实验模态分析的测试设备

实验模态分析（Experimental Modal Analysis）是以振动理论为基础，综合动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段，以模态参数为目标的试验，属于振动试验的一个重要分支。

模态分析试验在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及噪声控制分析等方面有重要作用，尤其是对基于有限元的结构动态设计和动态修改具有重要意义。

模态分析试验是已知激励和响应，求系统的模态参数。进行模态分析试验时，必须先用激振装置给被测结构施加一个振动力，由力传感器测量输入到结构的激振力；响应传感器测量被测结构的振动响应；分析系统将这些输入和输出信号进行离散化等一系列计算，并估计出模态参数。模态参数主要是指模态频率、阻尼和振型。

模态试验按激励方式可分为冲击力锤试验、激振器试验、阶跃激励试验等，本篇主要介绍激振器试验和冲击力锤试验两种模态试验的测试设备。

模态分析试验的设备由以下三大部分组成。

① 激振装置：包括信号发生器、功率放大器、激振装置。

② 拾振装置：包括力传感器、响应传感器、适调放大器。

③ 数据采集与分析系统。

一、激振装置

模态试验的激振装置通常有激振器（Exciter or Shaker）和冲击力锤（Impact Hammer）。激振器试验是模态试验的主要形式，优点是激励能量较大，且易于控制，测试速度快；冲击力锤试验应用得非常广泛，其突出优点是激振设备简单，可以方便随意地选择激励点，特别适合于现场测试，而且不给被测结构附加任何质量，因而不会影响试件的动态特性。

模态试验中常用的激振器均需与信号发生器、功率放大器一起组成激励系统方可使用，信号发生器提供激振器所需要的激励信号源，功率放大器对信号发生器产生的信号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，如图1所示。

图1 激振器试验中激励信号的产生过程

（1）信号发生器

信号发生器提供激励信号。信号发生器可以是硬件设备，如B&K公司的1019正弦信号发生器；也可以由计算机软件实现，如LMS公司的模态测试分析系统就是由测试软件TestLab中的Source Control发出信号的。不过，无论数字信号发生器，还是计算机辅助产生的信号，最终均以模拟电压信号输出。信号发生器类型一般有以下几种。

① 稳态正弦信号：稳态正弦信号的频率可以缓慢变化，即慢扫频正弦信号，可以是连续慢扫频正弦信号或分段慢扫频信号。

② 周期信号：有多种类型，如快速扫频正弦信号、伪随机信号、周期随机信号等。

③ 随机信号：有纯随机（白噪声）、宽带随机或窄带随机倍号等多种类型。

④ 猝发信号：如扫频正弦猝发信号、随机猝发信号等。

（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。

功率放大器分为定电压功率放大器和定电流功率放大器。定电压功率放大器保证输出信号电压恒定，不随负载变动而改变；而定电流功率放大器保证输出信号电流恒定。一般的功率放大器兼有这两种功能，使用更为方便。

在模态试验中，常采用定电压功率放大器进行频率响应测试，因为它具有很大的优越性，在系统进入共振区时响应增大，负载反射阻抗增大，电压恒定，电流减小，通过激振器产生的激振力幅减少；在反共振点附近，响应减小，负载反射阻抗减小，功率放大器输出电流增大，激振力增大。但在进行适调多点激振和多输入多输出频响函数估计时，定电流功率放大器更加适宜。使用功率放大器时要反复调试放大倍数，以便测量系统放大器不致过载，并具有较高的信噪比。

（3）激振器

模态试验中常用的激振器有电动式和电动液压式两种，对于轿车车身等小型机械结构和模型常用电动式激振器，图2是其基本结构原理图，它是一种对恒定磁场中的动圈供给交流电而产生激振力的装置，优点是只需要电源，使用起来更方便、灵活，工作频率宽，上限频率可达10kHz以上，下限频率可低至几赫兹；缺点是低频特性不好，对飞机、大型机床等超大型结构激励能量不够。

