模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)精品課件

1、模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)第1頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四討論模態(tài)試驗(yàn)所用的測(cè)量技術(shù)對(duì)于我們所研究的對(duì)象（系統(tǒng)）與外界的關(guān)系一般可用如下的圖來(lái)表示：輸入輸出系統(tǒng)這里： 輸入激勵(lì)（狹義地說(shuō)是力，廣義地說(shuō)就不一定了）輸出響應(yīng)（位移、速度、加速度等） 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換函數(shù)（特性）（注意自變量是時(shí)間）第2頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四用公式可表示為：響應(yīng)特性輸入= 由此可見(jiàn)，只有當(dāng)測(cè)定方程中的兩項(xiàng)時(shí)，才能完全測(cè)出試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)情況。 從機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析這角度來(lái)說(shuō)，基本問(wèn)題可以分成三類：1、已知系統(tǒng)的特性和輸入，求響應(yīng)振動(dòng)分析問(wèn)題例如，一機(jī)器由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的偏心產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)輸

2、入激勵(lì)是已知的，機(jī)器本身結(jié)構(gòu)的特性也是已知的現(xiàn)在要求系統(tǒng)的位移、速度、加速度。這稱為振動(dòng)分析問(wèn)題。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 2、已知輸出和系統(tǒng)的特性，要研究系統(tǒng)的輸入動(dòng)載荷識(shí)別（作載荷譜）或環(huán)境測(cè)試問(wèn)題。 3、已知系統(tǒng)輸入和輸出要識(shí)別或研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)識(shí)別問(wèn)題（試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析） 例如汽車(chē)工業(yè)中的路面譜分析問(wèn)題，這對(duì)汽車(chē)工業(yè)是很重要的問(wèn)題。 噪聲對(duì)人體的影響問(wèn)題，就要分析噪聲的頻率成分，即噪聲測(cè)量問(wèn)題，也就是環(huán)境測(cè)試問(wèn)題。 也就是說(shuō)我們要根據(jù)測(cè)得的輸入、輸出來(lái)確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析就是要解決這類問(wèn)題。有時(shí)這類測(cè)量統(tǒng)稱為“導(dǎo)納測(cè)量”第4頁(yè)，共31頁(yè)

3、，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四測(cè)試結(jié)構(gòu)的連接與安裝為了得到一組滿意的頻響函數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)試的結(jié)構(gòu)的職稱應(yīng)引起足夠的重視。同一結(jié)構(gòu)在不同的邊界條件下，將有不同的模態(tài)參數(shù)。目前常用的支撐方式有以下兩種：地面支撐和自由支撐第5頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 懸掛式是將被測(cè)對(duì)象自由地懸掛在空間。在這種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)由其質(zhì)量和慣性所確定的剛體模態(tài)，既無(wú)彎曲又無(wú)變形。對(duì)處于這種自由狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，我們可以確定其剛體模態(tài)，乃至質(zhì)量和慣性特性，這些都是非常重要的數(shù)據(jù)。 當(dāng)然，實(shí)際上不可能提供真正的自由支承條件，結(jié)構(gòu)必須用某種方法支撐，在試驗(yàn)中提供一個(gè)十分接近這種狀態(tài)的

4、懸掛系統(tǒng)是可能的。就是把試件支承在很軟的“彈簧”上，例如用很輕的彈性繩把試件吊起來(lái)。這時(shí)剛體模態(tài)的固有頻率不再為零，但相對(duì)那些彎曲模態(tài)，其值還是很低的。這里要注意的是懸掛系統(tǒng)可能對(duì)各種小阻尼試件有增加阻尼的影響。第6頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 理論上講模態(tài)試驗(yàn)應(yīng)該在自由支承條件下進(jìn)行，但在實(shí)際情況中，這種方法有時(shí)是行不通的。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 另一種支承為稱為地面支承（固定支承），即設(shè)想將結(jié)構(gòu)上的某些點(diǎn)與地面固定連接。在理論上分析這個(gè)條件是非常容易實(shí)現(xiàn)的，即簡(jiǎn)單的刪去對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)即可。但在做試驗(yàn)時(shí)很困難因?yàn)槲覀兒茈y提供一個(gè)

