圈懸掛機(jī)構(gòu)的機(jī)械諧振頻率，反饋電動(dòng)勢(shì)也到達(dá)最大。

 

 

當(dāng)頻率高于fs，動(dòng)圈的感性阻抗作用越漸明顯，阻抗可以近似看成電阻、電感和電容的串聯(lián)電路，動(dòng)圈反饋電動(dòng)勢(shì)也迅速增大，出現(xiàn)第二個(gè)諧振頻率fc峰值，即動(dòng)圈共振，

 

 

動(dòng)圈的高阻抗在低頻和高頻都出現(xiàn)峰值，若不采取各種改進(jìn)方法，這么大的阻抗肯定給振動(dòng)臺(tái)推力和頻率范圍帶來(lái)?yè)p失。

 

    接著，看動(dòng)圈加上功放電壓和電流阻抗頻響特性圖，如圖2。

 

 

圖2中可以看出，

 

1）阻抗最大點(diǎn)fs  是和運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量和支撐懸掛部件組成的質(zhì)量-彈性系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)，也就是振動(dòng)臺(tái)耳軸部分支撐空氣彈簧處，一般為幾赫茲至幾十赫茲。

 

2）阻抗最小點(diǎn)fe  驅(qū)動(dòng)線圈和動(dòng)圈臺(tái)面處，由于兩者之間連接剛度很大，接近剛性連接，輸入阻抗最低，大約等于驅(qū)動(dòng)線圈的交流電阻。

 

3）f<fs電感性阻抗，fs<f<fe電容性阻抗，當(dāng)f>fe時(shí)，又呈現(xiàn)電感性阻抗。在fs和fe處才呈現(xiàn)電阻性阻抗。

 

4）阻抗次高點(diǎn)fc  當(dāng)頻率f達(dá)到動(dòng)圈共振點(diǎn)fc時(shí)，負(fù)載阻抗出現(xiàn)第二個(gè)峰值，之后阻抗急劇下降。此時(shí)，功放的輸出電壓和電流也會(huì)變得很小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓特別小時(shí)，控制儀檢測(cè)不到驅(qū)動(dòng)電壓的話(huà)，就會(huì)顯示開(kāi)環(huán)報(bào)警。

 

5）再來(lái)看看功放輸出電流電壓的最大最低點(diǎn)，電流最低fs和fc處，電流最大fe處；電壓最低點(diǎn)fc處。

 

6）其他各頻率處，都需要功放輸出較大的電流和電壓值。電壓和電流不是同時(shí)到達(dá)最大值，可以利用這一阻抗特性，在短時(shí)間內(nèi)后獲得高加速度。

 

   有了以上阻抗特性，接下來(lái)看看振動(dòng)臺(tái)的定電流特性曲線，就是給振動(dòng)臺(tái)一個(gè)恒定的電流（也就是恒定的推力），臺(tái)面上產(chǎn)生的加速度隨工作頻率變化的關(guān)系曲線，如圖3所示。

 

 

圖3中，同樣有兩個(gè)峰值，當(dāng)然這兩個(gè)峰值就是前面說(shuō)的支撐部件峰值和動(dòng)圈共振峰值。具體分析，分為四個(gè)區(qū)，

 

I區(qū)為剛性控制區(qū)，激振力差不多是靜止的，振動(dòng)臺(tái)的位移幅值正比于激振力，反比于支撐剛度，保持常數(shù)；加速度幅值隨頻率值平方的增加而增加。

 

II區(qū)為臺(tái)面-支撐系統(tǒng)共振區(qū)，頻率上升，運(yùn)動(dòng)部件和支撐組成的系統(tǒng)發(fā)生共振?？赏ㄟ^(guò)在系統(tǒng)中增加阻尼，如在支撐彈簧片中間加阻尼層等。這種情況容易導(dǎo)致低頻情況下沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)大位移的試驗(yàn)，容易導(dǎo)致過(guò)位移報(bào)警，可將支撐機(jī)構(gòu)鎖死進(jìn)行低頻大位移試驗(yàn)，當(dāng)然此時(shí)地面會(huì)有振感。

 

III區(qū)為慣性控制區(qū)，頻率繼續(xù)升高，激振力主要用于使臺(tái)面和試驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生加速度，振動(dòng)臺(tái)加速度基本保持常數(shù)。

 

IV區(qū)為動(dòng)圈共振區(qū)，頻率升高，臺(tái)面和動(dòng)圈發(fā)生共振。

 

