CN203249898U - 木工带锯条动刚度的声学测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种方法简单、测试数据精确和可靠的木工带锯条动刚度的声学测量装置，它包括敲击木工带锯条的装有力传感器的力锤，设置在木工带锯条一侧的接收木工带锯条振动产生的声波并转变为电信号的声级计；力传感器和声级计的输出均接信号调理仪，信号调理仪的输出接信号采集及分析仪。

Description

木工带锯条动刚度的声学测量装置

技术领域

本实用新型涉及木工带锯条动刚度的测量装置，具体地说，是木工带锯条动刚度的声学测量装置。 

背景技术

木工带锯机作为木材加工过程的第一道工序，是木材加工行业中应用最广的设备。因此，研究带锯机刚性等力学性能的好坏，对于能否提高加工效率以及充分利用材料较为关键。木工带锯条的受力极其复杂,锯解作业时会发生共振和晃动（抖振）,这将影响锯解质量,故对带锯条的振动特性研究尤为重要。 

动刚度是描述机械结构减振性能的关键指标，反映其在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。由动刚度的定义可知，动刚度的单位应为N/m，其计算公式在经过三角复指数形式简化计算后为：E=A/(2πf)²。式中，E表示动刚度（N/m）；A表示动刚度幅值（N/m/s²）；f表示频率（Hz）。 

为了测量动刚度，一般需要在被测试件上固定一个传感器，通过该传感器测得的响应信号（如加速度）来反应被测试件的响应信号，再对该信号进行处理计算出被测试件的动刚度。但是，由于传感器附着在被测试件上，被测试件的响应信号因为传感器附加质量的影响,使其测量值不太精确。 

实用新型内容

本实用新型还提供了一种结构简单、测试数据精确和可靠的木工带锯条动刚度的声学测量装置。 

本木工带锯条动刚度的声学测量装置，包括敲击木工带锯条的装有力传感器的力锤，设置在木工带锯条一侧的接收木工带锯条振动产生的声波并转变为电信号的声级计；力传感器和声级计的输出均接信号调理仪，信号调理仪的输出接信号采集及分析仪。 

上述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，信号调理仪包括用于声级计输出的电信号进行滤波的滤波器、对滤波后的信号进行放大的放大器。 

上述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，信号采集及分析仪包括信号采集仪和信号处理分析仪；信号采集仪有计算机接口、DSP芯片、A/D转换器；信号处理分析仪包括CPU处理机；放大器、计算机接口、DSP芯片、A/D转换器、CPU处理机依次相连。 

上述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，声级计测量范围35-90dB，频率范围 31.5Hz-8000Hz，准确度为±1.5dB，分辨率为0.1dB。 

使用实用新型对木工带锯条动刚度进行测量时，是以装有力传感器的力锤敲击木工带锯条,使得木工带锯条横向振动；以声级计接收木工带锯条振动产生的声波并转变为电信号G,再对电信号G和力传感器检测的反应力锤敲击力T大小的信号进行处理后进行数据采集和频谱分析,得到动刚度幅值A=T/G的频域图；从该频域图中得出某阶频率f及与该阶频率f相对应的动刚度幅值A；以

计算出该阶频率f下的动刚度有效值。 

本实用新型的有益效果：力锤由一系列不同频率的正弦干扰力来激励测量对象-木工带锯条。当激励力的频率等于系统固有频率时就发生共振，出现响应高峰；当激励力的频率不等于系统固有频率时，其幅值就一定小于共振峰值。响应的频谱除以力脉冲得到频响函数。频响函数是单位力下的响应，其倒数就是单位响应下需要的力，即动刚度。动刚度是一条与固有频率相关的曲线。如想得到频响函数就是响应／力；如果想得到动刚度，就是力／响应。不同材料、不同尺寸和形状的结构若被撞击,发出撞击声的频率各不相同。测量时,敲击木工带锯条,使其产生横向自由振动并发出声音,通过声级计这种传感器接收声压信号并将其变为电信号。由于声级计是一个不与木工带锯条接触的非接触传感器,它测得的反应木工带锯条的有关参数（如固有频率值），相对于现有技术（把传感器固定在木工带锯条上进行测试），因为木工带锯条没有传感器附加质量的影响,所以测量值更为精确。 

声级计的探头与带锯条的距离为1cm，这样测试更加准确。采用南京安正软件工程有限责任公司的SsCras信号与系统分析软件对电信号进行处理、数据采集和频谱分析。采用南京安正软件工程有限责任公司的SsCras信号与系统分析软件进行动刚度测试，得到的频谱波峰、波谷清晰可辨，清楚准确地反应了被测试件的动刚度。 