5、基礎(chǔ)或地基固定試驗(yàn)構(gòu)件，使其完全與地面固定。第8頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四最佳懸掛位置 在做模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，一般希望將試件懸掛點(diǎn)選擇在振幅較小的位置，為此首先需要預(yù)先確定最佳懸掛位置。 假設(shè)單點(diǎn)激勵(lì)，則測(cè)試點(diǎn)1和激勵(lì)點(diǎn)p之間的頻率響應(yīng)函數(shù)為如果激勵(lì)力為 ，則近似地有對(duì)線形系統(tǒng)，位移響應(yīng)的幅值和頻率響應(yīng)函數(shù)的幅值成正比，第9頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四進(jìn)一步假設(shè)振形一質(zhì)量矩陣歸一化，各階模態(tài)阻尼近似相當(dāng)，則 為了預(yù)報(bào)摸個(gè)自由度在一般激勵(lì)情況下的（在摸個(gè)頻率范圍內(nèi)所有n個(gè)模態(tài)均被激發(fā)）的位移響應(yīng)的相對(duì)大小，定義低 j 自由度的平局驅(qū)動(dòng)自由度位移

6、（Average Driving DOF Displacement）ADDOFD為 在模態(tài)試驗(yàn)中的最佳選為位置由ADDOFD的值最小的那些自由度給出。其極限情況是：如果僅僅要求測(cè)試一姐模態(tài)，則最佳懸掛位置是在該階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)處。因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)有第10頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四最佳激勵(lì)位置 為了保證系統(tǒng)的可辨識(shí)性（可控和可觀），一般要求激勵(lì)點(diǎn)不應(yīng)靠近節(jié)點(diǎn)或節(jié)線太近。這就要求ODP（optimal Driving Point）最佳激勵(lì)點(diǎn)的位移響應(yīng)值不等于零。ODP定義為對(duì)正弦激勵(lì)， 定義第J個(gè)自由度的平均驅(qū)動(dòng)自由度速度（Average Driving DOF Velocit

7、y）ADDOFV為第11頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四定義第J個(gè)自由度的平局驅(qū)動(dòng)自由度加速度（Average Driving DOF Acceleration）ADDOFA為： 激勵(lì)點(diǎn)應(yīng)該避免選擇在ODP最佳激勵(lì)點(diǎn)的值等于零之處。在該點(diǎn)激勵(lì)，某些模態(tài)將不被幾里出來(lái)。 當(dāng)使用錘擊法時(shí)，最佳激勵(lì)位置的選擇除了應(yīng)該滿足ODP最佳激勵(lì)點(diǎn)的值不等于零之外，還應(yīng)該避免選擇ADDOFV的值較大的那些點(diǎn)，因?yàn)樵贏DDOFV的值較大的那些點(diǎn)，因?yàn)樵贏DDOFV的 值較大的那些點(diǎn)處，容易產(chǎn)生所謂的雙擊現(xiàn)象。 當(dāng)使用激振器激勵(lì)是，最佳激勵(lì)位置的選擇除了應(yīng)該滿足ODP最佳激勵(lì)點(diǎn)的值不等于零之

8、外，還應(yīng)該避免選擇ADDOFA的值較大的那些點(diǎn)，因?yàn)樵贏DDOFA的值較大的那些點(diǎn)處，激振器附加質(zhì)量的影響較大。第12頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四最佳測(cè)試點(diǎn)的選取 測(cè)試點(diǎn)所測(cè)得的信息要求有盡可能高的信噪比。因此，測(cè)試點(diǎn)不應(yīng)該靠近節(jié)點(diǎn)。注意到實(shí)際上用的一般都是加速度傳感器，實(shí)際測(cè)得的都是加速度信號(hào)，因此在最佳測(cè)試點(diǎn)的位置，其DDDOFA的值應(yīng)該較大。 比較常用確定最佳測(cè)試點(diǎn)的方法是EI（Effective Independence）法 如何從s個(gè)可選擇的點(diǎn)中，找出m個(gè)點(diǎn)，（ms），這m個(gè)點(diǎn)測(cè)得的模態(tài)線形獨(dú)立，是模態(tài)空間的最佳估計(jì)。該方法稱之為EI法第13頁(yè)，共31頁(yè)，