    最后，我們?cè)賮?lái)看一下振動(dòng)臺(tái)的定電壓特性曲線，就是給振動(dòng)臺(tái)一個(gè)恒定的電壓值，振動(dòng)臺(tái)面產(chǎn)生的加速度和頻率的關(guān)系曲線，如圖4。

 

 

圖4中，已經(jīng)看不到前面那個(gè)共振峰了，即運(yùn)動(dòng)部件和支撐彈簧決定的共振峰。這是因?yàn)楣舱癞a(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小了動(dòng)圈電流，把峰值給壓平了。在中頻區(qū)域，幅頻特性有一定的峰值，這是由于機(jī)電耦合系統(tǒng)在此處形成動(dòng)圈阻抗的一個(gè)低谷，造成動(dòng)圈電流大大增加所致。當(dāng)臺(tái)面上有彈性的試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，振動(dòng)臺(tái)的頻率特性都會(huì)有改變，會(huì)出現(xiàn)大小和位置都隨負(fù)載變化的峰和谷，如圖5所示。

 

 

   來(lái)看圖5中的無(wú)負(fù)載動(dòng)圈定電壓特性曲線中的①和②，有一個(gè)峰（peak）和一個(gè)谷（notch），此處希望引起大家的絕對(duì)重視。在peak處，即振動(dòng)臺(tái)共振頻率處，輸入很小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以得到很大的響應(yīng)，或者說(shuō)由于共振的影響，試驗(yàn)體振動(dòng)的厲害，都不需要輸入很大的電壓和電流信號(hào)，就可以得到大的加速度。相反的在notch處，輸入較大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，卻很難得到響應(yīng)，即所需的加速度。當(dāng)有負(fù)載的情況下，如上文所述，峰和谷會(huì)有變化，質(zhì)量變大，峰和谷朝頻率小的地方移動(dòng)（藍(lán)線移動(dòng)到紅點(diǎn)線）。

 

   再來(lái)談一下這個(gè)峰（peak）和谷（notch）對(duì)掃頻試驗(yàn)時(shí)的影響，即過(guò)電壓過(guò)電流報(bào)警和開(kāi)環(huán)報(bào)警。掃頻試驗(yàn)加速度一定情況下，功放的電流電壓輸出如下圖6所示，在谷（notch）這個(gè)頻率處需要較大的電壓和電流得到試驗(yàn)條件的響應(yīng)加速度，一旦超過(guò)極限值即過(guò)電壓過(guò)電流報(bào)警。在（peak）這個(gè)頻率處，只需要很小的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，一旦小過(guò)控制儀中設(shè)定的開(kāi)環(huán)認(rèn)定值，則開(kāi)環(huán)報(bào)警顯示。

 

 

   通過(guò)以上幾個(gè)曲線可以看出，為了抑制振動(dòng)臺(tái)的阻抗特性，使振動(dòng)臺(tái)更好的工作，不僅需要對(duì)動(dòng)圈進(jìn)行良好的優(yōu)化，還要對(duì)功放進(jìn)行各種改進(jìn)設(shè)計(jì)，最后還要引入振動(dòng)控制系統(tǒng)，最終得到良好的電壓、電流、阻抗的頻響特性曲線，并以此求得功放輸出功率的頻響曲線。

 

   對(duì)于上述幾種曲線的說(shuō)明，初學(xué)者只要記住各圖曲線及后面結(jié)論即可，這些結(jié)論在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，還是相當(dāng)有參考價(jià)值的。實(shí)在記不住，那請(qǐng)一定要記住定電壓特性曲線的特征。具體推導(dǎo)過(guò)程更復(fù)雜，主要講的是動(dòng)圈的阻抗特性對(duì)振動(dòng)臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)和功放設(shè)計(jì)的要求，還要考慮波形失真度、臺(tái)面橫向振動(dòng)、臺(tái)面振動(dòng)均勻度等等因素，不建議深究，留給動(dòng)圈及功放的研發(fā)設(shè)計(jì)人員去解決吧。

 

參考資料：

 

1 《振動(dòng)、沖擊環(huán)境與試驗(yàn)》P130-133，袁宏杰、姚軍等編著，北京航空航天大學(xué)出版社。

2 《振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)技術(shù)》P214-218，胡志強(qiáng) 編著，中國(guó)質(zhì)檢出版社、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社。

3 《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》P145、P161-166，本書(shū)編著委員會(huì)編著，西北工業(yè)大學(xué)出版社。