第7章 信号测量
7.2 试验结构的支撑方式
1 自由支撑 有些振动结构的工作状态为自由状态（自 由体），如飞机、火箭等。这类结构在做整体 模型试验时，要求具有自由边界条件。 其实，很难完成完全自由的约束状态（太 空零重力环境和飞行器俯冲失重）。只能说近似自由 （某些自由度的自由）。经常采用的方式有橡皮 绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、弹簧支撑（空 气、螺旋）等。 由于悬挂或支撑的刚度较小，故对结构的 弹性模态影响不大。
第7章 信号测量
7.6 测量系统
测量系统负责将被测机械量采集下来，转换 成某种电信号，经前置放大和微积分变换，变成 可供分析仪器使用的与机械量对应的电压信号或 数字信号。
测量系统由传感器及其配套测量电路组成， 如图所示。
第7章 信号测量
7.6 测量系统
测量系统是整个动态测试系统的基本环节之 一，直接关系到试验的成败和精度。选择测量系 统要考虑试验要求的频率范围、幅值量级、测量 参数(位移、速度、加速度、力、应变等)及试验环 境、测试条件等多种因素。
第7章 信号测量
7.5 激励信号
了解激励信号是进行实验模态分析的重要 环节。在制定模态实验方案时，必须根据被测 结构特点、测试环境、现有仪器条件、测试精 度等诸方面选用合适的激励信号。有时需要选 择几种激励方式进行试测，以确定最优激励信 号。模态实验中往往由于激励信号选择不当而 无法收到满意的测试效果。第7ຫໍສະໝຸດ 信号测量7.4 激励装置
2 冲击锤 冲击锤又称力锤，是模态实验中另一种常 用的激励装置。目前冲击锤多用于SISO参数识 别方法中。 锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激 励只需一把冲击锤即可实现，比激振器系统要 简单得多。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
2 冲击锤 冲击锤锤帽可更换，以得到不同的冲击力 谱。冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同 能量的激励信号。 对普通结构，用SISO频域法做参数识别时， 使用冲击锤一般能得到相当满意的结果。加之 激励设备简单，价格低廉，使用方便，对工作 环境适应性较强，特别适于现场测试，故一般 工程测试单位中均将锤击激励作为优先考虑的 激励方式之一。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器
振动测试技术中的激振器种类很多。按工 作原理来分，有机械式、电动力式、压电式、 电磁式、涡流式和电动液压式等等；按接触形 式不同可分接触式和非接触式两种。电磁式和 电涡流式激振器属于非接触式激振器，其余属 接触式激振器。
第7章 信号测量
第7章 信号测量
7.4 激励装置
2 冲击锤 通常力锤难以对大型结构进行激励,原因在 于激励力的能量太小。东方所的弹性聚能力锤 主体采用钢材料制成,力锤的头部用橡胶制成,在 锤头和锤柄之间的弹簧装置,使力的持续时间达 到20ms以上，激励力可达5～12.5吨。 由于较大的激励力,力的能量也就足够大以 激起桥梁的振动。又因为激励力的持续时间较 长,使激励力的能量集中于低频。这种激励力则 非常适合于大型低频结构的模态试验。
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器 不同激振器的用途不同，在模态实验中，常 用电动力式和电动液压式激振器。 电动力式激振器基本原理是电磁感应定律， 通电导体在磁场中受力，将由功率放大器提供的 激励电信号转换为激振力信号。
电动力式激振器具有频率范围大(上限30 kHz，下限1～3 Hz)，激振力幅值、频率及相位 易调等优点。
测量系统中传感器是非常重要的一环。传感 器有很多种分类方法，如根据与被测结构的接触 方式不同，分为：接触式和非接触式两种；根据 测试信号不同，分为力、响应传感器；根据传感 器换能方式不同，分为压电、涡流等。
模态实验中常用的激励信号分为稳态正弦 信号、纯随机信号、周期信号和瞬态信号。
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7.5 激励信号
1 稳态正弦信号 稳态正弦信号是模态实验最早采用的一种 激励信号。通过缓慢改变正弦信号的频率，可 激发出系统的各阶主振动。 频率的变化必须足够慢，以使结构响应达 到稳态。另外，还应注意，在共振区附近，信 号频率改变量要小；而在非共振区，信号频率 可以改变得多一些。一般在测试时，先初步扫 频，根据响应确定系统的几个共振峰，再仔细 扫频，获得详细激励与响应数据。
（1）扫频正弦猝发信号 以快速扫频正弦信号作为激励信号，并取其 扫频周期为猝发激励时间，便获得扫频正弦猝发 信号。
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7.5 激励信号
3 瞬态信号 （1）扫频正弦猝发信号
快速扫频正弦信号
扫频正弦猝发信号
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7.5 激励信号
3 瞬态信号 （2）随机猝发信号 以周期随机信号作为激励信号，并取周期信 号的周期作为猝发激励的时间，即可获得随机猝 发信号。
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7.5 激励信号
