《模態(tài)分析與綜合技術(shù)》05信號(hào)測量分析與處理-01信號(hào)測量

第7章模態(tài)測試技術(shù)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(yīng)，這種方法存在以下缺陷：無法判斷一個(gè)大的響應(yīng)是由大的激振力還是共振引起。

第二類是同時(shí)測量輸入與輸出。有兩種方法供選擇，其一就是SIMO，對(duì)結(jié)構(gòu)某點(diǎn)激勵(lì)，測得所有點(diǎn)響應(yīng)。其二就是MIMO，對(duì)結(jié)構(gòu)某些點(diǎn)激勵(lì)，測得所有點(diǎn)響應(yīng)。第7章模態(tài)測試技術(shù)7.1引言

對(duì)于一個(gè)確定的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，一般的振動(dòng)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(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，上述三部分可更詳細(xì)地?cái)⑹鋈缦拢旱?章信號(hào)測量7.1引言

將實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)以適當(dāng)方式支撐起來選擇適當(dāng)方式激勵(lì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，通過拾振系統(tǒng)測量激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)間歷程將記錄到的激勵(lì)和響應(yīng)時(shí)間歷程信號(hào)送入A/D，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)把上述時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別第7章信號(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分為原型和模型兩種。采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，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(dòng)力相似。無論原型或模型，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的邊界條件都是要考慮的重要因素，不同的邊界條件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的邊界條件。從力學(xué)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(yùn)動(dòng)邊界條件等。第7章信號(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

在模態(tài)試驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)固有特性影響最大的是幾何邊界條件。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是完整的，則模態(tài)試驗(yàn)中的邊界條件也應(yīng)是完整的，即應(yīng)符合實(shí)際工作狀態(tài)。如果采用模態(tài)綜合法將被測結(jié)構(gòu)分為子結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，則邊界條件應(yīng)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(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

1自由支撐有些振動(dòng)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)為自由狀態(tài)（自由體），如飛機(jī)、火箭等。這類結(jié)構(gòu)在做整體模型試驗(yàn)時(shí)，要求具有自由邊界條件。其實(shí)，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(duì)結(jié)構(gòu)的彈性模態(tài)影響不大。第7章信號(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

1自由支撐如果能將自由支撐點(diǎn)選在結(jié)構(gòu)上所關(guān)心模態(tài)的節(jié)點(diǎn)附近，并使支撐體系與該模態(tài)主振動(dòng)方向正交，則自由支撐對(duì)該階模態(tài)的影響將降低到最低，可達(dá)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(jié)構(gòu)也可以采用自由支撐。如輪船等。第7章信號(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

2固定支撐

固定支撐（剛性支撐）用于結(jié)構(gòu)承受剛性約束的情形，如高層建筑、大壩、剛性基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(duì)結(jié)構(gòu)高階模態(tài)的影響。一般以實(shí)測支撐系統(tǒng)的最低固有頻率大于所關(guān)心的結(jié)構(gòu)最高固有頻率的3倍為參考標(biāo)準(zhǔn)。AB第7章信號(hào)測量7.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的支撐方式

3原裝支撐

原裝支撐是廣泛應(yīng)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(duì)于完整結(jié)構(gòu)來說，原裝支撐是最優(yōu)邊界模擬?，F(xiàn)場模態(tài)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模態(tài)實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)模態(tài)實(shí)驗(yàn)是在靜態(tài)（被測結(jié)構(gòu)處于靜態(tài)）下進(jìn)行的。有些結(jié)構(gòu)在靜、動(dòng)態(tài)下的特性相差較大。如具有滑動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)子等，欲獲結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)下的固有特性，應(yīng)在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。第7章信號(hào)測量7.3激勵(lì)方式

