模态测试技术简述

凄美离别

模态测试技术从上世纪70年代开始，得到了很大的发展，而且技术越来越成熟，应用越来越追求广泛。已经成为航空航天、工程机械、汽车及交通、船舶、海洋平台、能源电力、建筑、桥梁、机床、家电、医疗器械等领域的必要的测试要求和动态设计的基础。但如何做好模态测试，得到准确和可靠的模态参数，截止目前还是工程师们努力的目标。

本文从以下方面做了简要阐述
⊙为什么做模态测试
⊙测试设备
⊙试验设置
⊙测点和自由度的确定
⊙测试数据验证
⊙  模态参数识别
⊙  模态结果有效性验证

01、为什么做模态测试
任何结构和空腔都存在固有频率，需要确定测试的目的性。一般有下面几种情况：
* 提供设计指导
* Benchmarking 与竞品分析
* 设计目标设置与验证
* 相关和修正CAE分析模型
* 结构动态特性评价
* 杂交CAE 分析模型
* 结构设计修改指导
* 载荷识别
* 故障诊断Troubleshooting
* 结构共振疲劳，等等

只有知道了需求，才能做好测试方案的设计。

02、测试设备
做好模态测试，合适的测试设备是很关键的。测试设备包括激振系统、信号拾取系统、数据采集系统。

激振系统

有力锤和激振器和功率放大器（电磁、液压、非接触式磁电、声激励），根据测试对象，所需激振力大小，激振的方便性选择合适的激振设备。比如对于大型结构和大的位移行程，采用液压激振器；对于飞机和汽车整车，采用电磁激振器，可使用多点激振；对于小型结构，如汽车部件，叶片等采用锤击法。对于桥梁，可采用自然激励法等。特殊情况下，对于大型结构、薄壁结构和空腔，可采用声激励。

   力锤是使用方便、成本低的一种激励方式，需要考虑其大小，频率范围可从锤头材料的选择来决定。通过配重块也可加大激振力。如图1

图1 锤头材料与激振频率范围

根据激励力的大小，选择匹配的力传感器。由于大多信号调理集成在数采前端中，目前所以使用ICP 型的。对于力的要求比较高，动态范围满足不了的，可选择电荷型的，需配电荷放大器。

信号拾取

振动加速度传感器、传声器，非接触式激光测振仪、信号调理等。根据测试结构的大小、布置传感器的方便性，选择合适的拾取方式。传感器的量程、频率范围、动态范围、质量大小是必须要考虑，有时工作温度也会考虑。目前接触式大多使用ICP型的，对于动态范围要求高，或高温要求，可选择电荷型的，需配电荷放大器。

一般模态传感器的要求质量轻、频率范围宽、灵敏度高，所以主要传感器厂家都提供专用的模态传感器。另根据测试要求，可选用单向和三向加速度传感器。

另外对建筑、桥梁结构、船舶，可能需要低频性能好的传感器，可以使用电容式和压阻式，都是从零频开始。

数据采集系统

数采系统一般有两通道的频谱分析仪和多通道采集系统。频谱分析仪用于锤击法。现在大多数用多通道采集。对于数采系统的要求有：通道数，根据测试结构可选择单机箱和多机箱并联，从两通道可到1000通道。现在都是调理内置，输入方式采用ICP/电压方式，动态范围尽量大。内置调理方式的动态范围不如外置调理器，比如对于锤击法容易过载；对响应很小的土木和桥梁结构，最好外加调理器。

输出源通道也是必须的，一般用两个源，对于大型和复杂结构，可能需要3到4个源；对于在高频或极低频率时能否精确地测量系统的动态特性?航空航天，由于需要纯模态测试，有时需要8个源通道。


03、试验设置
首先要判断结构的大小、非线性程度和感兴趣频率范围，然后决定采用什么样的激振和测试方式。

频率设置

根据工作和运行时激励的频率范围，以及模态分布情况、高低频时能否精确地反应系统动态特性，决定测试频率范围。

图 频率范围

系统非线性检验

由于模态识别方法是建立在系统线性基础上的，所以需要对其线性性和重复性进行检验，已确定采用怎样的激振方式和激振力大小。通过改变力的大小可判断系统的非线性程度。

图  不同力水平的频响曲线

边界条件

测试前，确定好边界条件非常关键。主要从以下几方面考虑：

被测试验结构在运行还是静止状态？
系统固有特性都是在静止状态，有时结构无法加激励，就采用运行状态下工作模态识别。

自由-自由还是固定?
对于被测对象，应用于动态设计的系统部件测试，一般采用模拟自由-自由状态，如弹性悬挂或弹性支撑（空气簧）；对于问题诊断和系统匹配，需要在固定或安装状态下。最好需要建立两者的模态相关。

