第7章模態(tài)測試技術7.1引言

模態(tài)測量方法可分為兩類，第一類是僅測量響應，這種方法存在以下缺陷：無法判斷一個大的響應是由大的激振力還是共振引起。

第二類是同時測量輸入與輸出。有兩種方法供選擇，其一就是SIMO，對結構某點激勵，測得所有點響應。其二就是MIMO，對結構某些點激勵，測得所有點響應。第7章模態(tài)測試技術7.1引言

對于一個確定的實驗對象，一般的振動測試系統(tǒng)由以下三部分組成：

激振部分-輸入拾振部分-一次儀表顯示、分析部分-二次儀表如果進行模態(tài)實驗分析，上述三部分可更詳細地敘述如下：第7章信號測量7.1引言

將實驗結構以適當方式支撐起來選擇適當方式激勵實驗結構，通過拾振系統(tǒng)測量激勵和響應的時間歷程將記錄到的激勵和響應時間歷程信號送入A/D，將連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號把上述時域數(shù)字信號進行FFT轉換，轉換到頻域模態(tài)參數(shù)識別第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

試驗結構分為原型和模型兩種。采用試驗模型時，需要根據(jù)相似理論制作模型，不僅考慮幾何相似，還要考慮動力相似。無論原型或模型，試驗結構的邊界條件都是要考慮的重要因素，不同的邊界條件的結構特性可能完全不同。如自由梁、懸臂梁、簡支梁。必須要正確模擬被測結構的邊界條件。從力學意義上考慮，邊界條件可分為幾何邊界條件（位移）、力邊界條件、運動邊界條件等。第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

在模態(tài)試驗中對系統(tǒng)固有特性影響最大的是幾何邊界條件。試驗結構通常的支撐根據(jù)幾何邊界條件劃分為：自由支撐、固定支撐、原裝支撐。若被測結構是完整的，則模態(tài)試驗中的邊界條件也應是完整的，即應符合實際工作狀態(tài)。如果采用模態(tài)綜合法將被測結構分為子結構來進行模態(tài)試驗，則邊界條件應以模態(tài)綜合法的要求確定。下面介紹常見的支撐：第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

1自由支撐有些振動結構的工作狀態(tài)為自由狀態(tài)（自由體），如飛機、火箭等。這類結構在做整體模型試驗時，要求具有自由邊界條件。其實，很難完成完全自由的約束狀態(tài)（太空零重力環(huán)境和飛行器俯沖失重）。只能說近似自由（某些自由度的自由）。經(jīng)常采用的方式有橡皮繩懸掛、彈簧懸掛、氣墊支撐、彈簧支撐（空氣、螺旋）等。由于懸掛或支撐的剛度較小，故對結構的彈性模態(tài)影響不大。第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

1自由支撐如果能將自由支撐點選在結構上所關心模態(tài)的節(jié)點附近，并使支撐體系與該模態(tài)主振動方向正交，則自由支撐對該階模態(tài)的影響將降低到最低，可達到最理想的效果。有些邊界條件非完全自由而受弱約束的結構也可以采用自由支撐。如輪船等。第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

2固定支撐

固定支撐（剛性支撐）用于結構承受剛性約束的情形，如高層建筑、大壩、剛性基礎的機械結構等。固定支撐要求支撐具有較大的剛度和質(zhì)量，才能減少對結構高階模態(tài)的影響。一般以實測支撐系統(tǒng)的最低固有頻率大于所關心的結構最高固有頻率的3倍為參考標準。AB第7章信號測量7.2試驗結構的支撐方式

3原裝支撐

原裝支撐是廣泛應用的一種支撐方式。前面介紹的自由支撐和固定支撐是原裝支撐的特殊情況。對于完整結構來說，原裝支撐是最優(yōu)邊界模擬?，F(xiàn)場模態(tài)實驗和實驗室模態(tài)實驗。大多數(shù)模態(tài)實驗是在靜態(tài)（被測結構處于靜態(tài)）下進行的。有些結構在靜、動態(tài)下的特性相差較大。如具有滑動軸承的轉子等，欲獲結構在動態(tài)下的固有特性，應在運行狀態(tài)下進行模態(tài)試驗。第7章信號測量7.3激勵方式

