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模态激振器模态测试

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发表时间:2020-03-19 15:06作者:北京西科(WTC)来源:美国DataPhysics(迪飞)网址:http://www.zuikekao.com

激振器振动模态测试


模态分析是对被测结构的动力特性的研究。目的是识别被测结构的模态参数。模态是结构的固有属性,并由材料属性(质量,阻尼和刚度)以及结构的边界条件决定。每个模态都由固有(模态)频率,模态阻尼和模态形状定义。


模态测试是测量结构频率响应函数的过程。用户负责选择合适的传感器,通道耦合,频率范围等,以高精度获取系统频率响应功能。


被测结构需要被激发,并在被测结构上的各个测量点上产生足够的响应。通常,在实验室中可以使用冲击锤,单个激振器或多个激振器来激发DUT(被测结构)。在现场,可以在某些测试没有激励力的情况下测量工作响应。



本文将详细讨论激振器激发技术。


结构互易


结构互易性指出,由于在B点的激励,在A点的响应,等于在A点的激励在B点的响应。


利用该定理,减少了理解结构所需的数据量。简而言之,只需要1行或1列的频率响应函数即可表示被测结构。


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上图说明了具有所有9种可能的加速/强制频率响应函数的3自由度集总质量模型。注意,只有对角线(驱动点)测量是唯一的。下图显示相位的对称性,而上图显示幅度对称性。



激振器振动模态测试


如下图所示,通过激振器在单个点激励被测设备,并在被测设备周围分布加速度计以测量相应的响应。


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记录每个频率响应函数的DOF(激励(参考)和响应点的点和方向信息)。自动化有助于简化簿记。DOF信息随每个测得的频率响应函数一起保存。因此,可以使用模态软件将每个“频率响应函数”与结构的几何体相关联,以在以后执行模态形状动画。


模态激振器用于模态测试。它们相对简单地附着到被测结构上。它可以悬挂在一根松紧的松紧绳上,也可以在地板支撑下操作。固定振动筛以进行模态测试总是要花时间和精力。但是,这值得付出努力,因为可以使用高通道数动态信号分析仪快速获取频率响应功能。


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如上图所示,以确定的激励来激励测试结构,并测量相关的响应。这两个量的快速傅立叶变换之比是频率响应函数Hij。这描述了在点i处被单位力激发时在点i处的响应。


在我们要用n个点描述动态行为的结构中,可以测量n个不同的频率响应函数。每次测量代表一个自由度。为了完整描述结构的动态行为,可能有必要在x,y和z方向上进行测量,在这种情况下,对于n个测量点,将存在3xn个自由度以及3n x 3n个不同的频率响应函数。


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为了传递激励力,可以使用托管架,如上图所示。基本上,毒刺使振动筛系统与结构分离,并将驱动力传递到结构。刺针本身在轴向方向上是刚性的,而在横向方向上是柔性的。力传感器测量并通过传感器的刚性套管将轴向力传递到结构中。因此,由托管器通过力传感器传递到结构的任何侧向载荷都是隔离的,无法测量。经过适当设计,选择和对齐的毒刺将减少潜在的噪音问题。


阻抗头被连接到被测结构的选定驱动点。它是一个力传感器和一个加速度计。同时测量激励点和驱动点处的响应非常有用。


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被测结构通常通过柔性悬挂物(即松紧绳)悬挂。这就是所谓的自由边界条件。也可以在安装或操作条件下对被测结构进行模态测试。相同类型的边界条件可以应用于振动筛安装。


左上方的图提供了外部支撑的反应。振动筛安装在耳轴内部,并由地板支撑。当可以使用诸如橡皮筋绳之类的灵活装置支撑DUT时,通常用于较小到中等的DUT。但是,必须确保振动筛支架没有共振。


右上方的图通过激振器惯性提供了反应激励。这种安装方式会限制作用力,但如果需要更大的驱动力,则可能会向振动筛添加额外的质量。


通常,以上设置仅在悬架频率远低于模态测试的最低关注频率时才起作用。


为了进行模态测试,所有必需的信息都围绕着动态质量小的共振频率。这导致对模态测试所需力的要求大大降低。这个想法是要从所有测量点获得足够的响应水平和足够的信噪比。在这种情况下,不需要非常大的模态激振器。