附图说明

图1是木工带锯条系统动刚度性能测试框图 

图2是木工带锯条系统中的木工带锯条振动的频谱图； 

图3是木工带锯条系统中的橡胶锤敲击力的频谱图。 

图4是木工带锯条系统的动刚度相位图。 

图5是木工带锯条系统的动刚度幅值图。 

具体实施方式

实施例：声波激励法测量MJ397型木工带锯机的带锯条动刚度。 

1试验设备与仪器 

1.1试验设备 

本试验设备为山西工友集团产的MJ397型木工带锯机，主要技术参数见表1。其带锯轮张紧力为3543.79N。 

表1MJ397型木工带锯机的主要技术参数表 

木工带锯条为直背齿形,材料为65Mn。其有效宽度(不含齿高)b=76.5mm，厚度s=1.05mm，总长度L=5400mm，齿距t=37mm，齿高h=13.7mm；锯齿的3个基本角度为:齿喉角=25°,齿尖角=45°,齿背角=20°。 

1.2南京安正CRAS振动及动态信号采集分析系统 

南京安正(南京安正软件工程有限责任公司)CRAS振动及动态信号采集分析系统由信号调理仪1、信号采集仪2、SsCras信号与系统分析软件3及计算机4等组成。信号调理仪1包括抗混滤波器和信号放大器,信号采集仪2有计算机接口、数字信号器处理DSP芯片、A/D转换器等。信号处理分析仪包括计算机4中的CPU处理机等。 

抗混滤波器将声级计的输出信号进行滤波,然后经信号放大器放大后的信号进入信号采集仪2。采集到的模拟信号经计算机接口进入数字信号器处理DSP芯片进行数字信号处理,然后经A/D转换器转换成数字信号,通过信号处理分析仪中的CPU处理机的信号输入端进入CPU处理机并由CPU处理机及其系统控制软件实行处理分析。 

1.3TES135型声级计 

声级计由探头、前置放大器、衰减器、放大器、频率计权网络和有效值指示表头等组成,其测量范围L₀=35-90dB，频率范围31.5Hz-8000Hz，准确度为±1.5dB，分辨率为0.1dB，采用内部94dB位置校正，本试验仅将声级计作传声器使用。 

1.4装有力传感器的橡胶锤1把。 

2测试方法与过程 

2.1测试方法与原理 

动刚度是描述减振性能的关键指标，表示引起单位振幅所需要的动态力。静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度;动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，用结构的固有频率来衡量。如果动作用力变化很慢，即动作用力变化的频率远小于结构的固有频率时，可以认为动刚度和静刚度基本相同。否则，动作用力的频率远大于结构的固有频率时，结构则不容易变形，即变形较小，此时结构的动刚度相对激扰较大。但动作用力的频率与结构的固有 频率相近时，有可能出现共振现象，此时动刚度最小，变形最大。 

由动刚度的定义可知，动刚度的单位应为N/m，其计算公式在经过三角复指数形式简化计算后为：E=A/(2πf)²。式中，E表示动刚度（N/m）；A表示动刚度幅值（N/m/s²）；f表示频率（Hz）。 

不同材料、不同尺寸和形状的结构若被撞击,发出撞击声的频率各不相同。试验证明,对敲击声进行频谱分析所得到的频率值与机械传感器得到的固有频率一致。使用声级计作为传感器的实验原理与使用加速度传感器相同，但是，由于声级计是一个非接触传感器,它得到的固有频率值因为没有传感器附加质量的影响,使其测量值更为精确。试验时,参见图1，以装有力传感器的橡胶锤8敲击装在锯轮5上的木工带锯条6,使其产生横向自由振动并发出声音,通过声级计7这种传感器接收声压信号并将其变为电信号G。把力传感器检测的反应力锤敲击力T大小的信号和电信号G经信号调理仪1放大，滤波后,进行数据采集和频谱分析,得到动刚度幅值A=T/G的频域图；从该频域图中得出某阶频率f及与该阶频率f相对应的动刚度幅值A。 

2.2测试过程 

测试中，带锯机处于不开机状态。其主要步骤如下： 

（1）声级计传感器在使用前需要校准。首先按下声校准器的白色按钮，声校准器会发出1000Hz频率，94dB的标准数据；然后将声级计打开拨至调节档，将探测头插入声校准器的孔内；最后，用起子旋转声级计的调节旋钮，将声级计传声器的示数调整至94dB，声级计校准结束。 

（2）测试前，将声级计探头平行距带锯条B=1cm处放置。 

（3）连接各仪器设备,本橡胶锤产生激励信号（CH2），CH2单位为（N）。声级计在安装时应避免放在带锯条宽度的1/2或1/4处等节点处，并使声级计探头与带锯条的距离B为1cm，声级计接受响应信号（CH1），CH1单位设为（m/s²）。测试时，橡胶锤以适当的力度在距声级计适宜的距离处敲击装在锯轮上的木工带锯条。调用信号与系统分析软件,在振动信号的采集参数设置上，采用1/H₁模式，触发方式为负触发,电压范围为±5000mV，声级计的校正因子为320，放大倍数10，分析频率500Hz，数据采集次数4，数据块长度2048。 

