機械阻抗的研究現狀及應用

朱川

摘 要：隨著科學技術的進步和發展，人們對機械阻抗概念的認識和理解，也在不斷地延伸、擴大和豐富。該文概括了國內外機械阻抗技術的主要研究方法與應用。針對在不同領域的研究現狀及優缺點進行評述，并對機械阻抗的研究方向做出了展望，指出了與工程實際模型及其他研究方法相結合將是今后研究的主要方向。

關鍵詞：機械阻抗 廣義機械阻抗 振動分析

中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0033-02

機械阻抗的概念是20世紀30年代根據機電類比而提出的，迄今已有半個世紀的歷史了。隨著科學技術的進步和發展，各門學科之間的相互滲透，人們對于機械阻抗概念的認識和理解也在不斷延伸、擴大和豐富。特別是近20多年來，由于機械阻抗測試技術和數字處理技術的重大突破與迅速發展，現代控制理論和從最優化理論以及估計理論以派生出來的系統識別技術，在機器與結構動力分析中的成功應用，促使振動理論及其分析方法發生了巨大而深刻的變化。與此同時，各種阻抗名詞及術語應運而生，阻抗分析法的面貌亦隨之煥然一新。

1 機械阻抗的基本定義

對于穩定的、定常的、線性振動系統而言，機械阻抗即等于激勵與其所引起的穩態響應的復數比，或復幅值之比。

激勵與響應之間的幅值比及其相位差，不僅與激振頻率的大小有關，更主要的是取決于系統本身的固有特性，因此，可以采用上述兩個相對量來綜合描述各種線性振動系統在激振頻率下的傳遞特性。所謂機械阻抗，指的就是這兩個參數，故機械阻抗數據亦可稱為頻率響應數據，它包含了與系統本身固有屬性有關的極其豐富的信息，根據實驗測定的機械阻抗數據，提取或識別人們所需要的各種有用的信息量。

2 機械阻抗的分類

2.1 位移、速度及加速度阻抗

由于系統的振動響應量，可以是位移、速度或加速度，因此，機械阻抗和導納亦有3種不同的形式，并分別為位移、速度及加速度阻抗和導納（見表1）。

2.2 原點阻抗和傳遞阻抗

若激勵和響應是在同一個點，則稱為原點阻抗；若激勵和響應不是在同一個點，則稱為跨點阻抗或傳遞阻抗。此外，原點阻抗又分為直接阻抗和交叉阻抗，前者表示振動響應與激勵力同方向，后者表示振動響應與激勵力方向不同。

2.3 傳遞率

系統的輸入與輸出可能是力，也可能是運動，因此，機械阻抗還有另外兩種形式。

（1）力——傳遞率。

（2）運動——傳遞率。

3 機械阻抗的研究現狀及應用

機械阻抗及其參數識別技術是近代分析和研究機器與結構動力學問題的有效手段，是理論分析和試驗研究結合的新技術。該技術已經應用于機械設備的設計與開發、調試與診斷等許多工程技術領域，并已取得了很大的進展。機械阻抗法在實際工程中的應用主要集中在以下幾個方面。

3.1 隔振器的隔振問題

將隔振器簡化為彈簧和阻尼器的模型，不能反映其動態特性隨頻率的變化而變化的特點，對隔振器的機械阻抗特性進行了理論計算和實驗研究，在安裝基座、測試系統、激勵系統、加載系統等滿足要求的前提下，對隔振器進行空載和加載兩種情況下的測量，并按一定的方法對數據進行處理，將理論計算和實驗得到的結果進行比較，表明了測量方法的普遍適應性，以阻抗為基本手段進行機械系統振動噪聲傳遞特性預報與聲學優化設計是可行的[1]。但是復雜載荷對機械阻抗的影響規律分析還有待今后深入研究。

3.2 機械構件的損傷評價

根據壓電材料的壓電效應和壓電耦合效應，利用機電阻抗分析法進行機械損傷檢測具有響應快、頻帶寬、集傳感激勵于一體、對早期損傷敏感等特點，從而成為了健康監測領域的一個研究熱點。但是其中也存在著一些問題，可操作性和環境變化對其的影響尚不清晰，傳感器位置和機電阻抗譜的關系還沒有完全掌握等。未來的研究更應該集中在測試真實結構在其操作條件和環境下的情況，并在信號處理，對損傷敏感的頻譜特性鑒定和充足的建模和仿真上做更多的研究[2]。

3.3 設備的強度、剛度或抗振性能分析

將設備模型分成若干基本的機械元件，通過對機械結構的機械阻抗的機理進行分析，并對組合元件的機械阻抗進行計算，給出設備機械阻抗在不同頻段的數學物理模型，繪制出機械阻抗線路圖，根據基本機械元件的機械阻抗求解振動位移[3，4]。利用阻抗法，可以容易地得到設備的頻率響應特性，分析過程也很簡單[5]。

3.4 基于有限元仿真的機械阻抗的分析

利用有限元軟件（如ANSYS）對機械設備進行模態分析得到固有頻率及振型，在此基礎上進一步做動態響應仿真分析，通過數據后處理得到設備的機械阻抗的頻率特性及其對數幅頻特性。基于有限元仿真的機械阻抗分析可以充分考慮其他因素的影響，例如：在對船舶的機械阻抗進行分析時，可以綜合考慮附連水的影響，從而提高分析精度，滿足工程需求[6]。

4 結語

綜上所述，目前機械阻抗的應用主要集中在隔振器的隔振問題，機械構件的損傷識別，設備的強度、剛度或抗振性能分析，以及基于有限元仿真的機械阻抗的分析等這幾個方面，機械阻抗法雖然在很多行業得到了應用，但是與工程實際模型及其他研究方法相結合將是今后研究的主要方向。

參考文獻

[1] 王鎖泉，周慶云，席亦農，等.隔振元件機械阻抗測量與數據處理方法研究[J].艦船科學技術，2006（2）：107-111.

[2] 申耀國.基于阻抗的混凝土結構損傷評估方法研究[D].大連理工大學，2012.

[3] 王一丁，韓致信.機械阻抗法在往復泵基礎振動中的應用[J].新技術新工藝，2008（12）：81-83.

[4] 田國成，畢忠波.汽輪發電機密封油系統的阻抗分析及應用研究[J].山東電力技術，2008（4）：13-17.

[5] 王丹生，朱宏平，金柯，等.壓電智能梁的阻抗分析與損傷識別[J].固體力學學報，2008（4）：402-407.

[6] 葉永林，唐建飛，陳斌，等.波浪中船體結構機械阻抗的分析方法研究[J].船海工程，2013（2）：22-25.