5.模态空间98.10—难道总要用硬锤头进行锤击试验…以使得所有频率上输入谱是平坦的吗?

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)

Oct98-01难道我总要用硬锤头进行锤击试验…

以使得所有频率上的输入谱是平坦的吗?

嗯…锤头太硬会有问题。

出于某些原因,人皆认为进行锤击试验时,在感兴趣的整个频率范围内,输入谱应该是平坦的。但是我们所说的“平坦”到底是什么。嗯,更恰当的说法是,输入谱在所有频率上应该是“还算平坦”,并且频谱上“没有明显的漏点或零点”。那么这是什么意思?

总的说来,我们想要输入谱在关心的频率范围内具有足够的、相当平坦的激励。假设输入谱完全衰减到零,则在这个频率上激不起结构,这是我们所不希望的。我用“还算平坦”这个词以允许对,什么是我们可以接受的,作出某种工程判断。

当然,大多数情况下,人们不喜欢工程师使用判断力。所以他们确定了具体的标准或限值以强制情况可控。有时,发布了带有具体标准的技术规范,诸如“在FFT分析频率范围内,输入谱衰减不得超过3dB”。这是一个非常具体的要求,不允许工程师进行思考。它只会使工程师不得不遵守规则、无需思考。一个类似这样的标准可能使得糟糕的测量结果一定发生。可是,如果我们不要思考(或不允许去思考),那么就可能采集不到恰当的测量结果。

刚才,你问过,对于所有的锤击试验使用硬锤头。这个问题我稍后解答,但我们先讨论一些基本知识,是关于锤击试验的锤头选择的。首先,我们记得,施加到结构上的输入力谱是锤头硬度以及结构硬度综合作用的结果。总的说来,输入功率谱是由冲击脉冲的时间长度控制的。时域内的长脉冲产生短或窄频谱。时域内的短脉冲产生宽频谱。

让我们来看些实例,并从测量的角度来理解这是什么意思。(下面所有图中,黑色为频响FRF,绿色为输入谱,而红色为相干)。

现在,我们使用一个非常软件的锤头来激励一个结构,频率范围为800Hz。如图1所示,我们看到,过了400Hz,输入功率谱(蓝色)有较明显的衰减。也注意到,400Hz之后,相干(红色)开始明显衰减,而且过了400Hz,频响FRF(黑色)看上去也不是特别好。此处症结在于,高频部分没有足够的激励来引起结构响应。没有输入就没有输出。因为测得的输入、频响、以及相干不可接受,则不必妄谈测得的输出。
Oct98-Fig01

现在,让我们使用一个非常硬的锤头来激励一个结构,频率范围为200Hz。如图2所示,我们看到,输入功率谱(蓝色)在感兴趣的整个频率范围内极其平坦。也注意到,对于此次测量结果,相干(红色)不是特别好。此处症结在于,高频部分激励过甚,引起了结构所有阶模态的响应。(我们稍后进一步讨论这一点。)
Oct98-Fig02

现在,让我们利用中等硬度的锤头来激励结构,频率范围为200Hz,这样一来,在感兴趣频率范围的尾部,输入力谱没有明显的衰减。如图3所示,我们看到,输入功率谱(蓝色)在200Hz的位置衰减了10~20dB。也注意到,除了反共振频率之外,相干(红色)在200Hz范围内的所有频率上看上去都特别好。在这些反共振频率上,相干的衰减完全可以接受,因为在这些频率上,结构不产生共振(反共振)。这意味着测量不到响应,相干预期会在此处减小。这是个不错的测量结果。
Oct98-Fig03

注意到,输入谱并不是如你所建议的那样完全平坦。实际上,当输入几乎完全平坦时,如图2所示,测量结果并不好。那我们解释这是为什么?考虑如图4所示的测量结果。这个测量结果是在400H带宽范围内采集到的。对于这个测量结果,在400Hz带宽范围内,所用锤头大约具有20dB的衰减,这大体上可以接受。

现在,比如说我只想要测量到128Hz,并且我想限定输入谱衰减不得超过3dB。那么观察图4,图4具体指出了128Hz带宽。在这个128Hz频率范围内,输入力谱衰减了大约2~3dB。因此这个测量结果应该可以接受。但是你必须意识到,尽管频率范围只有128Hz,但结构响应是基于施加到结构中的能量的。因此,128Hz之外,由于输入激振力激起了所有阶模态,因此结构有较大响应 — 尽管我可能对哪些频率并不感兴趣
Oct98-Fig04
安装到结构上的加速度计,测量所有的响应并且输出一个电压,电压输入到信号分析仪。只要快速地浏览一下频响FRF曲线下面的整个区域,看上去只有1/3的能量与感兴趣的带宽相关。其他部分的能量与某些情况相关,对之我没有兴趣揣度。但是加速度计却感知到这个能量!可能需要对信号分析仪的ADC进行设置,这样不会因结构总体响应而发生过荷。

如果信号在输入到分析仪之前,没有进行模拟滤波,则ADC可能需要设置的很高,以避免潜在的过荷。记住,信号的大部分能量有可能超出感兴趣的128Hz带宽!!!这会导致ADC中的量化问题。利用锤头很容易解决这个问题,锤头没有激起、也没有必要激起感兴趣带宽之外的模态。

好了,现在你能理解,对于锤击试验,我为何不喜欢一直用硬锤头了。确定无疑,它可以产生一个相当平坦的输入谱。问题是它激起了比预期更多的模态,这样或许导致测量结果糟糕。好好考虑一下,并且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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