1—弹簧；2—壳体；3—磁钢；4—顶杆；5—磁极；6—铁芯

图2 电动式激振器原理图

对于模拟粗糙路面上行驶的卡车等大型或超大型结构需要用电动液压式激振器才能获得足够的能量和良好的低频特性。它由电动部分、液压驱动部分和激振部分组成，结构要比电动式激振器复杂得多。其工作原理是激励信号经功率放大器放大后送至电动部分，再经液压驱动部分将激振力放大，最后由激振部分输出至结构上产生足够大的激振力。可产生大小为几百千牛顿、频率1Hz以下的激励力，可动行程可达1m；缺点是比较笨重，使用不太方便，且频率上限较低，一般不超1000Hz。

二、激振器的支撑方式

为了使激振器产生的激振力能够有效地施加到试验结构上，需要结合试验结构的动态特性、激振器的动态特性、激振器的安装条件等多种因素。常用以下三种方式支撑激振器。

1. 刚性固定在基础上

将激振器外壳刚性地固定在基础或支架上，如图3所示。理想情况下，基础或支架应是刚性的；实际上，这种理想情况很难达到，基础或支架总是弹性的。激振器与基础部分组成振动系统的第一阶固有频率称为安装频率。刚体支撑要求安装频率远远大于工作频率。所以，此种情况适用于工作频率不高的试验结构。

图3 激振器刚性地固定在基础或支架上

2. 弹性固定在基础上

如果试验结构的固有频率很高，工作频率不能满足远远低于安装频率的条件，则刚性支撑效果将很差。这时，可采用相反的一种安装方式即弹性固定在基础上的支撑方式，如图4所示。此时安装频率远远小于工作频率。弹性支撑一般用低刚度的软弹簧或橡胶绳实现。在这种支撑下工作时，激振器可动部分和不动部分质心基本保持不动。这种固定方式的缺点是激振力偏小。

图4 激振器弹性地固定在基础上

当激振器在低频工作范围内工作时，为了产生足够大的激振力，宜在激振器外壳上附加质量块。

3. 弹性固定在试验结构上

上述两种方式都是将激振器安装在基础上。有些情况下，试验现场难以找到安装部位，特别是一些大型结构，如桥梁、飞机、桩基、采油平台等，往往无法在周围的基础上固定激振器。这时的解决办法是将激振器弹性地固定在结构本身的适当部位，如图5所示。对大型结构，激振器的附加质量是微不足道的。

图5 激振器弹性地固定在试验结构上

值得注意的是，应使支撑刚度尽量减小，以避免由支撑传到结构上的力较大而产生明显的多点激励。

以上三种支撑方式都适于单点激励，只有刚性支撑适于多点激励。

三、激励信号频率带宽

根据所关心的频率带宽选择激励信号频率带宽，要避免激励信号的频率超出关心的频带之外，否则频带外的信号可能会占据测量系统动态范围的很大部分，降低频带内数据的精度。

四、冲击力锤

冲击力锤是和力传感器结合在一起构成一个仪器使用的，如图6所示，除锤体和锤柄为一体外，其余部件均可更换。

1—锤体；2一力传感器；3一锤帽；4—锤柄；5一附加质量

图6 带力传感器的冲击力锤

冲击脉冲的特性决定于操作者用力大小、锤子的重量、锤头的硬度以及结构被敲击点的弹塑性。

理想的脉冲信号是δ函数，其频谱为一水平直线，包含所有频率成分，如图7所示。实际的冲击激励信号是一有限宽度和有限高度的脉冲信号，图8所示为实测脉冲信号的时间历程图和频谱图。脉冲激励信号宽度τ表示激励作用时间，高度A0表示冲击力幅值，曲线下面与t轴所围面积表示冲击力的冲量。可以看出，在低频段能量近似均匀分布，而在高频段能量逐步衰减；可见，实际冲击激励的力谱总是有限带宽上的频谱，其有效频带只是低频部分。所以，冲击激励的高频响应较差。自谱曲线与水平频率轴所围面积表示冲击力输入给结构的总能量。

