MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD
模态空间 – 在我们自己的小世界中 Pete Avitabile(著) KSI科尚仪器 董书伟（译）
我进行锤击试验时，输入谱看起来失真了 – 你认为我的FFT分析仪有问题吗？
我们做个测试，看一看到底是怎么回事？
2014年05月26日 发布 ver1.0
搞清楚这到底是怎么回事的唯一方法是做点故障排查。但是当然了，我们对于正确的答案应该是什么必须有所了解。嗯…对锤击试验，时域内的力应该仅仅是一个在很短时间范围内的简单脉冲。并且得到的频谱应该是一个在一定频率范围内相对平坦的输入轮廓。输入谱的宽度跟脉冲时间直接相关。基本上，时域内的脉冲越短，激起的频率范围越宽。并且相反地，时域内的脉冲越宽，激起的频率范围月窄。至少这就是我们希望得到的。那么现在我们下到试验室，用你的分析仪采一些测量结果来看一看这是否是我们得到的。（在这篇文章中，我将尽力复现在一个特定的试验室的试验过程中实际上所观察到的东西。但是我不能完全相同地重现所发生的事情，这是由于FFT硬件是不同的。）对于这个试验，将利用一般经典的冲击力锤，被测结构只是一个典型结构，上面安装了一个加速度计。
锤击力如图1所示，同时显示了时域响应（上面黑色的两条曲线）。现在时域信号看起来还不错。冲击信号是一个尖的脉冲，在整个时间范围内带有相对平直的零信号。对于响应信号，系统的自由衰减响应看起来还不错，但是可能需要加窗来减少泄漏。
输入谱（在下部的曲线中显示为蓝色，并且标识为失真的力谱）也是相当的平坦，如同预期的那样带点滚降。但是有一点要注意的是，在频谱上的非常低频的部分有一个明显的脉冲，看起来不正确。这绝对不是我们期望的，并且可能是你咨询关于这个测量结果问题的原因。这需要深入研究。
图1 – 时域冲击力，阻尼衰减的加速度计响应和力谱（正确的和失真的）
现在我们回到时域信号，对测得的信号做些研究。要检查的第一件事是，输入传感器是否具有合适的信号，另外电路是否可能有问题（也就是，检查传感器的饱和以及检查电缆，电池，等等）。通常FFT分析仪设置成某种时域采集模式来观察时域信号，就像是在一个示波器上能做的那样。只要看上去是合适的信号，你就可以着手讨论信号的FFT表示。
时域信号看起来是恰当的…但是需要问一个问题，测得的数据是否已经加了某种窗函数。对这个分析仪，根据分析仪窗函数设置，这里似乎没有加任何的窗到力输入信号上去。但是响应信号可能需要加窗。然而，在很多FFT分析仪上力和响应的窗函数的标签常常含混不清。大多数时候标签有意义，但分析仪软件使用的标签常常没有非常清楚地指明所采用的窗函数。
在这种特殊情况下，输入信号被标识为不需要任何的窗函数 – 力通道上的标签指出了某种类似于“仅有响应窗”的东西。现在这个标签令我感到困惑。这个标签可能意味着“仅有一个窗函数被施加到响应通道上” – 或者它还能表示其他意思吗？当然，我们应该翻开用户手册，阅读与这个特殊的窗设置有关的段落。但是很多时候，一个典型的用户可能认为他了解所有的按钮/标签是什么意思，因为他熟悉早期用过的其他FFT分析仪设备，并且认为没有必要阅读用户手册。另一方面，用户手册手册有时候同样令人困惑。当我开始阅读时，经常被用户手册的信息搞得更为晕菜。
所以，我通常采取一种非常简单的“看着键盘找字”的方法。也就是，选择一个要修改的参数，而其他参数保持不变。在冲击力锤的情况下，首先要检查的是确保力传感器没有损坏 – 检查的最简单的事情是换用另一把力锤，以及电缆和信号调理仪。
下一步的检查是FFT采集系统的设置。力通道的分析仪窗函数设置为“仅是响应窗（response only window）”。响应窗函数同样可以改变 – 但是我们的初步印象是对输入力谱不需要做任何事情。最初响应窗函数设置为汉宁窗，这显然是错误的 – 对于某些其他的测试，例如处理随机类型的信号，这可能是默认的设置。窗应该是或者没有窗或者是指数窗。作为第一次检查，选择矩形窗（并且应该首先这么做，即使最后要求加指数窗）。现在响应信号看上去跟先前观察到的一样。
现在这样是不行的，因为先前加了汉宁窗。嗯，事实证明最初的信号被作为“无窗的”信号，这是很多分析仪的默认设置 – 在某些分析仪上为了观察加窗的信号，必须选择专门的设置。尽管响应信号明显受到加窗的影响，最有趣的发现是，输入通道上的力谱看上去同样受响应通道上的窗函数的影响！力谱谱如图1下部的曲线所示（显示为红色，标识为正确的力谱）。当改变响应窗时，输入通道上的力谱会如何改变呢？
分析仪坏了吗？你应当给制造商报告这个瑕疵吗？嗯 – 实际上不用！在很多FFT分析仪上，通常施加响应窗到响应信号上，为了正确地计算输出跟输入的比值，同时响应窗也加到力信号上了（通常这么做是为了避免仅仅加窗到输出响应上去所导致的失真 – 有理论证明这是有道理的，但这里我们不需要讨论它们）。这里重要的问题是，在很多（但不是所有的）FFT分析仪上，响应窗不但加到了输入通道上而且加到了输出通道上。所以现在我们可以看出为什么最初的力谱失真了 – 现在清楚“仅有响应窗”到底是什么意思了。最初的FFT分析仪采取汉宁窗作为默认设置 – 加到响应通道上。尽管被评估的通道仅仅是力通道，窗对于响应通道的影响也同等重要。
当利用FFT分析仪进行任何测试的时候，你需要极端的小心。你需要确认你了解如何操作分析仪 – 很多分析仪具有很多不同的特点，并且不是所有的分析仪都是一样的。无疑，进行一些像这里做的那样的简单检查，使自己确信测量结果是按照有意义的方式采集的。
我希望我已经回答了你的问题，关于这种测量结果影响的问题。如果你有关于模态分析的任何其他问题，尽管问我好了。
（作者备注：这篇文章中所描述的事件已经利用不同的分析仪硬件进行了复现，来说明在这个有趣的测量过程中到底观察到了什么。它不是一个针对所用硬件的声明 – 而是一个注意事项，试验工程师需要仔细理解他们专门的FFT分析仪硬件的功能。）
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延伸阅读[new]： 《振动：解析与试验模态分析》辛辛那提大学教授Randall J. Allemang博士 编著 KSI科尚仪器 董书伟 翻译…