9、2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四激勵(lì)信號(hào)及方法廣泛采用寬頻帶激振技術(shù)。其中主要有脈沖、階躍激勵(lì)，快速正弦掃描等瞬態(tài)激勵(lì)和純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)、瞬態(tài)隨機(jī)等激勵(lì)方法。此外，由于正弦慢掃描技術(shù)測(cè)試精度高，仍是一種重要的激振手段。1、脈沖激勵(lì)常用的有錘擊法。脈沖錘是錘擊法的主要設(shè)備。為了得到不同脈沖寬度，垂頭可用不同材料制成，材料越硬，脈沖頻譜越寬。如右圖所示 第14頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 對(duì)脈沖信號(hào)，特別是小阻尼系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試時(shí)，若分析頻率高，因采樣時(shí)間過(guò)短，而響應(yīng)衰減慢，則響應(yīng)信號(hào)被截?cái)喽a(chǎn)生能量泄露，解決的辦法就是加指數(shù)窗。對(duì)于力脈沖信號(hào)，由于脈沖持

10、續(xù)時(shí)間短，脈沖后面君威干擾信號(hào)，為此可采用加力窗函數(shù)的辦法，其表達(dá)式如下式中 為脈沖寬度；第15頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 用錘擊構(gòu)件的瞬間，由于結(jié)構(gòu)的回跳，若在第一次敲擊后響應(yīng)尚未完全衰減即重疊第二次敲擊，便不能精確地測(cè)定頻響函數(shù)。這點(diǎn)應(yīng)該注意。 錘擊法具有快速、方便的特點(diǎn)，對(duì)被測(cè)試件無(wú)附加質(zhì)量和剛度約束，但畢竟由于能量分散在很寬頻帶內(nèi)，激勵(lì)能量小、信噪比低，故測(cè)試精度不高，一般局限在較小構(gòu)件的模態(tài)測(cè)試中應(yīng)用。2、階躍松弛激勵(lì) 在激振點(diǎn)預(yù)先加一力使變形發(fā)生，然后突然除去該力，釋放其能量（可用鋼絲繩通過(guò)力傳感器拉緊被測(cè)結(jié)構(gòu)到一定變形，然后突然切斷的辦法），相當(dāng)于對(duì)

11、結(jié)構(gòu)施加了一個(gè)負(fù)的階躍激振力。 由于階躍激勵(lì)力的低頻成分最大，故常用來(lái)激勵(lì)固有頻率很低的結(jié)構(gòu)，激勵(lì)低階模態(tài)。第16頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四3、快速正弦掃描 又名線形調(diào)頻脈沖，由持續(xù)的短信號(hào)組成。它要求信號(hào)發(fā)生器在數(shù)秒內(nèi)掃過(guò)整個(gè)測(cè)試所需的頻段，以便獲得具有平譜的激勵(lì)力，從而達(dá)到寬頻帶激勵(lì)?？焖賿呙杓?lì)力與時(shí)間之間應(yīng)滿足下列關(guān)系：式中，T為掃描周期；第17頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四快速掃描激勵(lì)力的時(shí)域及頻域圖如右圖所示。這種方法能獲得平譜，在整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)，激勵(lì)能量相同，信噪比大，因而較錘擊法精度高。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月

