手表的跌落测试丨非接触式多点同步测量跌落试验的主要目的是分析敏感结构在跌落和冲击过程中的动力学特性。在本次试验中，使用表头(手表去掉表带部分)作为精密机械测试样品，获得其不同部位不同点在自由落体撞击地面前后瞬间的振动位移，速度和加速度曲线。试验装置图1：8个光纤头同步测试表头测量表头八个点在冲击之前、期间及之后的振动速度。为确保表头落下的确切位置，为此我们还专门设计了一个手表测试工作台。由于无法不停重复跌落试验，这八个点的测试就需要同步进行。德国Polytec公司的MPV-800多点式激光测振仪，同步测试最多可达48通道，输出时域和频域振型。本次试验中，我们还使用到了中心摄像机，确保这些测点位置更精确。如图2所示。图2：使用MPV-800的试验装置，测量表头自由落体后的冲击响应测试结果在测试过程中，将速度记录为时间的函数。本次测试记录了表头的8个特定测点在约8ms内的振动速度：撞击前3ms，撞击后5ms。将不同测点的速度曲线叠加到一起，便于数据间的对比，如图3所示。谱图还显示了撞击过程中表头呈现出不同的振动特性。图3：时间-位移曲线通过MPV软件我们可以看到表头的3D振型，如图4所示。图4：表头运动可视化除此之外，我们还可看到表头在受到撞击后是如何旋转的。为了有更好的视觉效果，我们进行了数据后处理。利用MPV软件对速度进行微分和积分，分别得到加速度和位移。将时间差为50μs的5个位移曲线叠加到一起，如图5所示，通过数据后处理我们可以很清楚的看到表头收到撞击后的旋转情况。图5：5个不同测试时间下的响应曲线组合时间-加速度曲线还为我们提供了额外信息：受到冲击后，手表单个部件的振动响应各不相同。图6：时间-加速度曲线图7：时间-速度曲线总结与展望MPV非接触式多点同步测振系统能有效地评估动态冲击响应。MPV-800使用独立的光纤光学头，可以任意放置在物体周围，如有需要还可以组合成3D通道。高达250000次/秒的采样频率，以极高的精度和分辨率获取极短时间内的冲击响应。所获结果可用于数据后处理和模型升级。
固体间的碰撞过程转瞬即逝，它们之间的冲击响应需要特殊的测试方法，而非接触式测试方法则尤其适用于这类测试。使用两台LDV测试两个球体（球体间有一块板）在有和没有流体影响下的冲击响应。在测量液体容器内球体的振动响应时我们发现了有趣的物理现象，为获取正确的测试数据，需要将这种物理现象考虑在内。在一个生物医学研究项目中提到了双稳态换挡阀概念。机械冲击导致位移产生。为深入研究冲击响应和理想脉冲传输至换挡阀外壳，工程师们专门搭建了试验装置。本次试验的目的是了解冲击的基本物理特性。此外，测试结果还可用于验证数值仿真模型。试验时，我们使用不同的撞击主体、不同的材料及在流体中进行。试验装置试验装置：一个框架，带有固支板，板的两侧各有一个球体。其中一个球体（外球）初始时偏离，而后垂直撞击固支板。而代表换挡阀内部结构的另一侧球体（内球）则贴着夹板保持不动。在框架内安装一个液体容器，将内球体完全淹没其中。通过电磁机构来控制外球撞击固支板，以实现高重复性。外球在撞击板块之前的速度约为V0=600mm/s。它以这个速度撞击固支板，使之产生变形和振动，并使内球体产生加速度。图2：亚克力液体容器的近景图试验评估需要获取这两个球体的速度量和位移量，因此，我们同时使用了两台激光多普勒振动仪(VFX-F-110高性能单点式)，它们具有非接触式、对被测表面无附加质量影响等优点，最为重要的是，它们具有极佳的光学灵敏度和分辨率，成功获取了这两个球体在极短冲击时间内的详细响应数据。本次试验最具挑战性的是外球只在撞击前瞬间进入激光束，只有当激光几乎垂直于球面时测试才有效。而在固支板另一侧的内球在开始时是静止不动的，因此比较容易测试。