模态测试分析技术
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个方向均应有参考点
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
49
模态测试的一些注意事项
4、预试验的重要性
多点激励，多点布置传感器，检查信号，找出最佳参 考点位置
确定采样频率、变时倍数、采样长度 确定最终的测试方案
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
34
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
35
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
36
模态测试方法——OMA
运行模态分析（OMA）基本过程:
结构响应信号采集 模态参数识别 振型动画
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
四种模态拟合方法 特征系统实现算法（ERA） Poly LSCF法 Poly IIR法 自动化模态分析
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
15
系统配置
激励力锤——DFC-2弹性力锤
参数：配12.5T力传感器 齿轮箱、机床、大型机械、风机叶片等
北京东方振动和噪声技术研究所
激振器激励系统由多个部件构成， 包 括 DA 输 出 、 功 率 放 大 器 、 激 振 器、力传感器、电荷调理器
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
11
模态测试方法——EMA
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
12
EMA模态测试案例
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
16
系统配置
INV1841系列电荷调理器
和压电式力传感器配套，将电荷信号转换 成电压信号。
增益倍数有0.01倍、0.1倍、1倍三种， 根据敲击力大小来选择不同的调理器。
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
17
系统配置
压电式加速度传感器
锤头越硬，激振力激出的频率范围越宽。能量集中在 相对高频段。
锤头太软，激振力激出的频率范围相对窄。 能量集中在低频段，低频效果好。
选择合适的锤头以激出感兴趣频率范围 内的所有模态。
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
46
模态测试的一些注意事项
另一个重要方面是：对输出响应加指数窗。
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
5
模态分析的益处
提高产品的竞争优势 缩短产品开发周期 减少产品召回 ……
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
6
模态测试方法
对于机械行业而言，模态测试方法分为两种： 试验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA)
型号
INV9821
可用频率/Hz 0.5 ~ 5K
谐振频率/Hz 25K
INV9822 0.5 ~ 8K
25K
INV9823 0.5 ~ 4K
15K
INV9824 1 ~ 15K
40K
灵敏度 mV/g 50
100
200
5
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
18
系统配置
网络分布式3060S采集仪
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
19
系统配置
变时基传函分析专利技术
基于采样频率设置的矛盾
激励力为脉冲，需要高采样频率 响应为低频信号，需要低采样频率
典型实例
750吨神舟飞船发射平台 乌海黄河铁路桥 航天员超重训练机 1200吨大阻尼光学隔振台 大型港口机械……
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
41
OMA模态拟合方法
MIMO模态分析方法之SSI
随机子空间参数识别方法 时域法，仅适合OMA 原理类似ERA，但使用互相关函数 OMA中最精确的方法
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
42
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
30
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
31
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
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北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
33
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
模态是结构所固有的动态特性，包括固有 频率、阻尼比、振型等参数。
模态参数可以由计算或试验分析取得。
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
3
什么是模态分析
模态分析实质上是一种坐标变换， 其目的在于把原物理坐标系统中描述的 相应向量，转换到“模态坐标系统”中来 描述，藉此我们可以据频率，阻尼，模 态振型这些本质特征来描述结构。
2、传感器的选择
量程 灵敏度 频响范围 相对被测物的附加质量和尺寸 安装方式 等等
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
48
模态测试的一些注意事项
3、参考点的选取
参考点的振型值起到公因子的作用，因此参考点不能 选在关心模态频率的节点处
参考点要选在振动显著处 当有被测物有多个测量方向时，每
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
13
EMA模态测试案例
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
14
激励力与响应信号采集
定阶方式 集总平均
传递函数分析(FRF)
参数设置
模态定阶
模态拟合（MIMO）
计算结果显示、动画输 出、报告打印
锤击法试验模态分析流程图
变时基专利技术
新建模态文件 传感器类型选择 总测点数 原点导纳位置 建立模型 输入约束
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
40
OMA模态分析方法
MIMO模态分析方法之EFDD