需要模拟真实的边界条件?
对于系统部件，有时会要求真实的安装条件，用于有限元模型验证和杂交模型建模，
有些要求在真实的环境条件下，如高温、低温、高湿等。

如何施加激励到结构上？
对于一个结构模态测试，如何方便和合理的加激励到结构上，是必须要考虑的。特别对于复杂结构，激振器连接很困难，有时需要工装。

激振方式

做好模态测试，选择激振方式也很重要。

* 对于小型部件和大型结构，采用锤击法比较合适，特殊情况下采用阶跃法。对于大型结构，如机车车厢，激振器无法满足激励力的要求，需要用大力锤；
* 常用的可靠的激励方式是激振器方式；
* 对一些微小结构和薄壁件，采用声激励和非接触磁电激励；
* 对空腔体，需要体积声源激励；
* 对一些无法通过上述方式激励的，可采用环境激励，如大桥和高层建筑物采用风激励，有时采用车辆行驶激励；还有打枪和火箭发射激励等。

激振方式也包含激振点数，小型结构采用单点，中大型可采用多点，如汽车整车采用3点，飞机采用8点。多点激振信号要各自独立不相干。

数采系统设置

对数采系统，根据测试结构和方便性、试验要求进行设置。从以下进行：

通道数——根据结构和数采系统大小，决定每批测多少通道
加窗——对于稳态激励，一般加矩形窗；而对于锤击法要加力窗和指数窗；
输入方式——根据传感器选择输入调理方式，目前多采用ICP 方式；
源输出——根据激振点数决定几个源输出，激振信号可选择正弦，正弦扫描，随机，猝发随机等；
量程——根据响应可进行量程设定，已达到最大信噪比。有好多数采可自动量程设置。对于弱小信号，需配信号调理器，以增大动态范围；
触发条件——有些测试需要外部触发，可选；
系统标定——为了有一个可靠的测量结果，测试前最好做系统幅值和相位标定，以消除可能的系统误差。

传感器与信号调理

传感器类型——加速度有ICP、电荷加速度、电容和压阻式，传声器有ICP和电容式、激光位移，所以要选择与之匹配的输入调理方式。对于接触式，响应传感器要，附加质量越小越好；
量程——对激振器方式，力传感器的选择简单；但对锤击法，力传感器量程要尽可能的大；对于弱小信号，要加信号调理器。

   对于薄壁结构和受环境影响大的，如高温、低温、高湿结构，采用激光测量响应，可以得到非常精确的结果。

测点和自由度的确定

根据结构和模态应用，选择合适的测点和自由度。响应点，应包括
* 客观测量评价点(i.e. 结构修改点)；
* 模态参与因子大于零的点对于模态显示具有足够的空间分辨率；
* 其它点，仅用于显示目的；

根据结构的形状，每个测点选择1至3个自由度。

04、测试数据验证
激振点原点频响如图，相位在所测频率范围要一致，要么180，要么-180度附近。

激振原点频响函数

相干函数

   相干系数理想为1，实际上月接近于1越可靠。除反共振点外，一般相干系数大于0.8。

相干函数

互易性

互易性定义为A 点激振，B点响应的频响与B点激振，A点响应的频响要一致，理论上要重合。是判断测试结构的非线性程度，重合度越高越好。实际上由于非线性存在，会有一些偏差。

两个激振点互易性

激振力自功率谱

力谱没有畸变，纵坐标对数下为梯形。

05、结论
随着测试技术的发展，模态测试的精度会越来越高。特别是对一些大型复杂结构，受温度影响以及受传感器附加质量影响的薄壁结构。

做好测试前的准备工作和测试设置，对于后期进行模态参数识别，并得到可靠的模态参数是非常关键的。