另外，在装有固支板的框架上安装一个亚克力材质的液体容器，将内球体完全淹没其中，以研究不同流体对测试结果的影响。固支板的内表面与流体接触，可以是水也可以是油。容器在注入流体后，测试结果发生了很大变化。这些变化包括流体对球体的冲击和运动的影响，以及流体的光学折射率对测试技术的影响。图3：完全浸入流体内部的球体与夹板相接触激光多普勒测振仪采用激光多普勒原理，内置高精度光学干涉仪，通过入射激光和反射激光的多普勒频移信号解调出被测表面的振动速度；通过入射激光和反射激光的光程变化，采用条纹计数原理解调出被测表面的振动位移。如果测试是在除空气或真空以外的任何介质中进行，就必须考虑所在介质的折射率。因此，为确定球体在流体中的速度，必须将测试结果予以修正。但是，流体容器的运动导致光程的变化，若其两侧的介质不同，则叠加额外振动，如图4所示。图4：两个球体的振动曲线，均叠加了因液体容器运动而造成的振动总结与展望测试流体内物体的振动时，需要将流体折射率(n)考虑在内，根据方程Vcorr=V/n来对结果予以修正。测试结果表明，我们可以成功地确定两个球体在撞击前后的振动速度。
蜂窝材料因具有一系列独特的动态特性而受到广泛关注，可用作带隙滤波器，以及传播与频率相关的各向异性的波。为验证波在空间传播时的各向异性，我们需要一种能够在多个位置获取面内速度值的无损测量技术，为此，德国Polytec公司的PSV-500-3D闪亮登场。周期蜂窝材料，如金属或复合蜂窝材料，已在航空航天、汽车和民用结构中得到广泛应用，其中一个重大原因就是它具有较高的强度-重量比。然而，它们的技术应用潜力要远远超过其非凡的静态特性，其中引起广泛讨论的效应就是声子带隙的形成，比如，带隙的间隔传播可被认为是入射波和反射波之间的解构的干涉。另外，一些波的传播遵循了各向异性的方式，即波的方向性。在带隙中，某些频率范围的光不能透过；而在某些频率范围内的光是可以透过的。这种空间效应如得以适当利用，则非常有利于对空间波的控制，如空间波的能量偏转、线路重置、能陷和能量收集及隐声等。我们的研究主题主要围绕着具有非常规空间波操纵能力的新型蜂窝结构的设计与参数化(CelliandGonella,J.Appl.Phys.115,103502(2014))。为支持这项研究，我们需要一个试验方法，能够测试具有显著拓扑复杂性和由轻薄元素组成的结构的动态特性。为此，我们使用德国Polytec公司的3D扫描激光多普勒测振仪，获取特定扫描网格节点上的面内速度，测试网格与蜂窝结构的孔格形状完全一致。本次测试与计算机数模中验证过的相同的结构进行了对标(Phanietal.,J.Acoust.Soc.Am.119,4(2006),GonellaandRuzzene,J.SoundVib.312(2008))。试验搭建如图1所示，使用电火花线切割工艺将厚度为0.95cm的铝板加工成正六边形蜂窝材料31.2cm×30cm，共(20×18)个孔格。相互连接的正六边形孔格壁厚为0.67mm。图1：规则的正六边形蜂窝材料试件底边固定，上边缘中点处放置一个传感器产生激励信号。模拟蜂窝板作为三明治板的桁架芯体，其表面受到点激励的场景。分析时，采用一个5周期窄带猝发瞬态信号作为激励，其具有可变的载频和足够长间隔时间，使得每个测点在被测之前均能回到不受力状态。每个孔格壁设置三个测点，共计有1811个测点。为降低信号噪声，我们采用时间平均(100次平均)。试验装置如图2所示。图2：规则正六边形蜂窝材料的瞬态波域测试注意：显示器上，六边形每个边均设置3个测点要充分研究具有这种拓扑复杂性的结构，精确完成如此多测点的面内测量，非德国Polytec公司的PSV-500-3D三维扫描激光多普勒测振仪莫属。