增强型频域分解的方法 属于频域方法，适合OMA 操作简单，可识别满足正交条件的密集模态 通过奇异值分解，直接得到振型 利用INV频率计得到精确频率和阻尼比
北京东方振动和噪声技术研究所
通常，对于小阻尼结构，在采样时间范围内，力锤激出 的结构响应不会衰减到零。这种情况下，泄漏问题突出。
为减小泄漏，对测得的数据进行加窗。 加窗可以满足FT周期采样的要求。
对于力锤激励这种情况，最常使用的窗函数 是指数衰减窗。
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47
模态测试的一些注意事项
43
北京东方振动和噪声技术研究所
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44
模态测试的一些注意事项
1、力锤激励
在进行力锤激励时，有两个最需要考虑的因素：
锤头选择 响应信号加指数窗
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45
模态测试的一些注意事项
输入激励的频率范围主要由锤头硬度决定
50
谢 谢 大家
北京总部地理位置
北京，海淀，上地信息产业基地 科实大厦C座10C 科贸大厦516号
联系方式
010-62989889/8558Tel 010-62970728Fax dasp@coinv.com www.coinv.com
39
OMA模态测试案例 响应信号采集
参数设置 模态定阶 模态拟合（MIMO）
计算结果显示、动画输出、 报告打印
新建模态文件 传感器类型选择 总测点数 原点导纳位置 建立模型 输入约束
四种模态拟合方法 Poly LSCF法 Poly IIR法 EFDD(增强型频域法) SSI（随机子空间法）
运行模态分析流程图
简单的说，我们以试验模态分析为 例，通过试验将采集的系统输入与输出 信号经过参数识别获得模态参数。
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
4
模态分析的作用
对于机械行业而言，模态分析有以下作用： 评价现有结构系统的动态特性； 对结构进行动强度设计； 深入洞察振动发生的根本原因； 有助于识别出设计的薄弱环节； 结构动力学修改； 验证有限元模型； 检验产品质量。
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
20
系统配置
多输入多输出模态分析（MIMO）
适用于MIMO的方式有以下四种情形：
结构庞大，一点激励能量不够 结构脆弱，不能施加太大的激励 对称性结构，具有重根模态 同时关心多个测量方向
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21
系统配置
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
8
模态测试方法——EMA
锤击法测试系统
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9
模态测试方法——EMA
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10
模态测试方法——EMA
激振器激励测试系统
22
wk.baidu.com
系统配置
MIMO模态分析方法之PolyLIIR 无限脉冲响应参数识别方法 Infinite Impulse Response 频域特征同PolyMAX 使用脉冲响应或互相关函数
特点
支持EMA、OMA和MIMO 得到水晶般的稳定图 看作是时域的PolyMAX算法
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OMA模态测试案例
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
38
INV9821 传感器 被测试件
INV 3060S 数据采集仪
DASP-V10工程版 数据采集分析软件
DASP-V10 模态分析软件
运行模态分析系统框图
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
内自带操作系统 ，可离线采样 以太网接口 16通道/台，最高采样频率51.2kHz /通道 24位AD，Δ-Σ芯片 120dB（典型值）动态范围 1，10，100输入增益 电压DC/AC/IEPE耦合方式，差分模式 分布式，可通过LAN 多台级联 GPS授时，各采集仪同步工作 采集仪内各通道并行采集 数据双存储 兼容无线网络传输
MIMO模态分析方法之PolyLSCF LSCF：多参考点的最小二乘复频域法 国外称PolyMAX
特点
采用离散时间频域模型，属于总体拟合法 快速递推的运算技巧，具有很多优点 既适合锤击和激振器激励，又适合环境激励模态 支持MIMO，适合EMA和OMA
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
力锤或激振器激励的模态试验，有激励力输入
运行模态分析(Operational Modal Analysis, OMA)
运行状态的模态试验，激励力不可测或无激 励力输入
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
7
模态测试方法——EMA
试验模态分析（EMA）基本过程:
结构激振 激振信号及结构响应信号采集 频率响应函数估计 模态参数识别 振型动画
模态测试分析技术
呼春晖 2013.12.13
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
1
主要内容
什么是模态 什么是模态分析 模态分析的作用 模态分析的益处 模态测试方法 模态测试的注意事项
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
2
什么是模态
达到基本一致
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北京东方振动和噪声技术研究所
北京东方振动和噪声技术研究所
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25
系统配置
MIMO模态分析方法之自动化模态分析
一键求模态 是建立在对于模态分析专家深刻观察基础上的 把专家知识和经验转换为规则内嵌到软件中去，
使模态分析入门者也可得到专家级结果 提出了频域吻合系数，由此可以定量地比较不
同的模态分析方法参数识别结果的精度。 通过优化，所有分析方法的模态分析结果最终
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23
PolyIIR方法
PolyLSCF方法
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24
系统配置
MIMO模态分析方法之ERA
特征系统实现算法 Eingensystem Realization Algorithm 时域法，NASA最先提出 总体识别，支持MIMO，适合EMA和OMA
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49
