振动激励技术

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振动激励技术

文章目录

• 1. 锤击激励技术
• • 1. 力锤
  • • 1.1.1 相干
    • 1.1.2 力窗
    • 1.1.3 预触发延迟
    • 1.1.4 连击
    • 1.1.5 互易性
• 2. 激振器激励技术
• • 2.1 激振器设置
  • 2.2 正弦扫频激励
  • 2.3 纯随机激励
  • 2.4 伪随机激励
  • 2.5 周期随机激励
  • 2.6 猝发随机激励
  • 2.7 正弦快扫激励
  • 2.8 数字步进正弦激励
  • 2.9 多输入多输出（MIMO）测量
  • • 2.9.1 多输入与单输入相比

1. 锤击激励技术

锤击激励技术是当前最为主流的振动激励技术，其优点为便携性，缺点信号采集泄露问题，虽然激励信号能够在一个采样中被完整记录下来，但是响应往往比较长（响应按照周期衰减进行），导致一个采样不能完整记录信号，一些信号被泄露，泄露会使频响函数计算的往往不准确。

1. 力锤

力锤的类型包括：软的橡胶头、空气胶囊头、塑料头和金属头等类型。一般来讲，锤头越硬，能够激起的频率范围就越宽，锤头越软，能够激起的频率范围就越窄。

1.1.1 相干

在评估一次测量质量的好坏时，我们通常采用相干来判断，相干接近1时，说明测量质量较好，在反共振点，由于响应较小，信噪比低，因此测量出的相干较低，这是正常现象，不意味着测量质量差。

1.1.2 力窗

有时在测量信号时，输入端信号噪声较大，为了滤除噪声，通常在输入信号后加一个力窗。

1.1.3 预触发延迟

在测试时，由于信号分析仪需要一定的延迟才能开始收集信号，如果在敲击时刻作为采集时间零点，将造成部分信号丢失，因此测量时往往采用预触发延迟的方式。值得注意的是，输入延迟了多少，输出也要响应的延迟所少。

1.1.4 连击

连击出现的原因有时是因为认为失误导致的，但是在更多情况下是由于结构阻尼较小，响应迅速，从而造成连击。后一种情况显然是无法避免的，但是我们仍然可以得到真实的频响函数。

1.1.5 互易性

我们已经知道，测量频响函数的一行或者是一列就可以得到系统的振型与频率，这是一种理想情况，但是在实际情况中，仅测量一行或者是一列却是不够的，这是因为所激励的这个点只能激起一些模态，而另外一些模态却无法激起，所以要敲击多个点来得到多组数据，另外，多组数据对于进行模态估计也是非常有利的。综上，我们在实际的模态测试中，尽可能选取多点敲击（固定力锤）或者多点测量（移动力锤）。

2. 激振器激励技术

2.1 激振器设置

一个典型的激振器如下图所示：

激振器的测试原理是通过信号发生器将力信号通过顶杆传到结构上，因此必须保证顶杆传到结构上的力只有沿着顶杆轴向的拉力（压力）。顶杆有许多不同的类型，例如：钢琴丝、细金属杆，金属杆、塑料杆等。一般而言，小顶杆用于小型、柔性的结构，大的、硬的顶杆用于大型结构。

2.2 正弦扫频激励

正弦扫频是力频率从低频到高频扫过，进而测量输出信号。优点：信噪比高、总RMS量级（均方根值）好，适合测试系统的非线性。缺点：测试时间长，信号泄露问题严重，不能采用FFT技术。

2.3 纯随机激励

纯随机激励最大的问题是输入输出信号严重泄露，误差很大。如果多次测量平均，则可以改善测量质量，不过效果肯定不如其他随机激励技术。在进行纯随机激励时，如果可以对输入与输出加窗，则可以改善信号的周期性，但是仍然无法解决信号泄露的问题。不过优点是随着多次平均，可以消除系统的轻微非线性。

2.4 伪随机激励

伪周期信号是频域的多条谱线合成而来的信号（虽然看起来像随机信号，但是本质依然是周期信号），这样就解决了纯随机激励的信号泄露问题，但是问题在于，由于每次输入的信号都是同一种信号，因此无法使用平均的方法消除系统的非线性。

2.5 周期随机激励

周期随机激励正是为了解决伪随机激励每次输入一样的问题，它通过每次输入前在频域生成一个不一样的频谱，建立一个新的周期信号（该信号看起来随机，但本质上依然是周期激励），但是这种信号在技术和时间上成本较大。

2.6 猝发随机激励

猝发随机信号是随机信号只输出一部分，以保证在一个采样内被完全记录，该方式具有纯随机、伪随机、周期随机激励的所有优点，且没有上述激励方式的缺点。猝发随机激励要保证信号的输入与输出在一个采样内被完整的记录下来，如果输出没有被完整记录，则要缩短信号的猝发时间。

2.7 正弦快扫激励

正弦快扫类似正弦扫频，但是区别是信号能够在一个采样内被完整记录下来，可以使用FFT技术，该测试保留了正弦扫频的优点，可以测试轻微非线性结构。

2.8 数字步进正弦激励

数字步进正弦激励是在离散频率下产生的正弦信号，保留了正弦扫频的优点，同时适合FFT分析仪处理数据。一旦产生一个可以接受的测量，信号就会步进到下一个测量频率，直到所有离散频率都测试完成。

2.9 多输入多输出（MIMO）测量

进行多输入多输出（MIMO）的方式进行激励，相较于单输入单输出（SISO）的优点是：激励能量分布更加均匀，可以更加容易的激起所关心的模态，使结构更好的接近线性。

2.9.1 多输入与单输入相比

进行多输入多输出（MIMO）测量最佳的方式是多个激振器同时安装在被测结构上，如果先测量一点，再测量另一点，则激振器的移动会造成两次测量结果的不一致，并且两次测量之间环境的改变也会使得系统模态的测量不一致。
多输入测试时，每个输入必须与其他输入不相关，另外也得保证激振器与结构之间不会发生动力耦合。