浅谈机械振动在生活中的应用.doc

浅谈
机械振动在生活中的应用

姓名： 王奉献
班级：
学号：
浅谈机械振动在生活中的应用
摘要：现实生活中机械振动现象很多，有为了提高工作效率的冶金计煤炭工业中的大型振动筛，高速公路建设中的振动压路机与摊铺机等。也有有害振动：大型离心压缩机、核电站主泵、汽轮机、航空发动机等大型装备，一旦出现不稳定的振动就会带来很大的后果。
关键词：机械振动 锁相放大器 多普勒效应 频谱分析 旋转机械
英文摘要：In real life, there are many mechanical vibration phenomenon to improve the efficiency of the project of large metallurgical coal industry, highway construction of vibrating vibratory roller and paver, etc. Also have harmful vibrations: large centrifugal compressor, nuclear power station main pump, turbine, aviation engine etc. Large equipment, once appear, unstable vibration will bring great consequence.
正文
一 在生活中的实际应用
先说说筛分设备，筛分设备是机械振动在现实生活中运用的最多的产品。比如热矿筛、旋振筛、脱水筛等各种各样的筛分设备。顾名思义，筛分设备就是运用振动的知识和筛分部件将不同大小不同类型的物品区分开来，以减少劳动力和提到生产效率。例如：热矿筛采用带偏心块的双轴激振器，双轴振动器两根轴上的偏心块由两台电动机分别带动做反向自同步旋转，使筛箱产生直线振动，筛体沿直线方向作周期性往复运动，从而达到筛分目的。又如南方用的小型水稻落谷机，机箱里有一块筛网，由发动机带动连杆做往复运动，当水稻连同稻草落入筛网的时候，不停的振动会让稻谷通过筛网落入机箱存谷槽，以实现稻谷与稻草的分离，减少人力资源，提高了农业效率。
输送设备运用到机械振动也是很多的。比如：螺旋输送机、往复式给料机、振动输送机、买刮板输送机等输送设备。输送设备就是将物体从一个地方通过输送管道输送到另一个地方的设备，以节约人力资源，提高生产效率。例如：广泛用于冶金、煤炭、建材、化工等行业中粉末状及颗粒状物料输送的振动输送机，采用电动机作为优质动源，使物料被抛起的同时通过输送管道做向前运动，达到输送的目的。
给料设备在某种程度上与输送设备有共同之处，例如：振动给料机、单管螺旋喂料机、振动料斗等设备。就拿振动料斗来说吧，振动料斗是一种新型给料设备，安装在各种料仓下部，通过振动使物料活化，能够有效消除物料的起拱，堵塞和粘仓现象，解决料仓排料难的问题。
当然振动也是会带来灾害的，尤其是共振时，其灾害是最危险的，以下就举例来说明下。
古希腊的学者阿基米德曾豪情万丈地宣称：给我一个支点，我能撬动地球。而现代的美国发明家特斯拉更是“牛气”，他说：用一件共振器，我就能把地球一裂为二! 他来到华尔街，爬上一座尚未竣工的钢骨结构楼房，从大衣口袋里掏出一件小物品，把它夹在其中一根钢梁上，然后按动上面的一个小钮。数分钟后，可以感觉到这根钢梁在颤抖。慢慢地，颤抖的强度开始增加，延伸到整座楼房。最后，整个钢骨结构开始吱吱嘎嘎地发出响声，并且摇摆晃动起来。惊恐万状的钢架工人以为建筑出现了问题，甚至是闹地震了，于是纷纷慌忙地从高架上逃到地面。眼见事情越闹越大，他觉得这个恶作剧该收场了，于是，把那件小物品收了回来，然后从一个地下通道悄悄地溜开了，留下工地上的那些惊魂未定、莫名其妙的工人。
　　上面这一段是一本书中有关美国著名发明家特斯拉进行共振器发明的描写，里面所说的“小物品”便是一个共振器。可以预见，若是他把这个小物品再开上那么十来分钟，这座建筑物准会轰然倒地。这件共振器的威力主要在于它能发出各种频率的波，这些不同频率的波作用于不同的物体，就能够相应地产生出一种共振波，当这种共振波达到一定程度时，就能使物体被摧毁。
先解释下什么叫做共振吧。物理学上是这样给它定义的：共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。也可以这样来理解：系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫共振。