模态测试的一些注意事项
4、预试验的重要性
多点激励，多点布置传感器，检查信号，找出最佳参 考点位置
确定采样频率、变时倍数、采样长度 确定最终的测试方案
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35
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36
模态测试方法——OMA
运行模态分析（OMA）基本过程:
结构响应信号采集 模态参数识别 振型动画
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
四种模态拟合方法 特征系统实现算法（ERA） Poly LSCF法 Poly IIR法 自动化模态分析
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15
系统配置
激励力锤——DFC-2弹性力锤
参数：配12.5T力传感器 齿轮箱、机床、大型机械、风机叶片等
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激振器激励系统由多个部件构成， 包 括 DA 输 出 、 功 率 放 大 器 、 激 振 器、力传感器、电荷调理器
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11
模态测试方法——EMA
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12
EMA模态测试案例
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
16
系统配置
INV1841系列电荷调理器
和压电式力传感器配套，将电荷信号转换 成电压信号。
增益倍数有0.01倍、0.1倍、1倍三种， 根据敲击力大小来选择不同的调理器。
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17
系统配置
压电式加速度传感器
锤头越硬，激振力激出的频率范围越宽。能量集中在 相对高频段。
锤头太软，激振力激出的频率范围相对窄。 能量集中在低频段，低频效果好。
选择合适的锤头以激出感兴趣频率范围 内的所有模态。
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46
模态测试的一些注意事项
另一个重要方面是：对输出响应加指数窗。
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5
模态分析的益处
提高产品的竞争优势 缩短产品开发周期 减少产品召回 ……
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6
模态测试方法
对于机械行业而言，模态测试方法分为两种： 试验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA)
型号
INV9821
可用频率/Hz 0.5 ~ 5K
谐振频率/Hz 25K
INV9822 0.5 ~ 8K
25K
INV9823 0.5 ~ 4K
15K
INV9824 1 ~ 15K
40K
灵敏度 mV/g 50
100
200
5
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系统配置
网络分布式3060S采集仪
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
19
系统配置
变时基传函分析专利技术
基于采样频率设置的矛盾
激励力为脉冲，需要高采样频率 响应为低频信号，需要低采样频率
典型实例
750吨神舟飞船发射平台 乌海黄河铁路桥 航天员超重训练机 1200吨大阻尼光学隔振台 大型港口机械……
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41
OMA模态拟合方法
MIMO模态分析方法之SSI
随机子空间参数识别方法 时域法，仅适合OMA 原理类似ERA，但使用互相关函数 OMA中最精确的方法
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42
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
30
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
31
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32
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33
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
模态是结构所固有的动态特性，包括固有 频率、阻尼比、振型等参数。
模态参数可以由计算或试验分析取得。
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
3
什么是模态分析
模态分析实质上是一种坐标变换， 其目的在于把原物理坐标系统中描述的 相应向量，转换到“模态坐标系统”中来 描述，藉此我们可以据频率，阻尼，模 态振型这些本质特征来描述结构。
2、传感器的选择
量程 灵敏度 频响范围 相对被测物的附加质量和尺寸 安装方式 等等
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
48
模态测试的一些注意事项
3、参考点的选取
参考点的振型值起到公因子的作用，因此参考点不能 选在关心模态频率的节点处
参考点要选在振动显著处 当有被测物有多个测量方向时，每
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
13
EMA模态测试案例
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
14
激励力与响应信号采集
定阶方式 集总平均
传递函数分析(FRF)
参数设置
模态定阶
模态拟合（MIMO）
计算结果显示、动画输 出、报告打印
锤击法试验模态分析流程图
变时基专利技术
新建模态文件 传感器类型选择 总测点数 原点导纳位置 建立模型 输入约束
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
40
OMA模态分析方法
MIMO模态分析方法之EFDD
增强型频域分解的方法 属于频域方法，适合OMA 操作简单，可识别满足正交条件的密集模态 通过奇异值分解，直接得到振型 利用INV频率计得到精确频率和阻尼比
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通常，对于小阻尼结构，在采样时间范围内，力锤激出 的结构响应不会衰减到零。这种情况下，泄漏问题突出。
为减小泄漏，对测得的数据进行加窗。 加窗可以满足FT周期采样的要求。
对于力锤激励这种情况，最常使用的窗函数 是指数衰减窗。