尽管如此，由于蜂窝材料厚度有限，即使是最先进的3D扫描式激光测振仪也面临严峻挑战，在样品制备和数据后处理方面需采取一些特殊手段。在数据采集阶段所面临的主要挑战是将三束激光都重叠聚焦在较薄的孔格壁上。只要有任何一束激光没有聚焦在样品表面（如图3a所示），该测点的数据质量和可靠性则大大降低。不幸的是，通常用于激光点聚焦的视频三角定位法在此不能直接应用，因为我们知道它不能用于边缘处(注意，我们的结构实际上可以看作是边界元的集合)。为此，我们的解决方案是在孔格测点处贴上小块反光膜，如图3b所示。图3c显示的是采用视频三角定位法后，三束激光点成功重叠聚焦在孔格边缘。图3：提高激光点聚焦的过程。a）其中一束激光没有聚焦在孔格上；b）在孔格上贴上小块反光膜；c）三束激光成功重叠聚焦在孔格上。测试结果本次分析中使用了两个信号:一个带载波频率突发信号，属于S模态(3.1kHz)；另一个带载波频率突发信号，属于P模态(27.9kHz)。S模态结果如图4所示，其中通过节点垂直位移插值得到与同一时刻对应的试验波域(图4a)和仿真波域(图4c)。我们观察到，在这个频率下，S模态呈现出空间波传播的各向异性。通过2D-DFT提取数据中波域的频率成分，如图4b和图4d。图4：S模态时(3.1kHz)，试验波域（a）和仿真波域（c）的对比。相应的频谱图，试验波域（b）和仿真波域（d）的对比。我们注意到，本文报告的S模态已经过频域滤波，以消除不符合S模态的伪特征，认为这是小块反光膜的动态特性。P模态如图5所示，传播模式以环型波峰为特征，并证实了该模式下空间波传播的各向同性。图5：P模态时(27.9Hz)，试验波域（a）和仿真波域（c）的对比。相应的频谱图，试验波域（b）和仿真波域（d）的对比。不论是波长还是方向性，这两个频率下的试验结果和仿真结果的一致性较好。
使用三维扫描式激光测振仪，测试结构在超声频率下不同振动模态的复杂组合超声性能的发展在英国的格拉斯哥大学，我们测试了超声变幅杆的纵-扭(L-T)模态以优化其性能。在很多领域都存在L-T超声振动，如外科手术器械、工业焊接、超声电机等。格拉斯哥大学的研究人员甚至在研发用于行星探索的超声波钻探工具，由于引力低，传统的钻探工作不易进行，而下一代火星登陆人员将需要低反应装置来进行表面钻探。纵-扭超声变幅杆超声变幅杆，也称为超声波发生器，是一种金属杆，通常用于增强超声换能器的振动位移幅值，是将超声换能器的声能有效地传递到被处理介质中的必要装置。超声变幅杆通常是一种具有圆形横截面和变形纵截面的实心金属杆，它的长度必须能使其在所需的超声工作频率上发生机械共振，等于在变幅杆内传播的超声波的一个或多个半波长。人们尝试用两种不同的方法来激发设备的纵-扭响应：通过耦合纵向和扭转模态；通过加入螺旋槽和狭缝，使纵向模态简并为纵向扭转响应。人们发现，耦合纵向和扭转振动模态很困难,因为典型的超声变幅杆的外形在逐渐变化，这两个模态频率彼此接近后又分离，没有完全耦合的交叉点。例如，使用Polytec三维激光测振仪系统，如图1所示，第一纵模(L1)、第二扭转模(T2)、随着极简钛半波长步进变幅杆底座长度逐渐减小，可以观察到纵向(L)和切向(T)振幅的弯曲模态(B)。图1：随着超声步进变幅杆长度逐渐改变，不同模态间的相互作用由于这两种模态很难实现有效耦合，采用这种方法的变幅杆往往具有响应性低的特点，或者需要在超声传感器中加入两个不同极性的压电陶瓷叠片来激发出这两种模态。因此，模态简并的方法要更好，我们已经开发出一种换能器(图2)来利用这种技术。该换能器在单个压电陶瓷叠片的纵向振动模态激励下可以产生纵-扭输出。图2：新型的纵扭传感器试验模态分析为了评估换能器的性能，通过试验模态分析(EMA)确定换能器的工作模态响应。