想必有些人知道1940年11月7日那座舞动的塔科马海峡大桥吧！大风吹着大桥而引起了机械共振最终导致了大桥的坍塌。在这事故中成功逃离的里奥纳德•科茨沃斯（Leonard Coatsworth）在事后说道：“当我刚驾车驶过塔桥时，大桥开始来回剧烈晃动。当我意识到时，大桥已经严重倾斜，我失去了对车的控制。此时我马上刹车并弃车逃离。我耳边充斥着混凝土撕裂的声音。而汽车在路面上来回滑动。我看到大桥彻底被摧毁的一幕，我的车也随着大桥一起坠入了海峡。”
1831年，一队骑兵队列通过英国曼切斯特附近的一座吊桥时，他们雄赳赳、气昂昂，“嗒、嗒”的马蹄声节奏分明有力。突然，不幸的事情发生了，随着一声巨响，大桥莫名其妙地倒塌了，人与马纷纷坠入河中，导致伤亡惨重。无独有偶，在1906年，俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队，步伐整齐、不可一世地通过爱纪华特大桥。这座大桥十分坚固，纵然跑过千军万马也难以撼动。可是正在指挥官洋洋得意的时候，突然间桥身剧烈振动起来。然后伴随着一声巨大的断裂声，大桥崩塌了。顿时，军官、士兵、辎重、马匹纷纷落水，马嘶人叫，狼狈不堪。究其原因就是整齐的步伐引起了大桥的共振，最终酿成了悲剧。
共振的危害是众多的，例如：1995年7月初，天全某水泥厂2号机立窑在因故更换风机时，由于忽视了共振现象的产生和危害，仅在7、8两个月时间里，就发生了连续损坏罗茨风机3台和215kW电机一台的重大设备事故，直接经济损失达40多万元。现场事故分析和补救措施处理的实践证明：此次重大设备事故，是共振现象造成的，损失严重，教训深刻。
共振会对人体产生危害，人体各部位都有不同的频率，如眼球频率约60ZH，颅骨最大约200ZH。把人体作为一个整体来看，如水平方向的固有频率为3-6ZH，垂直方向的固有频率约48ZH。因此，国家规定，要求各类振动机械频率必须大于20ZH，尽量除去振动源的频率与人体有关部位的固有频率产生共振。
总结：这样的危害是可以避免的，只要我们能知道什么是共振就知道该如何去防止。共振这一物理现象并不是总给人类带来危害，在很多情况下，人们可以巧妙地利用它来为人类服务。
二 锁相放大器
1 基本结构

（如右图所示）
　　于上方的 signal input 信号输入端输入待测信号，先后经放大和带通滤波后与从下方的 reference input 参考信号输入端输入的设定过相位的参考信号共同输入乘法器得到的结果再通过低通滤波器滤波后输出。
　　2 原理
锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。两个正弦信号，频率都为1Hz，有90度相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号：

如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是：
从上面的分析看来，只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。
　　3.用途
即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值。
总结：由此可见锁相放大器大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
三 声波的多普勒效应的应用
(1) 声波的多普勒效应用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒，首先说说超声频移诊断法，即Ｄ超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移，Ｄ超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时向里频率减少。反射波频率增加或减少的量，是与血液流运速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。
我们知道血管内血流速度和血液流量，它对心血管的疾病诊断具有一定的价值，特别是对循环过程中供氧情况，闭锁能力，有无紊流，血管粥样硬化等均能提供有价值的诊断信息。
超声多普勒法诊断心脏过程是这样的：超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，激励发射换能器探头，产生连续不断的超声波，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号就为换能器所接受，就可以根据反射波与发射的频率差异求出血流速度，根据反射波以频率是增大还是减小判定血流方向。为了使探头容易对准被测血管，通常采用一种板形双叠片探头。
(2)交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上.