图7 理想的脉冲信号——δ函数

实测脉冲信号——时间历程

图8 实测脉冲信号——频谱图

对于单次冲击激励，要想在关心的频率范围内获得较理想的冲击脉冲函数，应注意以下几个因素。

1. 选择锤体的质量来控制输入能量

力脉冲的能量来自冲击锤的动能（1/2mv^2），决定于冲击锤的质量和速度。精确控制冲击锤的速度较难做到。因此，一般靠调节冲击锤的质量控制输入结构的能量。

冲击锤的质量包括锤体、锤帽、附加质量及力传感器的质量。冲击锤有多种规格，小到二三十克，大到几千克、几十千克。根据不同的试验结构，选择不同质量的冲击锤。

2. 选择锤帽的刚度来控制能量分布的因素

影响冲击能量分布的因素有两个：脉冲的宽度τ和高度A0。τ和A0越小，能量分布越平缓；反之，能量变化越大。力脉冲宽度τ决定于锤帽与结构的接触刚度。在结构一定的情况下，锤帽越硬即刚度越大，冲击时接触时间越短，力谱越平缓。实际操作时，通过更换不同材料的锤帽控制力的脉冲宽度τ。图9所示为使用三种刚度的锤帽测得的时间历程和冲击力谱曲线，锤帽的材质通常有钢、铝、尼龙、橡胶及允气锤帽数种。

图9 使用不同刚度锤帽测得的时间历程及冲击力谱曲线

另一种影响冲击能量分布的因素是力脉冲高度A0，它主要决定于输入能量的大小。由于控制输入能量的方法主要是控制冲击锤质量，故在相同冲击速度下，冲击锤质量越小，力脉冲高度A0越小，力谱越平缓。图10绘出了使用三种不同质量的冲击锤时测得的力谱曲线。

图10 使用三种不同质量的冲击锤时的力谱曲线

选择锤体质量与锤帽刚度是一对矛盾，因为冲击激励能量输入与频率范围是矛盾的。一方面，总希望结构能得到足够大的激励能量，以提高信噪比；另一方面，输入能量增大会导致频率范围降低，影响试验的高频特性。因此，必须针对实际情况综合考虑。

（1）尽可能将输入能量集中在所希望的频率范围内，要求此范围内的力谱曲线比较平直，下降（或上升）不超过10～20dB。

（2）力脉冲的宽度不宜太小，应至少采集到力脉冲主瓣的4个数据点。

（3）选择合适的敲击点。

与激振器试验一样，敲击点宜选在适当远离振动模态反节点的位置。如果结构各部分刚度变化较大，则敲击点宜选在刚度较大的部位。

（4）敲击周期的控制。

对单次冲击方式，每次采样包含一个力脉冲，敲击周期即采样时间。每次敲击的力度、延续时间应尽量相同。在一次采样中使信号基本衰减到零为好。

对随机冲击激励，每次采样包含多个力脉冲。力脉冲的个数视实际情况而定。各次冲击应尽量做到随机性，避免出现周期性。

（5）防止信号过载。

若冲击试验靠手工完成，则冲击试验中的过载是一个常见问题，要凭经验控制。在预试验中，应反复调整电荷放大器的量程，避免信号过载。

冲击力过大不仅会引起测量信号过载，有时还会使结构冲击部位局部变形过大而引起塑性变形。这也是应注意的问题之一。

另外还有预载-释放激励、声激励和磁激励等，其主要缺点是实际的输入力无法测量。

五、拾振装置

拾振装置是将输入到被测结构的信号和从该系统输出的信号进行测量的装置，包括力传感器、响应传感器。

模态分析试验中常用以压电晶体为敏感元件的传感器，分为电荷型和电压型两种。电荷型传感器的主要优点是动态范围大，工作温度范围大，但需要匹配相应的电荷放大器；电压型传感器不需要电荷放大器，使用方便，但需要一个外部恒流电源为其内部电路供电。传感器做得比较好的国外公司有美国的Endevco（恩德福克）公司、丹麦的B&K公司，它们的产品精度高、可靠性好，缺点是价格贵；美国PCB公司产品以大众化为主，特别是ICP产品是他们的一大优势；瑞士Kistler公司的传感器也不错；国内以联能公司的传感器性价比较好。

