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1、第5期(总第162期)机械工程与自动化No.52010年10月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONOct.文章编号:1672-6413(2010)05-0088-02关于敲击法测量材料固有频率及弹性模量的研究胡玉勇,吕明,王时英(太原理工大学机械工程学院,山西太原030024)摘要:提出以敲击的方法来测量材料的固有频率,这种方法提高了固有频率测量的精度。对铝、铁和铜等材料的细棒进行了测量,并根据测得的固有频率算出材料的弹性模量,与力学拉伸实验测得的弹性模量进行了对比。关键词:敲击法;固有频率;弹性模量中图分类号:TH871文献标识码:A0引言置放大器,
2、是在测量冲击振动时不可缺少的二次仪表。物体自由振动时,其位移随时间按正弦规律变化,它与一次仪表压电式加速度传感器和三次仪表记录设又称为简谐振动。简谐振动的振幅及初相位与振动的备配合,可以组成较为理想的测量系统。本实验选用初始条件有关,振动的周期或频率与初始条件无关,而的是江苏联能电子的YE5850A系列电荷放大器,其614与系统的固有特性有关,称为固有频率或者固有周期。最大输出电荷量为10pC,直流分流电阻约10,灵物体频率与它的硬度、质量、外形尺寸有关。不同材敏度调节范围1pC/Unit～109.9pC/Unit。料、不同尺寸和形状的物体,若被撞击,发出声音的1.3数字示波器频
3、率是各不相同的。考虑一截面积不变,材料密度和数字示波器是由数据采集、A/D转换、软件编程弹性常数均匀且没有机械损耗的细棒,当沿轴向施以等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波激发力时,棒中将产生纵波,当棒的横向尺寸与其长器一般支持多级菜单,能提供给用户多种选择、多种度相比甚小时,棒中的纵波是平面纵波,截面上各质分析功能。还有一些示波器可以提供存储,实现对波[1]点作等幅同相振动,被撞击发出的撞击波频率就是形的保存和处理。本实验选用的是泰克TDS1012型号[2]其固有频率。本文从适用、准确、便捷等方面入手,的示波器,取样速率为5S/s～1GS/s。以敲击的方法测量材料的固有频
4、率,并设计了一套测2实验原理量系统,根据测得的固有频率可算出材料的弹性模量。细棒本身是弹性体,被激发后也会产生自由振动。1测量系统结构弹性体形变后在介质内部产生形变的应力或力矩,此该测量系统由加速度传感器、电荷放大器、示波力和力矩表现为振动系统的恢复力,这样使得弹性体器等组成。进行振动。弹性体是连续介质,因此振动运动在介质1.1压电式加速度传感器中以波的形式传播,其运动方程便应当代以波动方程。压电式加速度传感器又称压电加速度计,属于惯又由于弹性体的边界所限,故弹性体振动实质上是有性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效限介质的驻波振动,弹性体中质点的振动表现为驻波应,在加速度
5、计受振时,质量块加在压电元件上的力[3]的分布形式。也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有细棒是指直径远比波长小的棒。其均匀性是指棒频率时,则力的变化与被测加速度成正比。本实验选的材料密度和弹性常数均匀以及截面积大小不变。当用型号为CA-YD-125的加速度传感器,参考灵敏给以轴对称的激发时,在棒中产生纵波。两端自由的-2度0.148pC/(m·s),频率范围1Hz～20kHz。细棒自由振动的固有频率为:1.2电荷放大器ncfn=。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)电荷放大器是一种电压与输出电荷量成正比的前2l国家自然科学基金资助项目(50845037)收稿日期:2010
6、-03-19;修回日期:2010-04-20作者简介:胡玉勇(1986-),男,山西临汾人,在读硕士研究生,研究方向先进切削加工。2010年第5期胡玉勇,等:关于敲击法测量材料固有频率及弹性模量的研究·89·c根据图5计算出铝棒的周期为188.56s,可以算当n=1时,f1=,称为第一阶振动的固有频率,2l出声波在铝棒中的传播速度为5271.5m/s,铝的弹性又称为自由振动的基频。它只决定于棒中纵振动的传模量为77.530507GPa,与理论弹性模量76GPa相差播速度c、棒的长度l,即只决定于振动系统本身的参不大。数。3测量方法测量时,将压电式加速度传感器贴到细棒的一端,敲击细棒
7、的另一端,当传感器感受到振动时,由传感器的输出端引出输出电量,输出到电荷放大器。而电荷放大器输出的是与加速度成一定比例关系的电压信号。此信号在示波器上显示的是电压值、频率值、峰-峰值等。示波器记录下来的数据通过端口进入计算机,就可以对记录结果进行分析计算。通过示波器上显示的正弦波,可以算出声波在细棒中传播一个周期所用的时间,即周期。根据式(1)可以计算出棒中纵振动的传播速度。测量系统示意图见图1。图345钢敲击振动数据图表图1测量系统示意图4测量结果与分析对长度为94
