48.模态空间05.12-对锤击试验,测量带宽应该与感兴趣的频率带宽相一致吗?

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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对锤击试验,测量带宽应该与感兴趣的频率带宽相一致吗?

我们讨论一下这个问题,来看一看为何它们或许不需要一致。

2014年05月19日 发布 ver1.0

现在,这个问题可能表面上看起来很简单。但是当我们讨论它时,你可能意识到,有一些其他事情使得你不这样思考这个问题。表面上,要进行的测量结果好像应该覆盖感兴趣的频响范围。

显然,如果带宽窄,则可能观察不到感兴趣的更高阶模态。另外,当然如果带宽太宽,则可能有不感兴趣的高阶模态响应。但真正的问题在于 – 后面这种情况不受欢迎吗?或者能选择更宽的频率范围并得到同等或更好的测量结果吗?嗯…这里在最终下结论之前,也许这个问题需要更多一些的讨论和评估。

我们考虑一个典型结构上的简单测量结果,其中对前2阶或前3阶模态感兴趣。预期在800Hz带宽范围内存在前3阶模态。在800Hz带宽范围内的典型测量结果如图1所示,带800条谱线。

总体上,测量结果看起来相当的好。频响很好地展示出期望的峰,测量结果看上去可以接受。在所有频率上,输入谱表现得相当平坦,在整个频率范围内大约有20dB的滚降。感兴趣的范围内的大部分频率上,相干相当的好。(尽管在图上很难看出,在频率范围内,即使是在共振频率上,相干有少许点儿降落,但对多数工程师的用途而言,兴许是可以接受的。)

那么这个测量结果可能有什么毛病吗?我们观察跟系统响应相关的时域信号。

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图1 – 800Hz带宽范围内的输入谱,相干和频响函数

现在,注意到时域响应在时域记录的1/4时间内很快衰减完了。那这是问题吗?表面上看 – 不是。但我真正想问的是,我能测得更好的结果吗?另外怎么测到?

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图2 – 800Hz带宽的时域响应输出

观察图2中的时域响应。响应通道上的任何噪声在测得的频响函数中极有可能很大。(对这个例子所示的情况,没有任何明显的噪声。但如果有,频响函数以及相干将会变糟。)

我们考虑测量结果的一个不同频率带宽。下一次测量,我们尽量使时域响应最优,对时域记录或采集的数据块来讲,在大部分的时间内使其是相当大的信号。信号如图3所示。注意现在时域响应占据了时域记录的大部分时间。

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图 3 – 3200Hz带宽的时域响应输出

现在也看一看得到的输入谱、相干和频响函数,如图4所示。

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图 4 – 3200Hz带宽范围内的输入谱、相干和频响函数

乍看之下,在整个频率范围内这个测量结果看上去很不好。但是在感兴趣的前几阶模态频率范围内,测量结果实际上非常好。(同样,尽管在图上很难看出,如果总体上不是更好的话,但相干实际上至少跟图2中的一样好。)

所以这里最主要的是,根据测得的响应的相干,实际上第2次测量结果是首选。测量的窍门是,应该选择力锤锤头以仅仅激起感兴趣的频率范围不是FFT分析仪的整个带宽。这样,可以得到感兴趣模态的良好测量结果。

在很多不同测量情况下,我曾多次遇到过这种问题。通常,人们被弄糊涂了,为什么这个测量结果或许能接受,但如同我讨论的这个测量问题,毫无疑问,实际上总体测量结果可以比窄带的更好。

一个特例,跟几年前在一个航空结构监视舱上测得的一些结果有关。在窄的特定频率范围内,初始测量结果噪声严重,因为在测量时域记录时间内响应很快消失了。选择更宽的频率范围,这里,在整个时域记录时间内响应信号相当大,实际上生成了感兴趣模态的更好的测量结果。另外,同样选择力锤锤头以仅仅激起感兴趣的模态,而不是FFT分析过程的整个频率范围。这个结构上的一个典型测量结果如图5所示。(遗憾的是,没有窄带的FRF测量结果可供比较,但总体上窄带的是更糟的结果。)

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图 5 – POD测量结果的FRF/相干

我希望这个小小的讨论已经把改善测量结果的替代方法解释清了。不论哪种情况,在继续采取一个特定行动之前,需要做出判断来确定哪个测量结果总体上最优。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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