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單點激勵單點激勵是最簡單、最常用的激勵方式。所謂單點激勵，是指對測試結構一次只激勵一個點的一個方向，而在其他任何坐標上均沒有激勵作用。單點激勵是SISO參數(shù)識別所要求的激勵方式。單點激勵之所以有效，是建立在振動系統(tǒng)的可控性（能激發(fā)出系統(tǒng)的各階模態(tài)）和可觀性（測量出的輸出信號中包含各階模態(tài)的信息）假設基礎上的。第7章信號測量7.3激勵方式對于中小型結構的模態(tài)分析，采用單點激勵即可獲得較滿意的效果。對于大型、復雜結構，單點激勵往往丟失模態(tài)，或由于激勵能量有限而得不到有效的高信噪比信號，有時甚至無法激起結構的整體振動，導致模態(tài)實驗徹底失敗。1單點激勵第7章信號測量7.3激勵方式

多點激勵是指對多個點同時施加激振力的激勵方式。顯然，輸入系統(tǒng)的激勵能量會成倍增加，同時，也增加了激振的復雜性（激勵設備復雜，可采用單點分區(qū)激勵技術）。多點激勵具有以下特點：

（1）不易遺漏模態(tài)；

（2）輸入能量大且傳遞均勻，信噪比好。2多點激勵第7章信號測量7.4激勵裝置

激勵有人工激勵和自然激勵。人工激勵即通常所說的激勵，根據(jù)需要通過一定的激勵裝置施加于被測結構上。大部分人工激勵可控和可測，做模態(tài)實驗絕大部分情況是使用人工激勵。

自然激勵（環(huán)境激勵）是施加于實體結構上的自然力，如風載荷、波浪載荷、機器運轉時的動力源等等。自激勵一般是不可控、不可測的。使用自激勵通常只能測得響應信號。第7章信號測量7.4激勵裝置下面討論模態(tài)實驗中經(jīng)常使用的人工激勵。典型的激勵裝置有激振器系統(tǒng)、沖擊錘、階躍激勵裝置。1激振器系統(tǒng)

激振器一般必須與信號發(fā)生器、功率放大器一起組成激勵系統(tǒng)才可使用。激振器系統(tǒng)如圖所示。第7章信號測量7.4激勵裝置由激振器系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵信號廣泛，可控性強，自動化程度高，因而是最常用的激勵裝置。

（1）信號發(fā)生器信號發(fā)生器提供激振器所需要的激勵信號源。信號源類型一般有以下幾種：①穩(wěn)態(tài)正弦信號；

1激振器系統(tǒng)第7章信號測量7.4激勵裝置

②周期信號；③隨機信號；④猝發(fā)信號。信號發(fā)生器提供的激勵信號可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。數(shù)字式信號發(fā)生器提供的信號質(zhì)量較模擬式信號要高得多，故逐漸成為主流信號源。無論是數(shù)字信號發(fā)生器，還是計算機輔助產(chǎn)生的信號源，最終均以模擬電壓信號輸出。1激振器系統(tǒng)第7章信號測量7.4激勵裝置（2）功率放大器信號發(fā)生器提供的激勵信號主要是包含特定頻率成分和作用時間的電壓信號，一般能量很小，無法直接推動激振器，必須經(jīng)過功率放大器進行功率放大后轉換為具有足夠能量的電信號，驅(qū)動激振器工作。

根據(jù)負反饋類型不同，功率放大器分為定電壓功率放大器和定電流功率放大器。

1激振器系統(tǒng)第7章信號測量7.4激勵裝置（3）激振器振動測試技術中的激振器種類很多。按工作原理來分，有機械式、電動力式、壓電式、電磁式、渦流式和電動液壓式等等；按接觸形式不同可分接觸式和非接觸式兩種。電磁式和電渦流式激振器屬于非接觸式激振器，其余屬接觸式激振器。1激振器系統(tǒng)第7章信號測量7.4激勵裝置

（3）激振器

1激振器系統(tǒng)不同激振器的用途不同，在模態(tài)實驗中，常用電動力式和電動液壓式激振器。

電動力式激振器基本原理是電磁感應定律，通電導體在磁場中受力，將由功率放大器提供的激勵電信號轉換為激振力信號。

電動力式激振器具有頻率范圍大(上限30kHz，下限1～3Hz)，激振力幅值、頻率及相位易調(diào)等優(yōu)點。第7章信號測量7.4激勵裝置

（3）激振器

1激振器系統(tǒng)

電動液壓式激振器是一種電控制、液壓驅(qū)動的激振器，結構要比電動式激振器復雜得多。它由電動部分、液壓驅(qū)動部分和激振部分組成。工作原理是，經(jīng)功率放大器放大的激勵信號送至電動部分，經(jīng)液壓驅(qū)動部分將激振力放大。

