实例解析模态试验中激振器激励与锤击激励的异同

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　　试验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA)的目的是测量系统的模态参数，即模态频率、模态阻尼、模态振型、模态刚度和模态质量，这些模态参数描述了系统的振动特性。

　　模态分析试验研究的一个重要环节是给结构施加一个动态激励，激励可以加在结构的单一作用点上，也可以同时在多个点上。施加激励的目的是使结构在所选定的频率范围内振动起来，并要求所施加动态力是可以测量的，结构对激励力的响应也是可以测量的。数据分析系统把收集到的信号数字化，并用它们计算频响函数，频响函数是估计模态参数的基础。

　　显然，激励是模态试验过程的重要组成部分，它使结构产生振动，这是通过实验研究任何物体的动态特性的必要条件。

　　北京东方所协同铁道科学研究院分别使用激振器及力锤对某型号动车组轮对进行模态测试，本文以此次试验为例，说明模态试验中使用激振器及力锤激励的试验配置，操作流程及区别。

　　图1 动车组拖车轮对

　　试验配置

　　1. 使用力锤激励时的试验配置
　　使用力锤激励进行模态试验的配置如图2所示，主要包含采集仪，带力传感器的激振力锤，加速度传感器等设备。

　　图2 力锤模态试验配置

　　2. 使用激振器激励时的试验配置
　　使用激振器激励进行模态试验的配置如图3所示，主要包含采集仪，激振器及功率放大器，柔性杆，阻抗头，加速度传感器等设备。需要注意的是，如果采集仪没有DA输出功能，可使用信号发生器代替，但进行MIMO试验时为保证激励信号的线性无关不能使用一路DA同时控制两个激振器。此外，如果没有阻抗头，需使用能测量拉压力的力传感器。

　　图3 激振器模态试验配置

　　激振器激励与力锤激励的区别

　　使用激振器激励及力锤激励从理论上看没有任何区别，但是从试验过程，数据处理的角度考虑则有些许区别，下面主要从试验设置，信号处理两个角度说明两者区别。

　　1. 试验设置的区别
　　在进行模态试验时，使用力锤可以方便的移动激励点，这在固定响应点移动激励点的SIMO或MIMO试验中是非常重要的。力锤激励法不需要与试件有任何连接，所以不会出现附加质量误差。但是在力锤使用时，需要测试者具备一定的测试经验，每次敲击的力度、方向与敲击点要尽量一致，以保证数据具有更好的互异性。同时要避免连击，防止力谱中出现周期的下坠。

　　此外，为了保证各响应点都具有较好的相干函数，在激励一些重量及阻尼都很大的结构时往往需要较大的激励力，过大的激励力会激起局部模态影响测试结果，在进行此类结构测试时应使用“重锤轻敲”，使激励能量更多的集中在低频。

　　相对于力锤，激振器的激振力更易于控制，激振力的峰值与有效值比更小，且可以使用多个激振器同时激励结构，向结构输入较小峰值的激振力便可获得满意的相干函数，避免激起结构的局部模态或非线性成份。但是使用激振器进行模态试验时，必须使用柔性杆将激振器与结构相连接，往往会引入附加的质量和刚度，这在轻型结构及对称结构的模态试验中通常会对结果造成较大影响。进行MIMO试验时，在不增加试验时间的基础上增加参考点数量会需要使用更多的激振器，提高试验的经济成本。

　　此外，使用激振器时有时会需要固定工装以固定激振器，大型激振器及其配套的功率放大器需要大功率的电源供电，这在非实验室环境下的现场模态实验中是必须考虑的问题。

　　2. 信号处理的区别
　　使用力锤激励时，力信号的作用时间很短，需要较高的采样频率进行采样以保证采集到的数据与实际输入结构的激励力一致。而高采样频率会降低响应信号的频率分辨率，因此在力锤模态试验中应尽量使用变时基技术。

　　力锤激励信号是一个很窄的脉冲，其后跟着一长串零，这样的信号泄露可以降到最小，但脉冲后的噪声可能会降低力信号的信噪比，因此在力锤频响函数计算时需要对力信号使用力窗，将脉冲后的波形置零，使用力窗需注意力窗的边界不要切到力信号或由采样频率较低造成的“振铃”波形。系统阻尼较大但采样周期较长时，力锤激励的响应信号也会存在与力信号一样的问题，解决办法是对响应信号使用指数窗，但指数窗会引入附加的阻尼，计算时应修回。

　　激振器激励信号及响应信号的处理应视选择的激励信号类型而定，例如窄带随机信号应使用汉宁窗可减少泄露造成的影响。使用多激振器进行激励，加速度传感器采集到的响应信号是由多个激振器提供的激振力引起的，计算频响函数时应使用多输入频响函数算法。

　　试验模态分析结果

　　本次实验使用力锤及激振器分别对结构进行并进行测试，力锤分别在车轮及车轴共八个位置进行激励，激振器安装分别再车轮及车轴上各一个位置进行激励。下图是对力锤激励和激振器激励获得的数据进行模态拟合时的稳定图对比。

　　图4 力锤(上)与激振器(下)PolyIIR算法稳定图对比

　　图5 力锤(上)与激振器(下)PolyIIR算法局部稳定图对比

　　从图4可以看出，复模态指示函数(CMIF)的峰值位置相同，说明使用力锤及激振器进行激励得到的模态频率基本相同。

　　图5是图4中第六个峰值位置的局部放大显示，对比两图可以看两点差异：

　　    · 其中一个激振器激励位置位于一侧车轮的横向位置，破坏了结构的对称性，导致在此峰值位置的有两个峰，相对于激振器激励数据的CMIF曲线，力锤激励的两个峰区分并不明显，这是由于响应信号加入指数窗平滑造成的，但是通过多条CMIF曲线仍很好的指示出了此处模态的数量;

　　    · CMIF曲线数量与参考点数量相同，该位置有四阶密集模态，力锤激励时设置了八个参考点，所以CMIF曲线很好的指示了该位置的模态数量，而激振器激励时设置了两个参考点，且一个在车轮上一个在车轴上，致使CMIF未能很好的指示该位置的模态数量。图6为该位置处密集模态振型，四阶模态具有较好的正交性。

　　图6 四阶重根模态振型

　　结论

　　本文主要得到以下三点结论：

　　    · 力锤激励与激振器激励各有优缺点，激振器对激振力的控制更好，力锤对结构的附加影响更小;


　　    · 力锤激励与激振器激励在信号处理方法上略有不同，分析时应提起注意;


　　    · 在对具有多密集模态的结构进行试验时，应注意激励方式及参考点数量的影响。

　　本文转载自COINV东方所振动噪声测试微信号(ID：coinv2016)。

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