纯模态试验基本原理

Amaris

锤击法以及多入多出模态试验方法都是先测试结构的频响函数，然后通过频响函数的幅值和相位识别被测结构的动力学参数。将这种基于频响函数的模态试验方法称为相位分离法。本文介绍一种使被测结构处于共振状态的模态试验方法—–纯模态。纯模态方法不测试结构的频响函数，所以为了区别于相位分离法，将纯模态试验方法归类于相位共振法。模态试验方法的分类如图1所示。

图1 模态试验方法分类

如图2所示是纯模态的试验原理，使用激振器输入一个频率与被测系统共振频率相同的正弦激励。激振器输入的能量与被测系统阻尼耗散的能量互相抵消，使被测系统处于准自由振动的状态。试验时，系统的输入能量和耗散能量达到平衡，可以将被测系统等效为无阻尼系统。所以纯模态试验和仿真中实模态分析的英文都是Normal mode 。

图2 纯模态激励能量示意图

纯模态试验的输入为单频正弦信号，激励和响应信号的信噪比都非常高。而且纯模态的频率分辨率可以达到千分之一赫兹，所以试验结果的精度也非常高。纯模态方法在航空、航天业有广泛的应用，比如飞机在进行颤振分析前需要对机翼进行纯模态试验，获取机翼的模态参数和模态参数随激振力幅值变化的规律。

因为纯模态是使结构处于共振状态，所以使用纯模态对飞行器进行模态试验的方法又叫做地面共振试验( Ground Resonance Testing，GRT ) 。纯模态试验的耗时较长，为了提高飞行器模态试验的效率，在实际试验时也会使用相位分离法。将这些获取飞行器模态参数的模态试验统称为地面振动试验( Ground Vibration Testing，GVT ) 。由于纯模态是飞行器模态试验的主要方法，所以试验人员仍然习惯称GVT为地面共振试验。

图3 纯模态激励

如图3 所示，纯模态方法的试验步骤是：
1. 使用单频正弦信号激励被测结构。
2. 调节正弦信号的频率，使其不断接近结构的共振频率。
3. 当结构处于共振时，激励信号的频率就是结构的共振频率。