1 稳态正弦信号 稳态正弦信号的优点是：激励能量能集中 在单一频率上，测量信号具有很高的信噪比， 因而测试精度很高；信号的频率和幅值易于控 制。
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7.5 激励信号
2 纯随机信号 纯随机信号又称白噪声信号。理论上的纯 随机信号是具有高斯分布的白噪声，在整个时 间历程上都是随机的，不具有周期性。频率域 上是一条平直的直线，包含0～∞的频率成分， 且任何频率成分所包含的能量相等。
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7.4 激励装置
1 激振器系统 ②周期信号； ③随机信号； ④猝发信号。 信号发生器提供的激励信号可以是模拟信 号，也可以是数字信号。数字式信号发生器提 供的信号质量较模拟式信号要高得多，故逐渐 成为主流信号源。无论是数字信号发生器，还 是计算机辅助产生的信号源，最终均以模拟电 压信号输出。
2 固定支撑
固定支撑（刚性支撑）用于结构承受刚性
约束的情形，如高层建筑、大坝、刚性基础的
机械结构等。 固定支撑要求支撑具有较
大的刚度和质量，才能减少对
结构高阶模态的影响。一般以
A
B
实测支撑系统的最低固有频率
大于所关心的结构最高固有频
率的3倍为参考标准。
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7.2 试验结构的支撑方式
3 原装支撑 原装支撑是广泛应用的一种支撑方式。前 面介绍的自由支撑和固定支撑是原装支撑的特 殊情况。 对于完整结构来说，原装支撑是最优边界 模拟。现场模态实验和实验室模态实验。 大多数模态实验是在静态（被测结构处于 静态）下进行的。有些结构在静、动态下的特 性相差较大。如具有滑动轴承的转子等，欲获 结构在动态下的固有特性，应在运行状态下进 行模态试验。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器
电动液压式激振器是一种电控制、液压驱 动的激振器，结构要比电动式激振器复杂得多。 它由电动部分、液压驱动部分和激振部分组成。 工作原理是，经功率放大器放大的激励信号送至 电动部分，经液压驱动部分将激振力放大。
电动液压式激振器是一种大型激振设备，可 承受几千牛顿的预压力和高达几百千牛顿的激振 力。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
3 阶跃激励装置 阶跃激励是模态实验中特有的一种激励方 式，它是通过突加或突卸力载荷(或位移)实现对 系统的瞬态激励。 如使用刚度大、重量轻的缆索拉紧被测结 构某一部分，突然释放缆索中的拉力，形成系 统的一个阶跃激励。 阶跃激励的特点：能量大；激励高频成分 少。故适用于大型、重型结构的模态分析。
第7章 信号测量
7.3 激励方式
1 单点激励 对于中小型结构的模态分析，采用单点激 励即可获得较满意的效果。对于大型、复杂结 构，单点激励往往丢失模态，或由于激励能量 有限而得不到有效的高信噪比信号，有时甚至 无法激起结构的整体振动，导致模态实验彻底 失败。
第7章 信号测量
7.3 激励方式
2 多点激励 多点激励是指对多个点同时施加激振力的 激励方式。显然，输入系统的激励能量会成倍增 加，同时，也增加了激振的复杂性（激励设备复 杂，可采用单点分区激励技术）。 多点激励具有以下特点： （1）不易遗漏模态； （2）输入能量大且传递均匀，信噪比好。
第7章 信号测量
7.2 试验结构的支撑方式
1 自由支撑 如果能将自由支撑点选在结构上所关心模 态的节点附近，并使支撑体系与该模态主振动 方向正交，则自由支撑对该阶模态的影响将降 低到最低，可达到最理想的效果。
有些边界条件非完全自由而受弱约束的结 构也可以采用自由支撑。如轮船等。
第7章 信号测量
7.2 试验结构的支撑方式
第7章 模态测试技术
7.1 引言
对于一个确定的实验对象，一般的振动测 试系统由以下三部分组成：
激振部分-输入 拾振部分-一次仪表 显示、分析部分-二次仪表 如果进行模态实验分析，上述三部分可更 详细地叙述如下：
第7章 信号测量
7.1 引言
将实验结构以适当方式支撑起来 选择适当方式激励实验结构，通过拾振 系统测量激励和响应的时间历程 将记录到的激励和响应时间历程信号送 入A/D，将连续的模拟信号转换为离散的数字 信号 把上述时域数字信号进行FFT转换，转换 到频域 模态参数识别
第7章 信号测量
7.5 激励信号
3 瞬态信号 瞬态信号的形式和产生方式有多种：有信 号发生器产生的扫频正弦猝发信号和随机猝发 信号；有冲击锤产生的冲击信号和随机冲击信 号；有阶跃激励装置产生的阶跃激励信号；有 特殊装置如火箭筒产生的冲击信号等等。
第7章 信号测量
7.5 激励信号
3 瞬态信号 由于瞬态信号包含较宽的激励力频率成分， 且频率成分比较容易控制，故瞬态信号是模态实 验中采用的主要激励方式之一 。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
下面讨论模态实验中经常使用的人工激励。 典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、 阶跃激励装置。 1 激振器系统 激振器一般必须与信号发生器、功率放大 器一起组成激励系统才可使用。激振器系统如 图所示。
第7章 信号测量