振动测试技术模态实验报告

研究生课程论文(2016-2017学年第二学期)
振动测试技术
研究生：
模态试验大作业
0 模态试验概述
模态试验（modal test）又称试验模态分析。

为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。

模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。

模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。

由于振动在机械中的应用非常普遍。

振动信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。

振动的性质体现着机械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。

同时，振动信号的发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手段之一。

模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。

模态实验的方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。

这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。

为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。

目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量( SISO)、单点激励多点测量( SIMO) 、多点激励多点测量( MIMO)等。

单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。

按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。

瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。

按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分，瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。

振动信号的分析和处理技术一般可分为时域分析、频域分析、时频域分析和时间序列建模分析等。

这些分析处理技术从不同的角度对信号进行观察和分析，为提取与设备运行状态有关的特征信息提供了不同的手段。

信号的时域分析包括时域统计分析、时域波形分析和时域相关分析。

对评价设备运行状态和故障诊断而言，时域分析往往是初步的。

频域分析是机器状态监测中信号处理
的最重要、最常用的分析方法。

工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生、发展往往引起信号频率结构的变化，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频域信息。

它能通过了解测试对象的动态特性，对机械的状态做出评价并准确而有效的诊断机械故障和对故障进行定位，进而为防止故障的发生提供分析依据。

通过频域分析把复杂的时间历程经傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量，可以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。

根据信号的性质及变换方法的不同，常用的频域分析方法有：频谱、自功率谱、互功率谱、倒频谱、细化谱、相干函数、频响函数分析等，这些频域分析的核心算法是快速傅里叶变换（FFT）。

对非平稳或时变信号的分析方法统称为时频分析，它将时域和频域组合成一体，兼顾到非平稳信号的要求。

时频分析方法应用于设备状态监测与故障诊断，可以很好的为确定设备的运行状态提供判断依据。

时频分析中最重要的是短时傅里叶变( STFT) 、小波变换( WT) 、Wigner-Ville 时频分析和Hilbert-Huang 变换。

与经典的基于FFT 的分析方法不同，时间序列分析方法是对采集到的振动信号建立时间序列模型，通过对模型参数的分析识别系统的特性和状态。

时间序列模型有自回归滑动平均模型( ARMA) ，自回归模型( AR) 和滑动平均模型( MA) 三种。

目前振动信号测量与分析在很多领域得到了广泛应用，测试和分析也发展到了较高的水平。

但仍然存在很多需要解决的问题。

展望未来，有如下几方面需要突破和发展：无线智能型传感器、传感器的微型化及纳米级结构的动力学测试问题、更高速度的数字信号处理技术和更快的数据输出速度、激振力无法测量情况下结构模态参数识别、非稳态信号的分析、非线性信号分析问题、微弱信号检测问题、激光测振技术的进一步发展。

1 实验目的
1. 了解模态测试技术的原理和实施方法。

2. 学会用“激励法”测量振动系统的模态与振型，通过软件求得系统的模态参数。

3.初步掌握MESCOPE软件的使用方法以及对模态测试结果的分析方法。

2 实验设备
上海北智14206加速度传感器2个（9g，0.5~8000Hz），图1（A）所示。

PCB模态力锤086C03一个（0.1kg，8kHz，500lb），图1（B）所示。

IOTECH ZonicBook618E动态信号分析仪一台，图1（C）所示。

铸铁薄板一个，图1（D）所示。

（A）
(B) (C)
(D)
图1 实验器材
3 实验步骤
本实验测试对象是一块300mm×300mm，中央开圆孔（直径为50mm），厚度为8mm的铁板，采用多点激励多点测量(SIMO)测试方式。

实验的原理是：用力锤对被测物体进行激振，锤头内的力传感器和被测物体上的加速度传感器同时记录下脉冲激励和被测物体的响应，经IOTECH采集处理，传入计算机进行进一步计算分析。

数据采集完毕后，采用Mescope模态分析软件，首先对被测对象进行建模，导入数据进入模态分析，根据振动理论，分析系统在各阶的模态，自动生成分析结果并可以生成振动的仿真动画、各阶频率、模态刚度、模态阻尼比等参数。

3.1 实验平台的搭建
将力锤连接入IOTECH的1号通道，2个加速度传感器分别接入2、3号通道。

在被测物表面选取测点并编号（如图2），将加速度传感器置于物体的24、16点，用数据线将IOTECH与计算机连接，连接框图如图3所示。

开启计算机上的Z-Analyst软件，调整软件即时显示窗口为FRF窗口，冲击脉冲
Time 窗口，传感器响应time 窗口以及Coherence 窗口。

图2 薄板测点编号
图3 实验设备的连接框图
3.2 IOTECH 参数设置
着先需要设置分析频率。

由于所分析的结构简单，其固有频率比较小，因面分析频率范围设在0~2000Hz ，奈奎斯特因子可以选取2.56。

选取输入信号作为触发信号，由于力锤的力和操作人员有很大关系，因而可以选取10次平均以消除或降低误差，其相应设置见图4（A ）。

力锤连接的1号通道设为Reference ，加速度传感器连接的2、3号通道设为Respond ，并去掉其它通道前面的勾号，同时选取合适的量程并输入灵敏度参数，其具体设置见图4（B ）。

FFT Setup 设置中，Reference Channel 加指数窗，Response Channel 加矩形窗，被测平台 加速度传感器
IOTECH
计算机
PCB 力锤
具体设置见图4（C）。

(A)
(B)
（C）
图4 ez-analysis数据采集参数设置
3.3 信号采集
用力捶依次敲击被测对象的每一个测点，设定为连续敲击，从每个点敲击10次。

在图中显示力的时域信，以及各输出通道的时域信号。

同时显示相干和RFR窗口。

对采集的数据进行保存，每个点保存一个数据文件，然后用ezAnalys将文件转化为可用于MEScope处理的格式（unv），主要保存数据的FRF信息。

3.4 MEscope模态分析
打开MEscope模态分析软件，将每个点的FRF导入软件中进行模态分析，算出固有频率，阻尼系数，以及留数。

在导入时根据点的不同修改DOF’s。

图6 MEScope数据点的导入
为了能更清晰的观察结果，可以画出板材的结构图，进行动画仿真。

其具体步骤为：在MEscope中新建一个Structure，利用绘图工具，根据被测物体的尺寸大致地画出被测对象的几何图形，并在图形上布置5×5的点阵。

如图7所示。

而后导入24个点的数据，DOFs设置分别为：1Z，2Z，3Z，……,24Z，如图8所示。

然后为8×4的点阵标上节点号，每个节点对应敲击点号及加速度传感器所在的点。

将采集到的实验结果导入到模型中，导入成功后，动画效果会自动显示。

图7 绘制被测件的结构图
图8
4 实验结果
按照上述的方法对实验测量的结果导入到MEScope软件中进行分析，各点测量的结果经分析得到固频，阻尼系数，以及留数。

图9（A）为频率响应函数（RFR）重叠后的总体曲线，由此图可以看出被测物体固有频率的大致分布。

图9（B、C）为经MEScope计算得到的固有频率。

从图中可知，当分析频率范围设在了0至2000Hz，软件在该频段中识别出了7个模态。

（A）
（B）
（C）
图9 MEScope分析结果
为了能更好的观察系统的振型，在导入测量数据后，可以继续画出系统的结构图，通过生成各阶固有频率的动画，可以直观的看到振动情况，其各振型如图9所示。