（4）为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率上限，滤波频率设为500Hz；实测前，进入示波方式，连续敲击试件，以检查仪器连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重新设置之； 

（5）在示波无误后，进入数据采集方式。通过用橡胶锤；敲击带锯条，激起带锯条 系统振动，以触发方式采集数据，并根据其动刚度频谱图、动刚度幅值图分别读出前8阶的固有频率值和动刚度幅值，并记录下来。 

3结果与分析 

采用声波激励法测量MJ397型木工带锯机带锯条结构系统动刚度相位如图4所示，动刚度幅值如图5所示，木工带锯条振动的频谱如图2所示，橡胶锤敲击力的频谱如图3所示。图2中，横坐标表示分析频率（Hz），纵坐标表示木工带锯条振动的幅值（m/s²）。图3中，横坐标表示分析频率（Hz），纵坐标表示敲击力的幅值（N）。图4中，横坐标表示分析频率（Hz），纵坐标表示相位。图5中，横坐标表示分析频率（Hz），纵坐标表示动刚度的幅值（N/m/s²）。 

由图3读出前8阶固有频率和相应的动刚度幅值：其系统的基频f₁=26.25Hz、f₂=41.25Hz、f₃=51.25Hz、f₄=125.00Hz、f₅=143.75Hz、f₆=167.50Hz、f₇=223.75Hz、f₈=306.25Hz；其动刚度幅值A₁=74.00N/m·s^-2、A₂=83.40N/m·s^-2、A₃=79.08N/m·s^-2、A₄=72.68N/m·s^-2、A₅=85.63N/m·s^-2、A₆=77.31N/m·s^-2、A₇=84.99N/m·s^-2、A₈=97.19N/m·s^-2

本带锯条系统的动刚度有效值E_rms(n)计算如下： 

f₁=26.25Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(1\right)}=\frac{A_1}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_1\right)}^2}=\frac{74.00}{{(2\×3.14\×26.25)}^2}=0.002720N/m;$

f₂=41.25Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(2\right)}=\frac{A_2}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_2\right)}^2}=\frac{83.40}{{(2\×3.14\×41.25)}^2}=0.001241N/m;$

f₃=51.25Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(3\right)}=\frac{A_3}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_3\right)}^2}=\frac{79.08}{{(2\×3.14\×51.25)}^2}=0.000770N/m;$

f₄=125.00Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(4\right)}=\frac{A_4}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_4\right)}^2}=\frac{72.68}{{(2\×3.14\×125.00)}^2}=0.000118N/m;$

f₅=143.75Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(5\right)}=\frac{A_5}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_5\right)}^2}=\frac{85.63}{{(2\×3.14\×143.75)}^2}=0.000105N/m;$

f₆=167.50Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(6\right)}=\frac{A_6}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_6\right)}^2}=\frac{77.31}{{(2\×3.14\×167.50)}^2}=0.000070N/m;$

F₇=223.75Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(7\right)}=\frac{A_7}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_7\right)}^2}=\frac{84.99}{{(2\×3.14\×223.75)}^2}=0.000038N/m;$

F₈=306.25Hz下， $E_{\mathrm{rms}\left(8\right)}=\frac{A_8}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_8\right)}^2}=\frac{97.19}{{(2\×3.14\×306.25)}^2}=0.000026N/m$

采用声波激励法测得的带锯条系统的前八阶固有频率、动刚度幅值，以及算得的动刚度值表明，其基频下的动刚度性能最大，即在26.25Hz半功率带区域内的带锯条系统的刚性最好，此时带锯条变形量小。 

Claims (4)

1.木工带锯条动刚度的声学测量装置，其特征是：它包括：敲击木工带锯条的装有力传感器的力锤，设置在木工带锯条一侧的接收木工带锯条振动产生的声波并转变为电信号的声级计；力传感器和声级计的输出均接信号调理仪，信号调理仪的输出接信号采集及分析仪。 

2.如权利要求1所述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，其特征是：信号调理仪包括对声级计输出的电信号和力传感器输出的信号进行滤波的滤波器、对滤波后的信号进行放大的放大器。 

3.如权利要求2所述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，其特征是：信号采集及分析仪包括信号采集仪和信号处理分析仪；信号采集仪有计算机接口、DSP芯片、A/D转换器；信号处理分析仪包括CPU处理机；放大器、计算机接口、DSP芯片、A/D转换器、CPU处理机依次相连。 

4.如权利要求1所述的木工带锯条动刚度的声学测量装置，其特征是：声级计测量范围35-90dB，频率范围31.5Hz-8000Hz，准确度为±1.5dB，分辨率为0.1dB。 

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