12、20日，6點(diǎn)33分，星期四4、純隨機(jī)信號(hào) 理想的純隨機(jī)信號(hào)是白噪聲，其激勵(lì)能量分布在很寬的頻段內(nèi)，功率譜是平譜。每個(gè)t時(shí)間內(nèi)的樣本函數(shù)都不相同，經(jīng)多次平均后可消除測(cè)試中所引起的各種噪聲信號(hào)干擾、非線性影響及畸變。由于信號(hào)的非周期性，導(dǎo)致信號(hào)處理時(shí)的截?cái)嗾`差，引起能量的泄露。雖然可以加漢寧窗的辦法來(lái)解決能量的泄漏問(wèn)題，但隨之而產(chǎn)生的是頻率分辨率降低，使參數(shù)辨識(shí)帶來(lái)困難。因而一般不采用純隨機(jī)激勵(lì)。5、偽隨機(jī)信號(hào) 偽隨機(jī)信號(hào)具有一定的周期性，在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)是隨機(jī)的，各周期間的信號(hào)又完全相同。周期長(zhǎng)度T與分析儀的長(zhǎng)度相匹配，譜估算中沒(méi)有泄漏。但由于每次激勵(lì)與采樣都是同一信號(hào)，故不能用多次平均來(lái)消除

13、噪聲干擾。6、周期隨機(jī)周期隨機(jī)是一種不連續(xù)的偽隨機(jī)信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)是偽隨機(jī)，在第二個(gè)周期是另一個(gè)新的與前面不相關(guān)的偽隨機(jī)信號(hào)，在以后的周期內(nèi)都是互不相關(guān)的偽隨機(jī)信號(hào)?？梢?jiàn)周期隨機(jī)綜合了純隨機(jī)和偽隨機(jī)的特點(diǎn)，由于它的周期性，從而消除了泄漏；由于它的隨機(jī)性，可用總體平均消除噪聲干擾第19頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四第20頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四第21頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四8、正弦掃描 這是一種傳統(tǒng)的激勵(lì)方法，比較成熟。它具有激勵(lì)能量集中，信噪比大，測(cè)試精度高的優(yōu)點(diǎn)。此外，它還可用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的非線性特性。

14、 近年來(lái)，由于多輸入、多輸出模態(tài)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，測(cè)量通道的增加，在測(cè)試頻率步長(zhǎng)間隔內(nèi)即可完成信號(hào)的離散化傅氏變換，使測(cè)試時(shí)間大為減少，彌補(bǔ)了該方法測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的主要缺點(diǎn)，因此，近年來(lái)又重新受到重視，它仍然是模態(tài)試驗(yàn)中的一種重要而可靠的方法。第22頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四激勵(lì)系統(tǒng) 激勵(lì)系統(tǒng)主要包括信號(hào)源，功率放大器和激振器。常用的激勵(lì)信號(hào)有正弦、隨即、瞬態(tài)和周期等。由于信號(hào)源提供的信號(hào)較弱，當(dāng)激勵(lì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，往往還需把激勵(lì)信號(hào)放大，以至于能推動(dòng)激振器，這就是功率放大器的作用。功率放大器必須和激振器相匹配。常規(guī)的激勵(lì)方法有電磁激勵(lì)及錘擊兩種。此外，階躍釋放和環(huán)

15、境激勵(lì)（如路面及風(fēng)激勵(lì)）方法，在車(chē)輛模態(tài)測(cè)試方面也較常用。第23頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四機(jī)械式激振器機(jī)械式激勵(lì)裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不平衡質(zhì)量慣性力作為激勵(lì)力的。在使用中靈活性較小，調(diào)節(jié)不方便。但他能產(chǎn)生頻率可變的常力。力的大小與慣性力有關(guān)，只有調(diào)節(jié)慣性力才能改變激勵(lì)力的幅值，故在振動(dòng)過(guò)程中是無(wú)法調(diào)整的。早期有這類裝置，目前使用不多。 電磁式振動(dòng)臺(tái)是最流行的一種激勵(lì)裝置，在這種激勵(lì)裝置中，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中放置一個(gè)線圈，該線圈與裝置的驅(qū)動(dòng)部分連接，驅(qū)動(dòng)部分與結(jié)構(gòu)相連。在這種情況下，激勵(lì)的頻率和幅值彼此是獨(dú)立控制的具有較大的可控性。這在通過(guò)共振點(diǎn)，需要改變