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單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)激勵(lì)是最簡單、最常用的激勵(lì)方式。所謂單點(diǎn)激勵(lì)，是指對(duì)測試結(jié)構(gòu)一次只激勵(lì)一個(gè)點(diǎn)的一個(gè)方向，而在其他任何坐標(biāo)上均沒有激勵(lì)作用。單點(diǎn)激勵(lì)是SISO參數(shù)識(shí)別所要求的激勵(lì)方式。單點(diǎn)激勵(lì)之所以有效，是建立在振動(dòng)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(hào)中包含各階模態(tài)的信息）假設(shè)基礎(chǔ)上的。第7章信號(hào)測量7.3激勵(lì)方式對(duì)于中小型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，采用單點(diǎn)激勵(lì)即可獲得較滿意的效果。對(duì)于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)激勵(lì)往往丟失模態(tài)，或由于激勵(lì)能量有限而得不到有效的高信噪比信號(hào)，有時(shí)甚至無法激起結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)，導(dǎo)致模態(tài)實(shí)驗(yàn)徹底失敗。1單點(diǎn)激勵(lì)第7章信號(hào)測量7.3激勵(lì)方式

多點(diǎn)激勵(lì)是指對(duì)多個(gè)點(diǎn)同時(shí)施加激振力的激勵(lì)方式。顯然，輸入系統(tǒng)的激勵(lì)能量會(huì)成倍增加，同時(shí)，也增加了激振的復(fù)雜性（激勵(lì)設(shè)備復(fù)雜，可采用單點(diǎn)分區(qū)激勵(lì)技術(shù)）。多點(diǎn)激勵(lì)具有以下特點(diǎn)：

（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(diǎn)激勵(lì)第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

激勵(lì)有人工激勵(lì)和自然激勵(lì)。人工激勵(lì)即通常所說的激勵(lì)，根據(jù)需要通過一定的激勵(lì)裝置施加于被測結(jié)構(gòu)上。大部分人工激勵(lì)可控和可測，做模態(tài)實(shí)驗(yàn)絕大部分情況是使用人工激勵(lì)。

自然激勵(lì)（環(huán)境激勵(lì)）是施加于實(shí)體結(jié)構(gòu)上的自然力，如風(fēng)載荷、波浪載荷、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力源等等。自激勵(lì)一般是不可控、不可測的。使用自激勵(lì)通常只能測得響應(yīng)信號(hào)。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置下面討論模態(tài)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的人工激勵(lì)。典型的激勵(lì)裝置有激振器系統(tǒng)、沖擊錘、階躍激勵(lì)裝置。1激振器系統(tǒng)

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

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

1激振器系統(tǒng)第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

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

根據(jù)負(fù)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(hào)測量7.4激勵(lì)裝置（3）激振器振動(dòng)測試技術(shù)中的激振器種類很多。按工作原理來分，有機(jī)械式、電動(dòng)力式、壓電式、電磁式、渦流式和電動(dòng)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(hào)測量7.4激勵(lì)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(shí)驗(yàn)中，常用電動(dòng)力式和電動(dòng)液壓式激振器。

電動(dòng)力式激振器基本原理是電磁感應(yīng)定律，通電導(dǎo)體在磁場中受力，將由功率放大器提供的激勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為激振力信號(hào)。

電動(dòng)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(diǎn)。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

（3）激振器

1激振器系統(tǒng)

電動(dòng)液壓式激振器是一種電控制、液壓驅(qū)動(dòng)的激振器，結(jié)構(gòu)要比電動(dòng)式激振器復(fù)雜得多。它由電動(dòng)部分、液壓驅(qū)動(dòng)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(lì)信號(hào)送至電動(dòng)部分，經(jīng)液壓驅(qū)動(dòng)部分將激振力放大。

電動(dòng)液壓式激振器是一種大型激振設(shè)備，可承受幾千牛頓的預(yù)壓力和高達(dá)幾百千牛頓的激振力。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