换能器的有效性主要体现在它的扭转性，即扭转振幅与纵向振幅的比值。3D扫描式激光测振仪的优势在于，它可以在不影响固有频率、模态振型或阻尼的情况下获得数据，无论被测结构是在空气中(无负载)还是在有负载的实际工况下。利用三维激光测振仪，在换能器表面测点网格上获取三个正交方向的响应，并利用MEScope软件提取模态频率和动画模态。这些结果使我们能够评估工作模态特性，以及所需的振型和周围的不期望振型之间的频率间隔。振动测试还可以用来验证传感器的有限元(FE)模型(图3)。图3：在SimuliaAbaqus和VibrantTechnologiesMEscope软件中显示传感器的仿真和实测模态振型。结论试验表明，该模型可以可靠地用于新型换能器的形状设计，以及评估器件的纵向和扭转响应特性，以实现器件性能的最优化。
作为英国中微子工厂推进高功率目标计划的一部分，一种用于表征候选目标材料(钨、钽和钼)热机械特性的新方法被开发出来。用于下一代高能粒子加速器系统中的材料经常需要暴露在高应力、高应变率和极高温的极端环境下，为了估计目标系统及其部件在这种环境下的使用寿命，必须在极端条件下对这些材料进行测试。试验搭建如图1所示，由候选材料制成的细导线，通过快速高电流脉冲对其进行加热和加压，该脉冲由ISIS同步加速器(卢瑟福阿普尔顿试验室)的冲击磁铁产生的电源而产生。为了避免氧化，将导线立于在真空腔中，并通过调节脉冲重复率将其加热到2650℃。为使电流产生足够的热应力，导线必须很细(直径小于1毫米)。由OFV-534光学头和OFV-5000控制器组成的单点式激光多普勒测振仪(LDV)，测试了导线的纵向（激光点对准导线尖端）以及径向的振动速度和位移。三种不同的LDV解码器(VD-02,VD-05和DD-300)覆盖了导线振幅和频率的整个范围。同时，LDV测点处还使用光学高温计进行温度测试。注：OFV-534光学头和OFV-5000控制器已经升级成全新的VibroFlex系统，无论是光学灵敏度还是测量精度等技术参数均有大幅提升。图1：试验装置(1)多个带有电流脉冲的同轴电缆汇集成单电缆(2)，与被测导线相连。导线被立于真空腔(3)中，使用激光多普勒测振仪(4)进行测试。图2：电流脉冲试验中直径0.75毫米的钨丝(a)及夹具示意图(b)结果和结论图3为使用激光多普勒测振仪测试到的不同温度下钨丝径向速度。电流脉冲从t=0开始施加，导线开始收缩和膨胀。在大约1μs之后，到达一个新的平衡，并开始振动。图3时间刻度从t<0开始，以表明LDV处于一个相对较低的背景噪声水平。图3：直径为0.5mm的钨丝在不同温度下的振动速度的实测和模拟值试验结果与有限元模拟(LS-DYNA)结果具有良好的相关性。然后利用得到的振动频率提取导线材料的杨氏模量与温度的函数关系。在图4中，将新测试获取的杨氏模量结果与以前的结果进行了比较。图4：不同试验条件下钨丝杨氏模量的比较为确定屈服强度，逐步加大导线中的电流脉冲幅值，直到导线开始弯曲或扭结。从LDV测得的表面速度(见图3)中提取出试验过程中的导线的应变率。LDV光学头内置一台高速摄像机，用于监测导线应变。此外，研究还发现，当塑性变形现象首次出现时，LDV振动速度信号中的噪声成分开始增多。这种LDV信号质量的变化表明导线已接近屈服点。图5显示了钼、钽、钨丝达到屈服点所需应力。图5：钽、钨、钼丝的屈服强度与峰值温度的关系以及各自对应的应变速率值中微子工厂的候选材料是在这个加速器预期工作条件下完成的测试。这种获取材料在极端条件下的热机械动态特性的新型方法，有助于检验不同材质模型的一致性。