16、激勵(lì)電平時(shí)特別實(shí)用。電磁式激振器第24頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 被測(cè)試結(jié)構(gòu)與激振器的連接往往通過(guò)一種稱為柔性桿的細(xì)長(zhǎng)桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是在激振方向上相對(duì)地剛硬，而其余方向上柔軟，這樣有可能在激振方向上傳遞力，而其余方向上使附加約束釋放。柔性桿的直徑及長(zhǎng)度應(yīng)視具體測(cè)試對(duì)象而定，使柔性桿的縱向及橫向彎曲振動(dòng)固有頻率避開(kāi)激振頻率。一般柔性桿的直徑為12mm，長(zhǎng)度為2050mm。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四電液激振器 所謂電液激振器實(shí)際上就是液壓激振器。（在工程中又稱為伺服器）在這種裝置中，利用液壓原理進(jìn)行功率放大以產(chǎn)生很大的激振力。其

17、一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是可以模擬實(shí)際載荷進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樗梢栽诩屿o載荷的同時(shí)又加動(dòng)載荷。當(dāng)被試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)在工作承受振動(dòng)時(shí)，又承受較大的靜載荷。用這種電液激振器最好。 電液激振器的另一優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生較大的振幅這是電磁激振器所達(dá)不到的。 電液激振器的工作頻率范圍是超低頻的，一般是01kHz的范圍內(nèi)。而電磁激振器的頻率范圍是3050KHz。電液激振器的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，試驗(yàn)費(fèi)用高。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四tTcF(t)01msfH(f)01000HzfcfH(f)t001力錘沖擊器激勵(lì) 另一種最常用的激勵(lì)方法是手錘沖擊法。從信號(hào)形式來(lái)看是屬于瞬時(shí)激勵(lì)。 理論上講如果給一

18、個(gè)脈沖激勵(lì)該脈沖激勵(lì)所含的頻率成分有無(wú)窮多個(gè)。但在實(shí)際激勵(lì)時(shí)我們是激不出用時(shí)為零幅值無(wú)窮大面積為1的理論脈沖信號(hào)的。第27頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四 手錘的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由錘頭、錘帽、錘把以及力傳感器組成。手錘沖擊法激出的信號(hào)、和其頻譜圖如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)錘帽撞擊被測(cè)試件時(shí)，結(jié)構(gòu)將承受一個(gè)相當(dāng)于半正弦波的力脈沖，而它的頻譜圖在低頻基本上是平坦的，之后就下降，再后就不定值變化了。因此需要對(duì)其進(jìn)行控制。這主要是靠錘帽的來(lái)控制，錘帽一般有鋼制的、鋁制的、塑料制作的以及橡皮制作的四種。另外操作的技巧也很有關(guān)系。 第28頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)

19、33分，星期四 加速度傳感器1、壓電式加速度計(jì)2、集成電路式壓電加速度計(jì)3、壓阻式加速度計(jì)4、變電容式加速度計(jì)1、壓電式加速度計(jì) 加速度計(jì)運(yùn)用了壓電元件，在加速度增加時(shí)壓電元件所發(fā)出的電荷直接由電纜導(dǎo)出。由于輸出信號(hào)微弱到微微（兆分之一，PC）級(jí)，所以加速度計(jì)的輸出電纜使用的是低噪聲同軸電纜。另外，為了將用低噪聲同軸電纜傳出的信號(hào)由電荷輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，需要使用電荷放大器或遠(yuǎn)距離電荷轉(zhuǎn)換器。 壓電式加速度計(jì)的特點(diǎn)是，體積較小、重量較輕、使用溫度范圍廣、比后述的集成電路式壓電加速度計(jì)要堅(jiān)固，因此一般用于特殊環(huán)境（超低溫、超高溫等）的測(cè)量。第29頁(yè)，共31頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)33分，星期四2、集成電路式壓電加速度計(jì) 此類加速度計(jì)使用了壓電