46.模态空间05.08-有时锤击力正如期望那般非常光滑,但它经常看起来像在振荡-为什么?

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

模态空间 – 在我们自己的小世界中     Pete Avitabile() KSI科尚仪器 董书伟(译)

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有时锤击力正如期望的那样光滑,但它经常看起来像是在振荡这是为什么?

我们观察一些测量结果并讨论一下这个问题

 2014年05年25日 发布 ver1.0

进行锤击试验时,力脉冲看来很规则,形状像是半正弦波。对测量事件的持续时间段内,从零开始,接着是脉冲,然后回到零。

但是,初始半正弦脉冲之后,力脉冲常常像是在零附近振荡。真正的问题是,这为什么会发生?它应该发生吗?它可能是双击吗?该加窗来减少它的影响吗?

嗯…这里要回答的内容很多,我不可能在这一篇文章中面面俱到。这个问题被称为“滤波器振铃”。我们从一些简单的测量结果开始,来说明这个常见的问题。只要通过测量几个样本结果,用一些简单的例子和插图,就可以观察到并有望更好地理解这种效应。

在很多FFT分析仪上都能看到这个问题。为了测量和讨论起见,我将使用一个普通的BRAND XYZ FFT分析仪。用一把力锤和一个响应加速度计在一个典型结构上测得一个典型结果。但是在这里仅仅讨论力输入。有些力脉冲很规则,形状就如同我们期望在教科书中见到的那样。但其他测量结果的力脉冲在脉冲尾部有振荡,好像是一个简单的单自由度系统的响应。这个问题常被称为“滤波器振铃”。这是因为模数转换器(ADC)前端的模拟抗混滤波器可能显示出某种响应,响应是由于它们自身的固有频率可能被力脉冲激起来而造成的。这就是实际所发生的事情。跟每个人所熟知的那样,力脉冲会激起不同的频率范围,取决于用来激励结构的锤头。

但这儿有问题。这种滤波器振铃在你的分析仪上可能明显,也可能不明显,取决于选择什么频率范围(带宽)。现在表面上看这好像不太合理,除非考虑FFT分析仪的实际内部工作方式。通常FFT生产商有不同的抗混滤波器组 – 一个工作于低频,一个工作于高频。通常,如果你测量较低的频范围,则用低频滤波器。如果用软锤头,则不会明显地引起任何的滤波器振铃。但是如果用稍微硬一点的锤头,则高频范围的力锤激励有可能激发低频模拟抗混滤波器。滤波器被激起并有一种动态响应特性,它在力脉冲上呈现为滤波器振铃。

所以我们进行一些测量来说明这种滤波器振铃特性,并看一看设置不同的频率带宽对观察到的滤波器振铃可能有怎样的影响。用一把冲击力锤,带四种不同的锤头,覆盖两种不同的频率范围。锤头包括一个非常软件的红色空气气囊、一个中等硬度的蓝色塑料头,一个稍硬的白色塑料头和一个金属头。分别用力锤来锤击结构采集时域曲线。一组测量中频率带宽设置为400Hz,第二组测量中带宽设为1600Hz。下面两幅图显示出两个频率范围内的不同锤击结果。从上到下锤头从最软到最硬。

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图 1 – 锤击,400Hz带宽                                                                         图 2 – 锤击,1600Hz带宽

注意到随着锤头从软到硬,400Hz带宽具有更为明显的滤波器振铃。这是因为硬点的锤头激起了更宽的频率范围,更有可能激起低频的模拟抗混滤波器。

400Hz带宽与1600Hz带宽进行比较,滤波器振铃上有明显的变化 – 对1600Hz带宽,几乎没有任何振铃。并且唯一的区别在于带宽选择。

在这个特别的FFT分析仪上,用了两组抗混滤波器,取决于选择了哪种带宽。显然,在低频范围内用硬锤头时,滤波器振铃更为明显。这是因为硬锤头在高频具有更多的能量,激起了滤波器的动态特性。注意软锤头是怎样根本地没有激起这种滤波器振铃的。

通常,为了保证不发生滤波器振铃,软锤头是更好选择。如果有振铃,那么选择更高的频率范围是有意义的,这样,减小了滤波器振铃。于是问题不严重并且问题解决了。

我希望这个小小的讨论已经解释清了这个问题,关于在力的时域曲线上观察到的滤波器振铃问题。如果你有关于模态分析的任何其他问题,尽管问我好了。

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