FRF测试
用锤击法产生激励脉冲信号，适合于中、小型和低阻尼 结构的激励。顶帽与试验结构发生冲击接触时，传递给 结构的冲击力近似于正弦函数，其频谱如下图，fc为截止 频率。
FRF测试
三种不同顶帽的波形图、适用频率范围、脉冲宽度 和输入力的范围。 根据被测对象，选择不同的顶帽。
顶帽 钢帽+质量 频率范围 0~7kHz 0~4.5kHz 尼龙帽+质量 0~2kHz 0~1.3kHz 橡胶帽+质量 0~500Hz 0~340Hz 脉宽 0.2ms 0.23ms 0.57ms 0.76ms 2.7ms 3.1ms 100~700N 300~1000N 范围 500~5000N
1 0m 1 m 0 200 400 600 800 [H z] 1 k 1 ,2k 1 ,4k 1 ,6k
1 00m
输入
[N ] 1 1 00m
A uto spectrum (Excit atio n) - Input Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer
根据约束状态： • 自由模态：被测对象自由约束； • 工作模态：被测对象实际约束； 根据FRF的获得方法： • 人为可控的激励的FRF； • 采用自然状态下的激励的OMA； 有无阻尼： • 实模态，振型同时达到最大值或最小值； • 复模态，振型中点存在过度；
模态试验研究
对于机械系统（结构）动力学特性：
* F ( f )F ( f )
G H 2 xx Gxf
X X
k 1 k 1 m
m
*
( f )X ( f ) ( f )F ( f )
*
FRF测试（H估计选择）
1、只要存在噪声干扰，相干函数总小于1，相干函数可以作为估计结果的一种评价。经多 次平均，随即噪声干扰造成的估计误差因此下降，相干函数提高，频响函数曲线趋于 平滑。但当平均次数达到一定程度后，相干函数不太提高单随机误差能随平均次数的 正价而下降
0
-1 k -2k 0 40m 80m 1 20m [s] 1 60m 200m 240m
1 0m
1 m 1 00u 0 200 400 600 800 [H z] 1 k 1 ,2k 1 ,4k 1 ,6k
频率响应函数
脉冲响应函数
[N ] 200 1 00
Time(Excitatio n) - Input Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer
FFT
输出
[m/s 瞉 1 0 1
频域
A uto spectrum (Respo nse) - Input Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer
时域
逆 FFT
1 00m
[(m/ Frequency s?/N ] Respo nse H 1 (R espo nse,Excitatio n) - Input (M agnitude) Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer 1 0
模态试验的基本假设
模态试验开始时，首先要通过试验检查这四个基本假设：
第一个假设一般用调节力幅比较频响函数； 第二个假设一般是考虑激振与传感器附加质量对系统频响函数影响 第三个假设是对响应测点布臵数量 第四个假设是测量频响函数对比（A/B B/A）
试验软、硬件设备
加速度计
Artemis ATP08
FRF测试
为各通道设臵参考通道及窗函数，并确认传感器信息
1、力锤通道：Ref.Ch.为自身，Window为 Transient
2、响应通道：Ref.Ch.为力通道，Window为 Exponential 确认好传感器参数，及Calculator设臵，保存 设臵。
FRF测试
触发设臵
选择触发Channel为力锤； Mode为Rising Slope； Threshold:有两种方式%比或数值，保持在设臵满量程的20%为佳； 预触发时间：根据力锤的锤头和采样频率进行设臵；保证脉冲信号采 集的完整性，并于Transient窗和Expositional窗的T0开始时间一致。
Hv
H1 H2


H 4 H1 H 2




H 3 ( H1 H 2 )




H 2 H 3 H 4 H1
输入窗函数选择
1, t 1.2 1 W f (t ) [1 cos t (t 1.2 )],1.2 t 1.8 2 0, t 1.8
逐DOF进行FRF测试 频率响应函数 力锤或者激振器激励 定义相干函数,自谱等用 于验证
3. 曲线拟合