(3)宇宙学研究中的多普勒现象
　目前通过多普勒效应制成的各种仪器已经广泛运用在对宇宙的观察和研究之中了。
20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离r成正比，即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小. 由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物。 因而1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。 20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的"标准模型" 。
正是这个效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。 1868年，英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了46 km/s的速度值。
（4）通信中的多普勒效应
在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑"多普勒效应"。虽然在日常的生活中我们步行或者坐车因为速度的缘故不能产生明显的多普勒效应即频率的偏差，但是一旦换作了飞机等高速移动的设备时，这种偏差就被N倍放大了，这也就是通信收到了多普勒效应的影响，从而导致通信的混乱，所以在现代通信中必须充分考虑到他的影响，从而也使通信工程增加了更多的复杂性。
多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释. 波在介质中传播, 会出现频散现象, 随距离增加, 高频向低频移动。
总结：多普勒效应在科学技术上有着广泛的应用
四 频谱分析原理与应用
（1）实时频谱仪(Real-Time Spectrum Analyzer)
实时频谱仪因为能同时显示规定的频率范围内的所有频率分量，而且保持了两个信号间的时间关系（相位信息），使它不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号。其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检波器(Detector)，再经由同步的多工扫描器将信号传送到CRT荧屏上，优点是能显示周期性散波(Periodic Random Waves)的瞬间反应，其缺点是价格昂贵且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多工交换时间(Switching Time)。实时频谱仪主要分为多通道频谱仪和快速傅仪叶频谱仪两类
（2）扫描调谐频谱仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)
扫描调谐谱仪对输入信号按时间顺序进行扫描调谐，因此只能分析在规定时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。这种频谱仪有很宽的工作频率范围：DC可达几十兆赫兹。常用的扫描调谐频谱仪又分为扫描射频调谐频谱仪和超外差频谱仪两类。
扫描射频调谐频谱仪利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。但这种类型的频谱仪分辨率、灵敏度等指标比较差，所以已开发的产品不多。
超外差频谱仪，利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。
频谱分析仪使用案例
这里以有线电视信号的频谱测量为例做介绍。
对于一个有线电视信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。在卫星监测上，能收到多个信道，每个信道都占有一定的频谱成份，每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。在实际工作中，无线信号卫星信号的监督，由于其频率很高，都是采用扫描调谐的方式。
有线电视输出信号范围很广，比如有50个频道播放，这50个信号是同时进入接收机的，其总功率是迭加的。而所看的电视节目只能是其中之一。同理，送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和，其中包括所要分析的特定信号，所输入到频谱仪的功率是总功率。由此要引入一个参数--最大烧毁功率。这一值是1瓦或是+30dBm。也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过1瓦，否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器。
例如，我们要监测一个卫星信号，假设其频率为12GHz，其功率可能只有-80dBm左右，这是很小的。但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的，若是在其它某一频率上包括一个很强的信号，即使你没有看到这个大功率信号，若输入信号功率的总和大于1瓦，也是要烧毁频谱仪的，而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号。为了保证仪器安全，频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为0dB、5dB、10dB，最大为60dB。这是我们在日常工作中需多加小心的。还有的频谱仪是不能输入直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电压很高，容易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。
在中频，所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相同。所以我们检测中频信号是可行的。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。频谱仪中的混频器本身有差落衰减，本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号都会从混频器中输出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。这就是经常所说的21.4MHz。这是在仪器器件中已做好的，用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz，滤除其它信号，提取21.4MHz的中频信号。通过中频滤波器输出的信号，才是我们所要检测的信号。