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沖擊錘沖擊錘又稱力錘，是模態(tài)實(shí)驗(yàn)中另一種常用的激勵(lì)裝置。目前沖擊錘多用于SISO參數(shù)識(shí)別方法中。錘擊激勵(lì)提供的是一種瞬態(tài)激勵(lì)，這種激勵(lì)只需一把沖擊錘即可實(shí)現(xiàn)，比激振器系統(tǒng)要簡單得多。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)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(lì)信號(hào)。對(duì)普通結(jié)構(gòu)，用SISO頻域法做參數(shù)識(shí)別時(shí)，使用沖擊錘一般能得到相當(dāng)滿意的結(jié)果。加之激勵(lì)設(shè)備簡單，價(jià)格低廉，使用方便，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，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(lì)作為優(yōu)先考慮的激勵(lì)方式之一。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

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沖擊錘

通常力錘難以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì),原因在于激勵(lì)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(shí)間達(dá)到20ms以上，激勵(lì)力可達(dá)5～12.5噸。由于較大的激勵(lì)力,力的能量也就足夠大以激起橋梁的振動(dòng)。又因?yàn)榧?lì)力的持續(xù)時(shí)間較長,使激勵(lì)力的能量集中于低頻。這種激勵(lì)力則非常適合于大型低頻結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)。第7章信號(hào)測量7.4激勵(lì)裝置

3階躍激勵(lì)裝置

階躍激勵(lì)是模態(tài)實(shí)驗(yàn)中特有的一種激勵(lì)方式，它是通過突加或突卸力載荷(或位移)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)激勵(lì)。如使用剛度大、重量輕的纜索拉緊被測結(jié)構(gòu)某一部分，突然釋放纜索中的拉力，形成系統(tǒng)的一個(gè)階躍激勵(lì)。階躍激勵(lì)的特點(diǎn)：能量大；激勵(lì)高頻成分少。故適用于大型、重型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。

第7章信號(hào)測量7.5激勵(lì)信號(hào)

了解激勵(lì)信號(hào)是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的重要環(huán)節(jié)。在制定模態(tài)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，必須根據(jù)被測結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(lì)信號(hào)。有時(shí)需要選擇幾種激勵(lì)方式進(jìn)行試測，以確定最優(yōu)激勵(lì)信號(hào)。模態(tài)實(shí)驗(yàn)中往往由于激勵(lì)信號(hào)選擇不當(dāng)而無法收到滿意的測試效果。模態(tài)實(shí)驗(yàn)中常用的激勵(lì)信號(hào)分為穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)、純隨機(jī)信號(hào)、周期信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)。第7章信號(hào)測量7.5激勵(lì)信號(hào)1穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)

穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)是模態(tài)實(shí)驗(yàn)最早采用的一種激勵(lì)信號(hào)。通過緩慢改變正弦信號(hào)的頻率，可激發(fā)出系統(tǒng)的各階主振動(dòng)。

頻率的變化必須足夠慢，以使結(jié)構(gòu)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。另外，還應(yīng)注意，在共振區(qū)附近，信號(hào)頻率改變量要??；而在非共振區(qū)，信號(hào)頻率可以改變得多一些。一般在測試時(shí)，先初步掃頻，根據(jù)響應(yīng)確定系統(tǒng)的幾個(gè)共振峰，再仔細(xì)掃頻，獲得詳細(xì)激勵(lì)與響應(yīng)數(shù)據(jù)。第7章信號(hào)測量7.5激勵(lì)信號(hào)

穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是：激勵(lì)能量能集中在單一頻率上，測量信號(hào)具有很高的信噪比，因而測試精度很高；信號(hào)的頻率和幅值易于控制。1穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)第7章信號(hào)測量7.5激勵(lì)信號(hào)2純隨機(jī)信號(hào)純隨機(jī)信號(hào)又稱白噪聲信號(hào)。理論上的純隨機(jī)信號(hào)是具有高斯分布的白噪聲，在整個(gè)時(shí)間歷程上都是隨機(jī)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(hào)測量7.5激勵(lì)信號(hào)3瞬態(tài)信號(hào)

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

3瞬態(tài)信號(hào)

由于瞬