4. 验证


匹配测试结果与网格点 频率 阻尼 留数 (模态振型)
MAC (模态臵信准则) 模态臵信因子 相位分布 模态参与因子 ........
频率响应函数
[m/s 瞉 80 40 0 -40 -80 0 40m 80m 1 20m [s] 1 60m 200m 240m Time(R espo nse) - Input Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer
2、自动正弦慢扫描激励：使用自动控制的方法使激励信号的频率缓慢而连续 变化，从低到高扫过所关心的频率；
3、快速扫频正弦激励：属于瞬态激励形式，频率从指定的低频到指定高频的 按一定规律连续变化的正弦信号，扫频一次Chirp
4、冲击激励（比如：力锤，爆破脉冲等）
5、纯随机激励，激励与响应加Hanning窗，进行多次平均减少泄露； 6、伪随机激励：在一定频率范围内其幅频特性为常数，其相频特性随机均匀 分布的周期信号，保证谱线间隔应比半功率带宽小的多； 7、周期随机激励：由对段不相关伪随机激励组成（比纯随机和伪随机所花时 间多，但比正弦慢扫描快； 8、瞬态随机激励（burst random)
幅值
1阶模态 2阶模态 3阶模态 梁 加速度
Force Force Force Force Force Force Force Force Force Force 力Force
试验模态激励：
1、步进式正弦激励法：从最低频率到最高频率选定足够数目离散的频率值， 每次使用一个频率给出激励信号，测出该激励的稳定响应，在进行下一个频率；
FRF测试,参考的选择
H( f ) X ( f ) / F( f )
Response( roving response a column of FRF)
Excitation（roving Hammer a row of FRF)
H1
G fx Gff

F
k 1 m k 1
m
*
( f )X ( f )
Artemis ATP08 & ME’scope VES
锤击法模态分析操作指南
牛维 2012
模态分类
根据获得模态的方法的不同： 1）计算模态 -由有限元计算的方法获得
模态分类
2）试验模态-通过试验将系统输入输出信号经过参数识别获得
识别出的频率和阻尼比 振型
为什么做模态测试
• 改进有限元模型 –在原形样机上通过测试进行验证 –通过引入阻尼来改进有限元模型 • 故障诊断 –降低过大的振动水平 –确保共振远离激励频率 模态测试 • 仿真“假如。则。。” 首先利用在飞机工业 –确定载荷 今天也广泛的应用于汽车工业和许多 其他工业 –复杂激励下结构的响应 –结构动力学修改 • 结构综合分析 –预测组装子部件或总成的动力学行为
FFT
240m
0
-1 00 -200 0 40m 80m 1 20m [s] 1 60m 200m
输出 运动 H(w) = = 输入 力
响应 = 激励
激励技术
力锤激励
一般激励移动力锤
输入
激振器激励
一般用于多通道响应 或者响应点可以移动的情况
输出
输入 输出
• 小的各向同性结构 • 支持快速的多参考技术 • 快速的方法 – 不需要固定设备
0 200 400 600 800 [H z] 1 k 1 ,2k 1 ,4k 1 ,6k

[(m/ s?/N Impulse /s] R espo nse h1 (R espo nse,Excitatio n) - Input (R eal P art) Wo rking : Input : Input : FF T A nalyzer 2k 1 k
频响函数 固有频率、阻尼、振型
模态试验的基本假设
1、振动系统是线性的，满足叠加原理 任何输入组合引起的输出等于各自输出的组合，在模态试验中首 先检查结构的线性动态特性
2、振动系统是时不变的 结构动态特性不随时间变化的 3、可观测性假设 系统的动态特性所需要的全部数据都是可以测量的，这对选择响 应的自由度非常重要 4、振动系统遵从Maxwell互易性原理 在A点的输入所引起B点的响应等于B点的相同输入所引起的A点的 响应
FRF测试（H估计选择）
2、在只存在响应端干扰噪声时，经过足够次数的平均，H1估计趋于正确值H，H2估 计的误差却不能因平均而减少，将给出含有较大误差的结果； 3、只存在输入端的测量干扰噪声时，经过多次平均，H2估计趋近于H，而H1估计误 差不会因平均而减少将给出含有较大误差的估计值； 4、一般来说，在反共振点附近，因为响应信号较小，信噪比小，相干函数将较低。 H1估计将比H2估计好一些。而在共振点附近，力信号的细微差别会对响应有较大 影响。因此，H2的估计会比H1估计好。然而，无论是哪一种估计，在这两处，相 干函数都会比较小，在反共振区相干函数降低的更为明显。H2估计在处理共振区 时更好。 5、H1和H2的估计都是有偏估计。H1为欠估计而H2为过估计。