不同类型的激励信号


通过振动筛激励,可以使用不同类型的信号来激发被测结构。通常,激励信号可以是随机的或正弦的。


甲随机信号是一个信号,其中幅度和瞬时频谱的给定频率的相位随机地改变从记录到记录。因此,通过求平均值,它将对由随机信号激发的非线性系统的频率响应函数给出线性近似。这在基于线性模型的应用中很重要。


除了其自动频谱之外,随机信号还可以通过其振幅概率密度来表征。振幅概率产生高斯分布特征。


可以容易地将随机信号限制在目标频率范围内,以获得最佳动态范围。


应使用Hanning窗口以最大程度地减少分析中的泄漏。


随机激励的最重要的优点是它为非线性系统提供了最佳的线性逼近。波峰因数通常为3至3.5。随机信号同时激发所有感兴趣的频率,因此,该技术总体上是快速的。但是,泄漏是随机激励的问题。因此,平均需要汉宁窗。


甲突发随机信号是与瞬态时间窗加权的随机信号。瞬变窗口必须与分析触发器同步。这可以通过分析仪的源触发类型来实现。必须设定突发窗口的长度,以使其在停止时必须有足够的时间来允许结构响应衰减。这是为了防止泄漏。


由于信号的随机性,可以以与随机信号相同的方式获得系统的最佳线性逼近。正确设置突发随机信号的百分比后,所得的频率响应函数可以无泄漏。它花费与随机信号大约相同的时间。但是,由于对RMS值的贡献,波峰因数高于随机测试中的波峰因数,而由于信号上的时间窗口,该值受到限制。


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轻微阻尼的结构在被纯随机噪声激发时会缓慢衰减。当FFT采用“力和响应”时间帧时,某些运动是由于早于捕获帧施加的力引起的。所看到的力量将刺激继续超过当前框架的反应。这等于泄漏,并导致每个谐振周围的低相干性。


利用突发随机信号,它将一些随机噪声门控为瞬态激励。在门的单个持续时间内对观察到的力的反作用力比捕获窗口短得多,从而使其可以包含在一帧中。如上图所示,这消除了泄漏,如改进的相干性所示。显然,与右边的随机信号激励相比,突发随机信号激励的相干性提高了很多。


正弦激励也显示为可用。对于正弦信号,波峰因数为1.414,小于2。波峰因数低意味着在高峰值可能会引起问题的情况下,正弦激励是一个不错的选择。正弦激励可用于研究被测结构的非线性。对于给定的频率,可以使用不同的输入电平进行多次测量。


必须使用扫描技术来覆盖较宽的频率范围。扫描速率必须足够低,以允许系统时间响应不断变化的频率。结合峰值保持平均值,这是可能的。


也可以使用步进正弦波类型的测试。通过步进正弦测试,可以通过一次测试一个频率点来构建频率响应函数。显然,这种测试需要时间。但是由于能量一次集中在一个频率这一事实,它提供了高精度结果。


正弦技术的最重要优点是它使非线性研究成为可能。




线性调频线性调频脉冲是一个快速扫描的正弦波,在一个帧时间T内都具有指定的低频和高频。它基本上具有“正常”伪随机信号的所有优点和缺点,但波峰因数较低。


线性调频信号具有理想的频谱形状:平坦的幅度频谱和平滑的相位频谱。这对于研究具有非线性行为的结构特别有用。


最后的想法


上面详细讨论了具有振动台激励的模态测试技术。除了本文讨论的主题外,另一个关注点是为单个参考点测试选择正确的驱动点。通常,可以测试一些试驾点。目的是在结构上找到合适的点来连接激振器,以激发所有模式。关键点测量是测试中最重要的测量之一。


通过为被测结构测量整套频率响应功能,可以使用模态分析软件包来识别模态参数。确定的全局参数是自然频率,阻尼和振型。


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