力传感器和响应传感器的选择主要取决于试验的频率范围、振动量级、允许的质量载荷大小、精度范围等。

1. 力传感器

模态试验中常用的力传感器如图11 所示，其主要特性指标是最大力、最低频率和最高频率以及灵敏度。应使模态实验要求的工作频率落在力传感器频响函数的线性段范围内，而且结合调整功率放大器的增益，使试验中可能产生的最大冲击力不超过力传感器冲击额定值的1/3。如果是电荷型的力传感器，应配合相应的电荷灵敏度和电荷放大器的量程，使其在测试过程中产生一个既不过载又不太弱的可供分析的电压信号。

图11 力传感器

根据所选激励方式确定力传感器的类型。比如，用激振器时，应选用组合型力传感器；如用冲击锤激励，宜选用冲击型力传感器。

2. 加速度传感器

由于位移传感器和速度传感器比较重，加速度传感器比较小，而且加速度信号可以通过积分电路正确积分，从而得到速度和位移，所以模态分析试验中常用加速度传感器，即加速度计，如图12所示。

图12 加速度计

加速度计的主要技术参数为灵敏度和动态范围。灵敏度分电荷灵敏度和电压灵敏度，电荷灵敏度为加速度计接收轴向单位加速度时所输出的电荷量；电压灵敏度为加速度计接收轴向单位加速度时输出的电压值。电压灵敏度与连接加速度计和电荷放大器的引线长度有关，而电荷灵敏度与引线长度无关。电荷灵敏度的单位为“Pc·s2/m”或Pc/g，g为重力加速度。电压灵敏度的单位为“mV·s2/m”。所选用加速度计的灵敏度还应与电荷放大器的量程相匹配。

横向灵敏度是加速度计另一个重要指标。制造误差及压电晶体片极化轴术规则等原因，使得传感器不仅接收轴向加速度，还部分接收横向振动加速度。横向灵敏度定义为传感器接收横向单位加速度所产生的电荷量。横向灵敏度不仅影响信号幅值的测量精度，更严重的是影响信号相位的测量。因此，横向灵敏度越小越好。加速度计在出厂前要逐个标定横向灵敏度，并将最小横向灵敏度方向用红点标注于外壳上。安装加速度计时，应将红点对准测点横向振动最大的方向，以最大限度减小横向灵敏度的影响。

动态范围是指加速度计有效工作频率范围，加速度计的下限频率可以为零，但电荷放大器有幅值下限频率和相位下限频率，幅值下限频率比相位下限频率低，如B&K2635电荷放大器幅值下限频率为0.2Hz，而相位下限频率为2Hz。不同的加速度计有不同的幅值上限频率和相位上限频率，一般情况下，相位上限频率比幅值上限频率低，所以，应根据试验所关心的频率范围选择传感器的有效工作频率，如图13为带电荷放大器的加速度计的有效工作频率范围。

图13 带电荷放大器的加速度计的有效工作频率范围

限制加速度计可用频率范围的另一个重要因素，即它与结构的连接方式。一般情况下，测试的最高频率不大于加速度计谐振频率的1/10，测试中可能产生的最大加速度不超过其额定值的1/3。

最后需要注意的是对于轻型结构，加速度计的附加质量影响应尽可能的小。可用如下方法鉴别加速度计的质量对试验结构动力特性的影响程度。首先将加速度计固连在试验结构上，测量该测点与激励点之间的频响函数；然后，在此加速度计上再安装一同样的加速度计，再次测量同一频响函数。比较两次测量频响函数曲线的差异，如果固有频率和幅值相差较大，说明此种加速度计对结构的附加质量有明显影响，如图14 所示。此时，应更换一质量更小的加速度计。然而，质量小的加速度计的灵敏度也小，所测信号信噪比会降低，必须考虑这一矛盾。

图14 加速度计对结构的附加质量的影响

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