共振搜索与驻留振动测试方法详解
共振搜索与驻留试验（Resonance Search and Dwell, RSTD）是一种通过正弦扫频激发结构共振频率，并在共振频率处进行驻留试验的振动测试方法。该方法广泛应用于机械结构的疲劳试验，例如涡轮机叶片、汽车曲轴等高周疲劳关键部件的可靠性评估。以下是该方法的详细解析：
一、技术原理
共振现象
共振频率：结构发生共振时的激励频率（如某悬臂梁的一阶共振频率为120Hz）。
Q值：品质因数，反映共振峰的尖锐程度（Q值 = 峰值频率 / 半功率带宽，Q>5判定为有效共振）。
传递率：响应信号与激励信号的幅值比（通常阈值设为2或3，用于判定共振点）。
当外部激励频率与结构固有频率一致时，能量传递效率最大化，导致振幅显著增大，形成共振。
关键参数：
测试目标
通过扫频确定结构的固有频率和模态特性。
在共振频率处施加恒定激励，模拟长期疲劳载荷，评估结构的耐久性。
二、测试流程与步骤
共振点调查（扫频试验）
扫频范围：根据结构预期频率范围（如30-200Hz）设置起始和终止频率。
扫频速率：通常为1 oct/min（倍频程/分钟），确保捕捉所有共振峰。
激励幅值：低幅值（如0.2g）以避免非线性响应。
信号采集：同步记录激励信号（控制传感器）和响应信号（测量传感器），计算传递函数。
谐振搜索
共振点判定：通过传递率（幅值比）和相位角识别共振峰（传递率>3，Q值>5）。
多模态处理：若存在多个共振峰，需筛选出需驻留的频率点（如选择最大峰值对应的频率）。
驻留试验设定
驻留时间：根据测试需求设定（如1小时、10分钟等）。
加振量级：施加目标振幅（如10 m/s²）或位移幅值。
跟踪模式：选择标准位移搜索、高速位移搜索、相位搜索或频率固定模式。
报警与中断条件：设定幅值变化阈值（如±3dB报警，±6dB中断），防止过载。
驻留试验执行
频率跟踪：在驻留过程中，若共振频率因温度或材料疲劳发生偏移，系统通过相位信息自动调整驱动频率，保持驻留。
数据记录：实时监测振幅、相位、驻留时间及周期数，直至达到设定时间或试验中断。
三、测试系统构成
激励模块
电动振动台：通过电磁驱动产生正弦/随机振动（频率范围0.1Hz-10kHz）。
激振器：用于局部激励（如压电式激振器，频率范围10Hz-20kHz）。
测量模块
加速度传感器：高频响应（如PCB 333B30，量程±500g）。
激光测振仪：非接触式测量（精度达纳米级，适用于微小结构）。
分析软件
LMS Test.Lab：支持FFT频谱分析与模态参数识别。
MATLAB：自定义算法开发（如小波变换去噪）。
专用振动控制软件（如Brüel&Kjær、腾振科技的NTS.LAB VCS模块）。
四、主流测试方法
正弦扫频法
汽车悬架系统：确定悬架的固有频率（如前悬共振频率为12Hz）。
航空发动机叶片：检测叶片的一阶弯曲共振频率（如850Hz）。
步骤：
典型应用：
设置扫频参数（范围、速率、激励幅值）。
执行扫频试验，绘制传递函数曲线。
识别共振频率（如某试件在120Hz处出现峰值）。
随机振动法
设置功率谱密度（PSD）曲线（如0.01g²/Hz）。
通过宽带随机信号覆盖多个频率范围。
优势：可同时激发多个模态，模拟复杂环境（如航天器发射振动）。
操作要点：
五、行业应用与案例
涡轮机叶片高周疲劳试验
使用激光位移传感器和应变片监测叶片变形。
通过扫频确定叶片的一阶共振频率（如336Hz，阻尼比0.177%）。
在共振频率处驻留1小时，验证疲劳损伤（如图示）。
测试步骤：
关键参数：传递率>3，Q值>5，驻留时间1小时。
汽车曲轴疲劳试验
扫频范围：20-2000Hz（分区域扫频）。
驻留时间：10分钟，加振量级10 m/s²。
测试需求：模拟曲轴在发动机运行中的高周疲劳载荷。
参数设置：
结果：通过多正弦试验（同步扫频）大幅缩短测试时间。
悬臂梁结构测试
安装加速度传感器（控制传感器和测量传感器）。
使用共振搜索模块（如NTS.LAB VCS）自动识别共振点。
驻留10分钟，记录振幅和相位变化。
测试流程：
参数设置：扫频速度1oct/min，传递率阈值3。
六、参数设置与注意事项
扫频参数
扫频速度：1oct/min（平衡效率与分辨率）。
扫频方向：单程或往返扫频（往返可验证频率稳定性）。
频率步长：1Hz/s（确保捕捉细微共振峰）。
驻留参数
目标幅值：根据结构承受能力设定（如10 m/s²）。
跟踪灵敏度：反馈增益（0.1-1.0）控制频率调整速度。
中断条件：幅值变化±6dB时停止试验，防止设备损坏。
软件操作
手动控制：在驻留过程中手动调节频率、幅值或相位。
自动跟踪：系统自动调整驱动频率以跟随共振峰偏移。
注意事项
避免非线性响应：激励幅值不宜过高，防止结构进入塑性变形。
环境干扰：隔离外部振动源（如地面震动）。
数据校准：定期校准传感器和振动台，确保测试精度。
七、总结
共振搜索与驻留试验是评估机械结构动态特性和疲劳寿命的关键方法。通过精确的扫频和驻留控制，可高效识别共振频率并模拟实际工况下的疲劳损伤。该方法在航空航天、汽车、能源等领域具有广泛应用，是保障高可靠性部件设计的重要工具。