電動液壓式激振器是一種大型激振設備，可承受幾千牛頓的預壓力和高達幾百千牛頓的激振力。第7章信號測量7.4激勵裝置

2

沖擊錘沖擊錘又稱力錘，是模態(tài)實驗中另一種常用的激勵裝置。目前沖擊錘多用于SISO參數(shù)識別方法中。錘擊激勵提供的是一種瞬態(tài)激勵，這種激勵只需一把沖擊錘即可實現(xiàn)，比激振器系統(tǒng)要簡單得多。第7章信號測量7.4激勵裝置

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沖擊錘沖擊錘錘帽可更換，以得到不同的沖擊力譜。沖擊錘錘頭可有不同的重量，以得到不同能量的激勵信號。對普通結構，用SISO頻域法做參數(shù)識別時，使用沖擊錘一般能得到相當滿意的結果。加之激勵設備簡單，價格低廉，使用方便，對工作環(huán)境適應性較強，特別適于現(xiàn)場測試，故一般工程測試單位中均將錘擊激勵作為優(yōu)先考慮的激勵方式之一。第7章信號測量7.4激勵裝置

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沖擊錘

通常力錘難以對大型結構進行激勵,原因在于激勵力的能量太小。東方所的彈性聚能力錘主體采用鋼材料制成,力錘的頭部用橡膠制成,在錘頭和錘柄之間的彈簧裝置,使力的持續(xù)時間達到20ms以上，激勵力可達5～12.5噸。由于較大的激勵力,力的能量也就足夠大以激起橋梁的振動。又因為激勵力的持續(xù)時間較長,使激勵力的能量集中于低頻。這種激勵力則非常適合于大型低頻結構的模態(tài)試驗。第7章信號測量7.4激勵裝置

3階躍激勵裝置

階躍激勵是模態(tài)實驗中特有的一種激勵方式，它是通過突加或突卸力載荷(或位移)實現(xiàn)對系統(tǒng)的瞬態(tài)激勵。如使用剛度大、重量輕的纜索拉緊被測結構某一部分，突然釋放纜索中的拉力，形成系統(tǒng)的一個階躍激勵。階躍激勵的特點：能量大；激勵高頻成分少。故適用于大型、重型結構的模態(tài)分析。

第7章信號測量7.5激勵信號

了解激勵信號是進行實驗模態(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。在制定模態(tài)實驗方案時，必須根據(jù)被測結構特點、測試環(huán)境、現(xiàn)有儀器條件、測試精度等諸方面選用合適的激勵信號。有時需要選擇幾種激勵方式進行試測，以確定最優(yōu)激勵信號。模態(tài)實驗中往往由于激勵信號選擇不當而無法收到滿意的測試效果。模態(tài)實驗中常用的激勵信號分為穩(wěn)態(tài)正弦信號、純隨機信號、周期信號和瞬態(tài)信號。第7章信號測量7.5激勵信號1穩(wěn)態(tài)正弦信號

穩(wěn)態(tài)正弦信號是模態(tài)實驗最早采用的一種激勵信號。通過緩慢改變正弦信號的頻率，可激發(fā)出系統(tǒng)的各階主振動。

頻率的變化必須足夠慢，以使結構響應達到穩(wěn)態(tài)。另外，還應注意，在共振區(qū)附近，信號頻率改變量要小；而在非共振區(qū)，信號頻率可以改變得多一些。一般在測試時，先初步掃頻，根據(jù)響應確定系統(tǒng)的幾個共振峰，再仔細掃頻，獲得詳細激勵與響應數(shù)據(jù)。第7章信號測量7.5激勵信號

穩(wěn)態(tài)正弦信號的優(yōu)點是：激勵能量能集中在單一頻率上，測量信號具有很高的信噪比，因而測試精度很高；信號的頻率和幅值易于控制。1穩(wěn)態(tài)正弦信號第7章信號測量7.5激勵信號2純隨機信號純隨機信號又稱白噪聲信號。理論上的純隨機信號是具有高斯分布的白噪聲，在整個時間歷程上都是隨機的，不具有周期性。頻率域上是一條平直的直線，包含0～∞的頻率成分，且任何頻率成分所包含的能量相等。

第7章信號測量7.5激勵信號3瞬態(tài)信號

瞬態(tài)信號的形式和產(chǎn)生方式有多種：有信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻正弦猝發(fā)信號和隨機猝發(fā)信號；有沖擊錘產(chǎn)生的沖擊信號和隨機沖擊信號；有階躍激勵裝置產(chǎn)生的階躍激勵信號；有特殊裝置如火箭筒產(chǎn)生的沖擊信號等等。第7章信號測量7.5激勵信號

3瞬態(tài)信號

由于瞬