颤振仍然是限制机床加工材料切除率增加的主要因素。通常把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”.在铣削中，机床-工件系统的机械模态最初是由切削力所激发。这种自激切削现象会变得不稳定，颤振不断增长直到刀具跳出切削孔，破坏预期的表面公差，甚至在切削力过大的情况下发生断裂。高速加工是航空工业中广泛使用的一种用于加工低刚度薄壁板结构的工艺。在某些切削条件下，这种结构在加工时还可能会产生横向振动。这些铣削和机加工过程的可变动态条件，可能是导致这些制造过程中成品零件表面光洁度差和生产率较低的罪魁祸首。稳定性图方法是利用动态信息定义稳定区域的常用技术，在稳定区域内可以找到合适的和需要的加工参数组合。采用这种技术，需要试验工作频响函数(OFRF)和常规频响函数(FRF)来提供增强的多级同伦摄动法(EMHPM)。激光测振法与现有测试方法的比较众所周知，加速度计在大型结构上的质量载荷对其动态测试的影响基本可以忽略。然而，当被测工件质量较小时，这些影响是不容忽视的。由于OFRF的精度直接影响稳定性图，研究加速度计的质量载荷对稳定性图的影响，对准确预测薄壁零件在铣削时的动态特性具有重要意义。为了研究加速度计的质量载荷对薄壁结构的影响，我们在1×35×50mm的7075铝合金薄壁(1×35×50mm)上进行了不同位置的冲击试验，并收集了重量为0.6g加速度计的相应频响。同样的，我们使用德国Polytec公司的CLV-2534-2紧凑式激光测振仪，测试工件在没有附加质量影响的情况下的动态特性。图1所示的虚线表示在相同条件下，加速度计和激光多普勒测振仪(LDV)获得的频率响应函数。图1：LDV与加速度计的测试结果从图1我们可以发现，加速度计和激光多普勒测振仪所获得的频响函数之间存在显著差异。在被测表面没有附加质量影响下，激光测振仪获取了两种基本振动模式，峰值分别出现在1105Hz和1722Hz。然而，加速度计的测试结果呈现出相同的动态模式，但峰值分别出现在580Hz和1366Hz。由于薄壁工件所产生的声压级，在试验中我们可以在频谱中观察到这些差异。第一峰值的525Hz偏差就是因为存在加速度计附加质量影响所导致。为了验证上述观察，我们使用LDV在带有加速度计的工件上进行测试。如图1中的虚线所示，这时获取的结果与用加速度计采集到的结果相同。本次试验证实了加速度计的附加质量对频响值的影响，它不仅使系统的频响值偏移48%左右，而且使系统的模态阻尼有较大的变化。此外，我们预计到计算的刚度值会发生变化。正如预期的那样，在加工过程中，由于加速度计附加质量的影响，壁材从工件上移除时要比标准厚1mm。为了证明加速度计的附加质量对切削过程动力学的影响，我们利用EMHPM分别对加速度计和激光测振仪的测试结果进行了稳定性图的计算。图2中的是直径为1.27cm螺旋角20°径向切深为0.8毫米的2齿立铣刀的稳定性图。图2:加速度计和激光测振仪分别获取的FRF稳定性图从图2可以看出，仿真稳定性图上的稳定切深值深受加速度计的附加质量影响。与激光测振仪相比，加速度计不论是主轴转速方向上，还是在轴向上的测试结果都会产生偏差。为此，LDV能够很好地对不稳定的切削条件做出预期判断。激光束对准薄壁的顶部中心位置。当主轴转速为26500rpm时，最大振幅可达0.3m/s(图3)。图3：转速为26500rpm时稳定切削另一方面，通过LDV的OFRF响应预测加速度计的不稳定边界区域(图4)。在这种情况下，转速为30,000rpm时的速度值达到0.6m/s。频域显示为颤振频率。图4：转速为3000rpm时不稳定切削结论图5为加速度计与激光测振仪分别获取的模态参数值的对比。我们可以清楚地看到，重0.6g的加速度计附在薄壁工件上对频响值有明显影响。图5：加速度计和激光测振仪分别获取主频
