脉冲激励模态试验----锤击法模态试验

szdlliuzm

　　脉冲激励模态试验

　　激振系统的配置及安装是最困难往往也是耗资最多的部分,其安装质量对试验结果影响又很大，而且激振能量分布太宽，太小的激振器对火炮系统容易显得激振能量不足。因此，简便的 "锤击法 "激振方法在火炮模态试验中得到广泛应用。锤击法使用带有力传感器的敲击锤，比起昂贵的液压式、电磁式或涡流式激振系统来说，极为便宜。敲击法全凭试验者熟练的手法，无须预先安装调整，对试件没有任何附加质量、附加刚度或附加阻尼。敲击法移动施力部位特别容易，可以在不允许安装激振器的部位实现激振，只要敲击力在火炮的强度、刚度或精度的允许范围内就行。
　　敲击时，锤头与试件之间的撞击力，在力传感器上产生一个接近半正弦的瞬时脉冲。脉冲激励与一定带宽的随机激励具有相似的力谱，从而能一次激出在此频谱内的各阶模态。但是脉冲激励与带宽随机激励之不同，可能存在旁瓣，这些旁瓣泄漏了大量的能量，且会引起频率叠混。
　　影响单个脉冲频谱特性的因素主要是脉冲宽度和脉冲形状。脉冲愈尖，持续时间愈短，频谱的平直性愈好，旁瓣泄漏愈小。如果力脉冲的频谱在感兴趣的频率范围内基本上是平直的，对于被击试件而言，相当于受到了一个宽带随机激励。因此，脉冲激励在原理上与稳态随机激励一致，只要能量足够，同时可以激出频带内的各阶模态。从理论上来讲，如果敲击锤与试件之间产生刚性碰撞时，力脉冲成为δ函数(脉冲函数)，即频谱具有无限平直性。 因此，刚性敲击相当于白噪声激励。当然，这在物理上是不能实现的。
　　力脉冲宽度直接影响力谱的频带宽度，它是锤击法试验首先要确定的。影响力脉冲宽度的因素主要有三个:力锤锤头和被击物的材料硬度，力锤的质量，被击试件的刚度。力锤及试件硬度愈高，则碰击的时间愈短。力锤的质量不但决定了锤击力的大小，也会影响到脉冲宽度，锤头质量大的碰击时间一般也较大：被测试件 的刚度愈大，碰击时间愈短。锤头质量大小，主要用于决定锤击力，由试验要求激振的能量决定。决定力谱的频带宽度主要通过选择不同的锤头材料(即锤头帽的材料)。锤头帽的材料一般有钢、铝、尼龙、橡胶等。如果试件材料为钢，用钢锤敲，在2kHz以内力谱基本上是平直的，用尼龙锤敲可得500Hz-800Hz的频带;用橡胶锤敲只能用于200Hz以下的低频试验。制造精良的敲击锤，其自身的频响(即假定试验是绝对刚性时)可以做得很高，但是，各种敲击锤及各种试件的组合，其可用的平直频带理论上是难以确定的，必须在正式试验前观察其力信号的自功率谱是否满足试验设计的要求。
　　锤击法能量小，而且与稳态随机类似，能量分布在一个频带上，因此信噪比低。数据中，只有有限的几个点是力信号，其余全部是噪声，噪声的能量与力信号的相当。锤击振动的响应信号是指数衰减信号，对于大阻尼系统，衰减很快，信号很快被噪声湮没。 为了提高信噪比，常采用负指数窗加权的方法，使脉冲存在时信号不产生畸变，在脉冲过后维持为零。若在一个采样长度上乘以负指数窗
　　则对信号前端的有用数据影响甚少，而对信号末端的噪声电平则大大抑制，从而提高了分析的信噪比。
　　负指数窗的另一个作用是增加了系统的阻尼。采用负指数窗后模态分析得到的阻尼比应是σk + α。这对小阻尼结构的分析带来了好处，使得在半功率带宽内取得的频率点增多。但是相邻模态耦合严重时，增加阻尼加剧了这种耦合，因此并非加负指数窗对分析都有好处。如果脉冲信号较强，噪声抑制较好，响应在--个采样长度内已经衰减得很小时，则力和响应可以不加窗。
　　脉冲试验还需注意的几个问题 :
　　(1) 敲击点与测点的布置。与各种模态试验方法一样，在火炮结构上应划分网格，网格划分应能与有限元计算进行比较，并使得到的振型能反映出火炮的动态特性。根据试验对象的特点和试验条件，可以固定测点，轮流敲击各不同网格点，也可以敲击同一点，在不同点测量。一般情况下后一种方案更有效，因为根据数据采集系统的通道数，敲一次可以同时采集多点响应信号，而且在不同点敲击，敲击力的方向及大小更难掌握，还有一些部位不允许敲击或地方受空间限制无法敲击等。由于锤击法信噪比低，只根据传递函数一行或一列的结果往往没有把握。最好能测定传递函数的几个列，即在固定一个敲击部位测量全部测点的响应后，改变几个敲击点重复上述过程。然后对各列的响应数据进行各种数学处理，可望得到比单独一列的数据更可靠的结果。
　　(2) 敲击力的大小应该能激出所有要分析的模态。而这一点单用敲击法是无法判断的，因此在正式试验前，应该用别的方法 (如正弦扫描、稳态随机等) 进行比较。此外敲击力的大小还应该保证在前置放大器及信号采集和处理设备中不引起过载。还要避免一次敲击下出现连击的现象，尤其是小阻尼及高固有频率结构，当击锤尚未取走时，反弹回来的结构又与锤头发生二次碰撞，使激励谱发生畸变，或造成不必要的触发采样。
　　(3) 力传递器的灵敏度一般是不会发生很大变化的，如长期不用，可按力传感器的校准方法进行标定。对于脉冲激励模态试验，重要的是系统标定，这是正式试验之前必须进行的。标定的方法类似于正弦慢扫描试验的系统标定方法，即用一个标准的质量块作自由--自由悬挂。将系统(包括质量块、力传感器、加速度计、数据采集和处理仪器等)进行适当次数的平均校准。
　　(4) 预触发延迟。由于冲击信号持续时间很短，完整的捕捉到它很重要。这就要求采集系统在冲击发生之前就开始采样，即要有预触发延迟。
　　(5) 力窗和指数窗。力窗用于去除冲击信号的噪声，理想情况下，冲击信号在很短的一段时间里是非零的，其余全为零。任何冲击信号以后的数据都被认为是噪声。力窗保留了冲击信号而使其它样点数据为零，以此去掉噪声。指数窗加到响应信号上以减少响应的频率泄漏。
　　(6) 接受与剔除。准确的冲击试验结果依赖于试验人员的水平 ,FRF 测量需要作多次谱平均。由于试验中总有一两次冲击不好，不能使用，这要求采集处理设备具有剔除功能，以节省试验时间。
　　总之，力脉冲激励方法是一种简便的模态试验方法，但为了得到可靠的模态参数，要求试验者有更多的经验以及反复多次的试验。

