《模态分析与综合技术》05信号测量分析与处理-01信号测量

第7章模态测试技术7.1引言

模态测量方法可分为两类，第一类是仅测量响应，这种方法存在以下缺陷：无法判断一个大的响应是由大的激振力还是共振引起。

第二类是同时测量输入与输出。有两种方法供选择，其一就是SIMO，对结构某点激励，测得所有点响应。其二就是MIMO，对结构某些点激励，测得所有点响应。第7章模态测试技术7.1引言

对于一个确定的实验对象，一般的振动测试系统由以下三部分组成：

激振部分-输入拾振部分-一次仪表显示、分析部分-二次仪表如果进行模态实验分析，上述三部分可更详细地叙述如下：第7章信号测量7.1引言

将实验结构以适当方式支撑起来选择适当方式激励实验结构，通过拾振系统测量激励和响应的时间历程将记录到的激励和响应时间历程信号送入A/D，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号把上述时域数字信号进行FFT转换，转换到频域模态参数识别第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

试验结构分为原型和模型两种。采用试验模型时，需要根据相似理论制作模型，不仅考虑几何相似，还要考虑动力相似。无论原型或模型，试验结构的边界条件都是要考虑的重要因素，不同的边界条件的结构特性可能完全不同。如自由梁、悬臂梁、简支梁。必须要正确模拟被测结构的边界条件。从力学意义上考虑，边界条件可分为几何边界条件（位移）、力边界条件、运动边界条件等。第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

在模态试验中对系统固有特性影响最大的是几何边界条件。试验结构通常的支撑根据几何边界条件划分为：自由支撑、固定支撑、原装支撑。若被测结构是完整的，则模态试验中的边界条件也应是完整的，即应符合实际工作状态。如果采用模态综合法将被测结构分为子结构来进行模态试验，则边界条件应以模态综合法的要求确定。下面介绍常见的支撑：第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

1自由支撑有些振动结构的工作状态为自由状态（自由体），如飞机、火箭等。这类结构在做整体模型试验时，要求具有自由边界条件。其实，很难完成完全自由的约束状态（太空零重力环境和飞行器俯冲失重）。只能说近似自由（某些自由度的自由）。经常采用的方式有橡皮绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、弹簧支撑（空气、螺旋）等。由于悬挂或支撑的刚度较小，故对结构的弹性模态影响不大。第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

1自由支撑如果能将自由支撑点选在结构上所关心模态的节点附近，并使支撑体系与该模态主振动方向正交，则自由支撑对该阶模态的影响将降低到最低，可达到最理想的效果。有些边界条件非完全自由而受弱约束的结构也可以采用自由支撑。如轮船等。第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

2固定支撑

固定支撑（刚性支撑）用于结构承受刚性约束的情形，如高层建筑、大坝、刚性基础的机械结构等。固定支撑要求支撑具有较大的刚度和质量，才能减少对结构高阶模态的影响。一般以实测支撑系统的最低固有频率大于所关心的结构最高固有频率的3倍为参考标准。AB第7章信号测量7.2试验结构的支撑方式

3原装支撑

原装支撑是广泛应用的一种支撑方式。前面介绍的自由支撑和固定支撑是原装支撑的特殊情况。对于完整结构来说，原装支撑是最优边界模拟。现场模态实验和实验室模态实验。大多数模态实验是在静态（被测结构处于静态）下进行的。有些结构在静、动态下的特性相差较大。如具有滑动轴承的转子等，欲获结构在动态下的固有特性，应在运行状态下进行模态试验。第7章信号测量7.3激励方式

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单点激励单点激励是最简单、最常用的激励方式。所谓单点激励，是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向，而在其他任何坐标上均没有激励作用。单点激励是SISO参数识别所要求的激励方式。单点激励之所以有效，是建立在振动系统的可控性（能激发出系统的各阶模态）和可观性（测量出的输出信号中包含各阶模态的信息）假设基础上的。第7章信号测量7.3激励方式对于中小型结构的模态分析，采用单点激励即可获得较满意的效果。对于大型、复杂结构，单点激励往往丢失模态，或由于激励能量有限而得不到有效的高信噪比信号，有时甚至无法激起结构的整体振动，导致模态实验彻底失败。1单点激励第7章信号测量7.3激励方式

多点激励是指对多个点同时施加激振力的激励方式。显然，输入系统的激励能量会成倍增加，同时，也增加了激振的复杂性（激励设备复杂，可采用单点分区激励技术）。多点激励具有以下特点：

（1）不易遗漏模态；

（2）输入能量大且传递均匀，信噪比好。2多点激励第7章信号测量7.4激励装置

激励有人工激励和自然激励。人工激励即通常所说的激励，根据需要通过一定的激励装置施加于被测结构上。大部分人工激励可控和可测，做模态实验绝大部分情况是使用人工激励。

自然激励（环境激励）是施加于实体结构上的自然力，如风载荷、波浪载荷、机器运转时的动力源等等。自激励一般是不可控、不可测的。使用自激励通常只能测得响应信号。第7章信号测量7.4激励装置下面讨论模态实验中经常使用的人工激励。典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、阶跃激励装置。1激振器系统

激振器一般必须与信号发生器、功率放大器一起组成激励系统才可使用。激振器系统如图所示。第7章信号测量7.4激励装置由激振器系统产生的激励信号广泛，可控性强，自动化程度高，因而是最常用的激励装置。