滤波器在工作中有几个因素：中心频率是21.4MHz，固定不变，其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说，其带宽一般是几十kHz，若信号带宽是25kHz，中频的带宽一定要大于25kHz。这样，才能使所有的信号全部进来。如果太宽，就会混入其它信号；如果太窄，信号才进来一部分，或是低频成份，或是高频成份。这样信号是解调不出来的。
中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理，加一些修正和一些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。
频谱分析是要分析频域的。一个信号要分析两个参数，一是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，在某一频率是什么幅度。 下面介绍一下频率是如何测量的，如何与幅度对应起来。
其实很简单。它是通过本振与扫描电压对应起来的。本振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。扫描控制是由扫描控制器来完成的。它同时控制显示器的横坐标。从左到右当扫描电压在OV时，在显示器上是0点，对本振信号来说是F1点，即起始频率点。当扫描电压到10V时，在显示器上是终止频率点，本振电压就是在终止频率点，中间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振F1、F2的每一点对应起来（射频信号是本振信号减去中频信号21.4MHz。当我们操作频谱仪进行分析时，实际是在改变本振信号的频率）。
总结：由此可见频谱分析在有线电视信号上的作用。
五　旋转机械运转产生的振动及诊断方法
旋转机械运转时产生的振动中包含着从低频到高频各种频率成分的振动, 轴系异常所产生的振动频率特征如下: 发生频率主要异常现象振动特征低频不平衡转子轴心线周围质量分布不均匀振动频率与旋转频率一致不对中联轴器连接的两轴中心线偏移振动频率与旋转频率一致或与旋转频率成倍松动基础螺丝松动或轴承磨损引起的振动 振动频率含有旋转频率的高次成分
设备的状态监测技术是指对设备(部件、零件) 的某些特征参数进行测试, 并根据所得测定值与规 定的正常值来作比较以判断设备的工作状态是否正 常或异常(存在故障) , 也称为简易诊断。 设备故障诊断技术则不仅要对机器设备的状态 是否正常作出判断, 更重要的是对机器故障的原因、部位及严重程度作出估计，故称为精密诊断。目前比较普及的还是简易诊断(状态监测) , 而精密诊断真正用于生产还是少数, 而且主要用于高 精尖设备上。这一状况欧美和日本都一样,具有普遍性。这表明简易诊断比较成熟, 简便易行, 而精密诊断还属于一种开发性技术, 尚不够成熟。另外精密诊断的费用也比较高, 需要精密的仪器, 要由经过专门 训练的工程师来进行, 所以只在重要的设备上进行。这一点对我国开发推广诊断技术时值得注意。当前应该把重点放在普及简易诊断或状态监测上。同时积极开发精密诊断技术, 使它尽快达到使用水平。据有关资料统计, 利用简易诊断仪器可以解决设备运行中50%的故障。由此可见, 简易诊断在设备管理与维修中的重要作用。
以日本新日铁公司为例, 看设备诊断技术在设备管理与维修中的应用: 新日铁认为: 在大型钢铁联合企业中, 为确保全 系统设备的正常运行, 有两项技术必须实行。一是有 效地监视机器状况, 即“设备监测技术”。二是精确的诊断方法。即:“精密诊断技术”。这类技术应满足如下要求：1能迅速地对各种类型的机械进行测。2能进行现场结论。3经济实用方便。目前, 新日铁在这方面已开发出了一系列的硬件, 专门用于钢铁联合企业中的各类设备, 新日铁把用于设备监测技术的硬件分为三类:第一类是供日常检查人员随身携带使用的, 能定量显示结果的各种小型仪器。譬如:机器检测器,油膜检测器,小型测振仪、马达检测器, 声发射裂 纹检测器等。第二类是监视仪表, 通常是安装在现场的, 可进行自动数据采样, 自动数据记录与作为倾向管 理的图谱相对照, 异常情况判别图谱显示等等, 譬如: 旋转机械监视仪, 压缩机监测仪, 热轧机监视仪等。第三类是数据控制系统, 这需要第一类仪器测量得到的数据作为输入才能进行工作。可自动处理大量测量数据,并记录,储存与控制图谱相对照, 发出控制信号等。当通过使用设备监测技术进行测量,与作为倾向管理的图谱或数值相比较之后,指出已存在故障或者是预测可能发生故障时,有必要进行精密诊断,通过精密诊断, 不仅要确定故障是否的确存在, 并且当存在故障时, 还需诊断出它的位置、原因及程度。新日铁认为: 这类技术必须由专门的、称为精密诊断检查的技术人员来进行, 在这方面, 新日铁近几年来也开发出了二类仪器:一类是专门用的仪器, 主要是用于旋转机械的, 这类仪器通常必须配合各种软件技术(譬如: 参 照诊断手册, 振动严重性判据等) 进行使用, 同时, 结合设备状况进行分析、判断, 譬如: 旋转机械自动诊断系统, 自动平衡仪, 声发射裂纹分析仪等。另一类是通用仪器, 用于状态诊断的测量及分析的仪器。譬如: 信号记录仪, 信号分析仪, 传递函数分析仪等。由“设备监测技术”和“精密诊断技术”这大类技 术就构成了新日铁的“设备状态诊断系统”
总结：随着科学技术不断发展，电动机及控制设备的技术性能也日益完善。在工作中如何正确的使用和掌握其性能，还需要我们在实际工作中不积累经验，判断电动机及控制设备存在的问题与故障处理，找出故障原因并加以分析，及时采取对策，以保证电动机及传动设备的正常。
结束语：总而言之，机械振动在现实生活生产中的应用是多种多样的，有的是直接应用，有的是间接应用。科学的力量是强大的，只有把科学转变为科技才能造化人类，造福社会。
参考文献
【1】李斌 基于电磁波多普勒效应测速应用研发 《中国西部科技》 2009年36期
【2】王绪本 超声速多普勒效应 《现代物理知识》 1998年04期
【3】闻邦椿 振动机械的近期发展与展望 东北大学
　【4】张正松 傅尚新, 等1 旋转机械振动监测及故障诊断.
【5】楼应候 蒋亚南.机械设备故障诊断与监测技术的发展趋势[J].机床与液压,2002,(04).
【6】张鹏 丁镇 实时频谱仪在雷达对抗中的应用[期刊论文]-现代雷达 2007(03)
姓名：王奉献
班级：
学号：