yangzj

刚辅助老师上了模态实验课，虽然我也只是第二次做。下个星期还有好几次。
值得注意的是，锤击法不适用于大阻尼系统。
另外，正如上面所说的，对于敲击很讲技巧，不能太重，不能太轻，最重要还不能连击。
每个测点需进行多次敲击进行平均，因此测点多的话，这种方法效率太低

zyq327739893

请教前辈;
我现在在做锤击试验，想请教前辈利用锤击响应序列怎样求出频响函数,进而识别模态参数！
我只知道单位脉冲响应的fft是频响函数。对具体数据就不会了

yangzhong_vp

如果我要对一个刚性物体做模态，使用锤击法的话，应该怎么放置要敲击物体？如果要把物体悬空进行敲击的话，传感器应怎样固定？
  http://www.vipc.com.cn/

[ 本帖最后由 eight 于 2008-5-4 18:48 编辑 ]

lidongjing

以后我也会用到，学习学习，谢谢楼主1

darwinkdk

楼主,能不能截几个软件的图下来,这样才直观嘛

xinghuoshi

如题。。。。

hcharlie

原帖由 szdlliuzm 于 2007-2-27 23:40 发表
　　如果力脉冲的频谱在感兴趣的频率范围内基本上是平直的，对于被击试件而言，相当于受到了一个宽带随机激励。因此，脉冲激励在原理上与稳态随机激励一致，只要能量足够，同时可以激出频带内的各阶模态。