（1）信号发生器信号发生器提供激振器所需要的激励信号源。信号源类型一般有以下几种：①稳态正弦信号；

1激振器系统第7章信号测量7.4激励装置

②周期信号；③随机信号；④猝发信号。信号发生器提供的激励信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。数字式信号发生器提供的信号质量较模拟式信号要高得多，故逐渐成为主流信号源。无论是数字信号发生器，还是计算机辅助产生的信号源，最终均以模拟电压信号输出。1激振器系统第7章信号测量7.4激励装置（2）功率放大器信号发生器提供的激励信号主要是包含特定频率成分和作用时间的电压信号，一般能量很小，无法直接推动激振器，必须经过功率放大器进行功率放大后转换为具有足够能量的电信号，驱动激振器工作。

根据负反馈类型不同，功率放大器分为定电压功率放大器和定电流功率放大器。

1激振器系统第7章信号测量7.4激励装置（3）激振器振动测试技术中的激振器种类很多。按工作原理来分，有机械式、电动力式、压电式、电磁式、涡流式和电动液压式等等；按接触形式不同可分接触式和非接触式两种。电磁式和电涡流式激振器属于非接触式激振器，其余属接触式激振器。1激振器系统第7章信号测量7.4激励装置

（3）激振器

1激振器系统不同激振器的用途不同，在模态实验中，常用电动力式和电动液压式激振器。

电动力式激振器基本原理是电磁感应定律，通电导体在磁场中受力，将由功率放大器提供的激励电信号转换为激振力信号。

电动力式激振器具有频率范围大(上限30kHz，下限1～3Hz)，激振力幅值、频率及相位易调等优点。第7章信号测量7.4激励装置

（3）激振器

1激振器系统

电动液压式激振器是一种电控制、液压驱动的激振器，结构要比电动式激振器复杂得多。它由电动部分、液压驱动部分和激振部分组成。工作原理是，经功率放大器放大的激励信号送至电动部分，经液压驱动部分将激振力放大。

电动液压式激振器是一种大型激振设备，可承受几千牛顿的预压力和高达几百千牛顿的激振力。第7章信号测量7.4激励装置

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冲击锤冲击锤又称力锤，是模态实验中另一种常用的激励装置。目前冲击锤多用于SISO参数识别方法中。锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激励只需一把冲击锤即可实现，比激振器系统要简单得多。第7章信号测量7.4激励装置

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冲击锤冲击锤锤帽可更换，以得到不同的冲击力谱。冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同能量的激励信号。对普通结构，用SISO频域法做参数识别时，使用冲击锤一般能得到相当满意的结果。加之激励设备简单，价格低廉，使用方便，对工作环境适应性较强，特别适于现场测试，故一般工程测试单位中均将锤击激励作为优先考虑的激励方式之一。第7章信号测量7.4激励装置

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冲击锤

通常力锤难以对大型结构进行激励,原因在于激励力的能量太小。东方所的弹性聚能力锤主体采用钢材料制成,力锤的头部用橡胶制成,在锤头和锤柄之间的弹簧装置,使力的持续时间达到20ms以上，激励力可达5～12.5吨。由于较大的激励力,力的能量也就足够大以激起桥梁的振动。又因为激励力的持续时间较长,使激励力的能量集中于低频。这种激励力则非常适合于大型低频结构的模态试验。第7章信号测量7.4激励装置

3阶跃激励装置

阶跃激励是模态实验中特有的一种激励方式，它是通过突加或突卸力载荷(或位移)实现对系统的瞬态激励。如使用刚度大、重量轻的缆索拉紧被测结构某一部分，突然释放缆索中的拉力，形成系统的一个阶跃激励。阶跃激励的特点：能量大；激励高频成分少。故适用于大型、重型结构的模态分析。

第7章信号测量7.5激励信号

了解激励信号是进行实验模态分析的重要环节。在制定模态实验方案时，必须根据被测结构特点、测试环境、现有仪器条件、测试精度等诸方面选用合适的激励信号。有时需要选择几种激励方式进行试测，以确定最优激励信号。模态实验中往往由于激励信号选择不当而无法收到满意的测试效果。模态实验中常用的激励信号分为稳态正弦信号、纯随机信号、周期信号和瞬态信号。第7章信号测量7.5激励信号1稳态正弦信号

稳态正弦信号是模态实验最早采用的一种激励信号。通过缓慢改变正弦信号的频率，可激发出系统的各阶主振动。

频率的变化必须足够慢，以使结构响应达到稳态。另外，还应注意，在共振区附近，信号频率改变量要小；而在非共振区，信号频率可以改变得多一些。一般在测试时，先初步扫频，根据响应确定系统的几个共振峰，再仔细扫频，获得详细激励与响应数据。第7章信号测量7.5激励信号

稳态正弦信号的优点是：激励能量能集中在单一频率上，测量信号具有很高的信噪比，因而测试精度很高；信号的频率和幅值易于控制。1稳态正弦信号第7章信号测量7.5激励信号2纯随机信号纯随机信号又称白噪声信号。理论上的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，在整个时间历程上都是随机的，不具有周期性。频率域上是一条平直的直线，包含0～∞的频率成分，且任何频率成分所包含的能量相等。

第7章信号测量7.5激励信号3瞬态信号

瞬态信号的形式和产生方式有多种：有信号发生器产生的扫频正弦猝发信号和随机猝发信号；有冲击锤产生的冲击信号和随机冲击信号；有阶跃激励装置产生的阶跃激励信号；有特殊装置如火箭筒产生的冲击信号等等。第7章信号测量7.5激励信号

3瞬态信号

由于瞬