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模态测试的一些注意事项
43
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模态测试的一些注意事项
1、力锤激励
在进行力锤激励时，有两个最需要考虑的因素：
锤头选择 响应信号加指数窗
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
45
模态测试的一些注意事项
输入激励的频率范围主要由锤头硬度决定
50
谢 谢 大家
北京总部地理位置
北京，海淀，上地信息产业基地 科实大厦C座10C 科贸大厦516号
联系方式
010-62989889/8558Tel 010-62970728Fax dasp@coinv.com www.coinv.com
39
OMA模态测试案例 响应信号采集
参数设置 模态定阶 模态拟合（MIMO）
计算结果显示、动画输出、 报告打印
新建模态文件 传感器类型选择 总测点数 原点导纳位置 建立模型 输入约束
四种模态拟合方法 Poly LSCF法 Poly IIR法 EFDD(增强型频域法) SSI（随机子空间法）
运行模态分析流程图
简单的说，我们以试验模态分析为 例，通过试验将采集的系统输入与输出 信号经过参数识别获得模态参数。
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
4
模态分析的作用
对于机械行业而言，模态分析有以下作用： 评价现有结构系统的动态特性； 对结构进行动强度设计； 深入洞察振动发生的根本原因； 有助于识别出设计的薄弱环节； 结构动力学修改； 验证有限元模型； 检验产品质量。
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
20
系统配置
多输入多输出模态分析（MIMO）
适用于MIMO的方式有以下四种情形：
结构庞大，一点激励能量不够 结构脆弱，不能施加太大的激励 对称性结构，具有重根模态 同时关心多个测量方向
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系统配置
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8
模态测试方法——EMA
锤击法测试系统
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模态测试方法——EMA
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
10
模态测试方法——EMA
激振器激励测试系统
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系统配置
MIMO模态分析方法之PolyLIIR 无限脉冲响应参数识别方法 Infinite Impulse Response 频域特征同PolyMAX 使用脉冲响应或互相关函数
特点
支持EMA、OMA和MIMO 得到水晶般的稳定图 看作是时域的PolyMAX算法
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37
OMA模态测试案例
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
38
INV9821 传感器 被测试件
INV 3060S 数据采集仪
DASP-V10工程版 数据采集分析软件
DASP-V10 模态分析软件
运行模态分析系统框图
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
内自带操作系统 ，可离线采样 以太网接口 16通道/台，最高采样频率51.2kHz /通道 24位AD，Δ-Σ芯片 120dB（典型值）动态范围 1，10，100输入增益 电压DC/AC/IEPE耦合方式，差分模式 分布式，可通过LAN 多台级联 GPS授时，各采集仪同步工作 采集仪内各通道并行采集 数据双存储 兼容无线网络传输
MIMO模态分析方法之PolyLSCF LSCF：多参考点的最小二乘复频域法 国外称PolyMAX
特点
采用离散时间频域模型，属于总体拟合法 快速递推的运算技巧，具有很多优点 既适合锤击和激振器激励，又适合环境激励模态 支持MIMO，适合EMA和OMA
北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
力锤或激振器激励的模态试验，有激励力输入
运行模态分析(Operational Modal Analysis, OMA)
运行状态的模态试验，激励力不可测或无激 励力输入
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7
模态测试方法——EMA
试验模态分析（EMA）基本过程:
结构激振 激振信号及结构响应信号采集 频率响应函数估计 模态参数识别 振型动画
模态测试分析技术
呼春晖 2013.12.13
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
1
主要内容
什么是模态 什么是模态分析 模态分析的作用 模态分析的益处 模态测试方法 模态测试的注意事项
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2
什么是模态
达到基本一致
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
26
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
27
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
29
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北京东方振动和噪声技术研究所
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
25
系统配置
MIMO模态分析方法之自动化模态分析
一键求模态 是建立在对于模态分析专家深刻观察基础上的 把专家知识和经验转换为规则内嵌到软件中去，
使模态分析入门者也可得到专家级结果 提出了频域吻合系数，由此可以定量地比较不
同的模态分析方法参数识别结果的精度。 通过优化，所有分析方法的模态分析结果最终
振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
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PolyIIR方法
PolyLSCF方法
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振动.应变.声学.冲击 全面解决方案
24
系统配置
MIMO模态分析方法之ERA
特征系统实现算法 Eingensystem Realization Algorithm 时域法，NASA最先提出 总体识别，支持MIMO，适合EMA和OMA