　　本人对以上观点，即《脉冲激励在原理上与稳态随机激励一致》，《力脉冲的频谱在感兴趣的频率范围内基本上是平直的》。。。等等，十分不能苟同。
　　大家都知道，振动微分方程由通解和特解两部分组成，人们常常记得有强迫振动的特解的存在，而忘记了通解，通解是振动系统本身各自由度的自由衰减振动的组合。而利用《脉冲响应的Furier变换=频响函数》的原理衍生的锤击法模态试验正是一种利用自由衰减振动特性的试验方法，而绝不是什么与稳态随机激励一致的特解部分，冲击信号只是给各个模态一个通解的初始值而已。因此妄谈什么力脉冲的什么频谱在哪一段是平直的等等都是大笑话了!
　　怎样解释脉冲宽度对高频模态激励的影响呢?
　　我想应该从脉冲宽度对初始值的影响分析。
　　一个理想脉冲，力P=无穷大，时间T=0，但冲量PT为有限值，根据冲量定理，MV=PT。我们将M，V，PT都理解为各振动模态的广义参数，则V即为各模态的初始广义速度，由于T=0，所以初始(广义)位移=0。
　　如果脉冲宽度T大于另，激起同样的广义速度时的初始广义位移(速度的积分)也就不等于另了，跟理论情况出现差别，而且T越大初始位移越大，对高频模态影响也越大，想象一下，如果时间很大时，高频模态可能振了好几个周期，而衰减没了。
　　[ 本帖最后由 hcharlie 于 2010-7-9 17:29 编辑 ]

cquxl

昨天刚做了一个变速器箱体的模态测试
总体结果还是比较准的 但还是有些混乱
有时间发上来大家交流下

studysea

原帖由 hcharlie 于 2010-5-7 14:45 发表

本人对以上观点，即《脉冲激励在原理上与稳态随机激励一致》，《力脉冲的频谱在感兴趣的频率范围内基本上是平直的》。。。等等，十分不能苟同。
大家都知道，振动微分方程由通解和特解两部分组成，人们常常记得有 ...

我觉得hcharlie 主任应该是位搞理论分析的学者或者是学生,其实脉冲激励和稳态随机激励对于实验测试来说在原理上是差不多的,区别在于一些误差的来源不同...

hcharlie

　　模态试验是有多种方法：正弦法，随机法，脉冲法等。它们是基于不同的理论公式。
　　正弦响应和冲击响应都是所谓确定性信号，也就是理论上一点测一次就够了，实际上就有所谓“一锤定音”说;
　　随机法里根据公式的不同也有自谱法，互谱法求传递函数的，像Sy/Sx，Syx/Sxx，Syy/Sxy等法，不管怎样，理论上这些随机谱都是定义在“无穷大”域里，在实际操作上都必须要取“多次平均”才能求得有足够精度的“谱估计”。
　　所以他们理论是不一样的，具体方法也不同。
　　[ 本帖最后由 hcharlie 于 2010-5-31 08:20 编辑 ]

studysea

原帖由 hcharlie 于 2010-5-30 22:00 发表
模态试验是有多种方法：正弦法，随机法，脉冲法等。它们是基于不同的理论公式。
正弦响应和冲击响应都是所谓确定性信号，也就是理论上一点测一次就够了，实际上就有所谓“一锤定音”说；
随机法里根据公式的不同也 ...

请问 正弦法，随机法，脉冲法 是基于哪些不同的理论公式呢?

能不能解释一下啊?

我学习学习,呵...

hcharlie

这方面的书太多了。
现在做试验真是太容易了，仪器上什么都做好了，试验员只要一敲榔头，什么试验结果都出来了，好像不需要什么振动理论了；搞计算分析的也是这样，大软件上FFT，加窗，。。。什么函数都是现成的，随便调来便计算，却不知为什么！跟傻瓜相机一样，什么人都会照相，不需要知道原理。大家不觉得对于我们搞振动的人这是多么危险的事。不管你是搞计算的还是搞试验的，学点振动理论吧！

studysea

原帖由 hcharlie 于 2010-5-31 09:21 发表
这方面的书太多了。
现在做试验真是太容易了，仪器上什么都做好了，试验员只要一敲榔头，什么试验结果都出来了，好像不需要什么振动理论了；搞计算分析的也是这样，大软件上FFT，加窗，。。。什么函数都是现成的，随便调来便计算，却不知为什么！跟傻瓜相机一样，什么人都会照相，不需要知道原理。大家不觉得对于我们搞振动的人这是多么危险的事。不管你是搞计算的还是搞试验的，学点振动理论吧！

谢谢.你说的很对,呵.

我知道书上有,不过,我想听你说说与书上不同的东西.在我看来,脉冲激励与随机激励在原理上是相同的.只是脉冲是初时其它时间为零的力就是了...

[ 本帖最后由 hcharlie 于 2010-7-9 10:20 编辑 ]

sunspots

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