51.模态空间06.06-进行模态试验激振到2KHz,但只分析到500Hz,有什么问题吗?

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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进行模态试验激振到2KHz,但只分析到500Hz,有什么问题吗?

我们讨论一下这个问题。

2014年05月08日 发布 ver1.0

现在,这是个有趣的问题。关于它有几个问题要讨论。更重要的问题可能是,为什么有人从一开始想要按照这种方式进行试验,接下来讨论几个问题,它们可能会对总体测量结果有影响,再下来是几种需要考虑的可能替代物。

那么我们考虑图1所示的测量结果。正如所提出的这个问题,测量结果是在2KHz范围内采集的,而要分析的范围仅到500Hz。

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这里没有所谓正确或者错误的答案,但对于所示的这个测量结果的适当性,我有点怀疑。没有一些非常具体的细节的条件下,我实在不想应贵方要求进行这样的测量。看看输入功率谱、互功率谱,频响函数和相干,激励和响应无疑是到了2KHz。看上去在高频范围内有相当高的响应幅值,并且很多的系统模态。这个测量结果看起来总体上可以接受,但是,它确实是在感兴趣的500Hz频率范围内最好的测量结果吗?

也许首先要考虑的是,当激励是更高频率时,为何只需要提取模型信息至500Hz。嗯,要考虑的分析或设计可能只包含低阶频率。也许对于要考虑的设计方面,要建立的模型只需要处理响应至200或400Hz,而无需考虑更高频率的贡献。这说明在系统的总体响应中,高阶模态没有明显地参与其中,可以排除在分析之外。

如果是这种情况,那么激励不需要扩展到高频,来提取测量结果和模型以恰当地描述系统动力学特性。但是有可能激励来自于工作条件,其中,输入激励是宽带的,激起了这个宽的频率范围。但因为它是一种工作条件,可能会被认为是一种比人为产生的激励更好的激励 – 但这肯定是有争议的。

但对试验,也可能会有双重目的之需要。尽管对于你的分析,你可能仅关心频率到500Hz,可能有其他人为了其它的应用,需要利用和分析这个数据至2KHz。当一个试验要用于多个目的和分析时,总会有问题。进行试验,这不是最优的方法,但是,当不能长时间占用试验对象或者在紧张的生产安排中试验对象是高价硬件的时候,纯粹考虑时间因素,或许可以用。不管怎么说,对于这类试验场景,或许有很多理由。

但是或许影响总体测量结果的可能问题是什么?嗯,需要考虑用来采集测量结果的传感器。如果扩展激励到远超500Hz(到了2KHz),那么选择的传感器必须适合于在这种高频范围内的响应。当然,这表示所选的传感器应该适合高频,并且,正因如此,可能在低频没有那么灵敏,不比专门为低频范围选择的加速度计。所以值得关注的问题是,正确选择传感器,它将用于提供500Hz内的恰当测量结果,而且用高频激励不会引起过载或饱和。这会使得传感器选择的不恰当。

另一个问题,激励高至2KHz会引起可能不感兴趣的高频响应,或者可能激发其他问题(如非线性),这样可能会污染整体测量结果。我更喜欢仅仅测量感兴趣的频率范围,如图2所示。

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用低通滤波器限制所用的激励看起来更加明智,这样就不会激起系统的高频模态。这就有可能允许使用更高灵敏度的低频加速度计,能够提供更好的整体测量结果。这也同样允许更好地利用采集系统中的模数转换器。但最重要的是,同样也必须考虑仪器及其相关的信号调理。不必要的传感器载荷作用没有任何意义。为什么要激励和测量不关心的东西呢?

现在观察这个测量结果,刚超过500Hz到1KHz之间模态的贡献可能会有一些问题。如果没有测它们,那么在将来某个时候,可能有理由或者需要来评估今天已经采集的之外的东西。那么看看图3中的下一个频带,你会发现,确实有些可能感兴趣的主要模态(躲得过初一,躲不过十五)。所以你可以发现,很多时候,对于什么频率范围合适没有明确的答案。但是有一点是明确的 – 所选用于进行测量的传感器对于将要测量的实际频率范围是非常敏感的,在开始进行测量之前,这需要深思熟虑。

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那么如果我不得不用2KHz激励进行试验,但只分析到500Hz,又会如何呢?最好还是用2KHz激励进行试验,然后再用500Hz激励做第二次试验。如果上面发现的所有问题都已经正确地处理了,则两次测量结果应该提供同等的信息。那么如果我不得不激励结构至2KHz,那么我会进行两次试验,并分析两组数据,来看看是否有什么显著的差别。当然,这还意味着,仪器必须适合于两种频率范围,则对于低频范围可能不是最优。

我希望这一点的讨论已经把远超实际感兴趣频率范围之外的采集数据的影响解释清楚了。如有需要,任务是可以完成的,但是对于选择传感器,恰当且精确地测量感兴趣的实际频率范围,可能会有一些问题。这一点你需要仔细进行评估。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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