模态空间系列（五）趣味解读模态世界--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

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模态空间系列（五）趣味解读模态世界--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?

在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译，得到了Peter Avitabile教授的书面授权，Peter Avitabile教授拥有文章全部权利，北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译，请保留本段的描述信息。

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，蓝色为输入谱，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。

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。）

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。

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。

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。

模态激励全新的解决方案-WaveHitMAX自动脉冲锤  

实验模态分析中必不可少的一环就是模态激励，昊量光电最新推出的这款智能冲击锤的发明为结构动力学应用提供了机械激励的新途径。智能意味着设备内部处理信号。模态锤WaveHitMAX保证了测试对象的全自动、可重复和高精度激励，而没有双重打击。用户可以根据不同的阻尼/延迟时间，设置撞击次数、冲击力和撞击之间的延迟时间。所有的预置，如零点或冲击力搜索，都是由锤子自动完成的。用户不再需要手动调整。

针对全自动冲击锤的研制，WaveHitMAX采用包括整个运动控制的闭环控制方法解决了这一问题。

 

图1. 用于脉冲锤内部运动控制的传感器-执行器控制回路示意图

对新型冲脉冲锤WaveHitMAX的系统设计进行了改进，使传感器信号作为运动控制单元的主要输入参数。这样，脉冲锤的手臂可以向上移动到试件的命中点，在那里，通过力传感器信号中的特征变化检测到接触事件，手臂的移动方向可以反转。

与半自动冲击锤相比，WaveHitMAX自动脉冲锤具有新的功能。内部信号处理的优点有:

• 全自动单击

• 自动搜索用户自定义的冲击力

• 自动零点搜索

• 确认对质量保证的影响

• 更改锤头与测试对象之间的位置，无需重新设置

WaveHitMAX自动模态力锤可以通过以太网在Windows设备(PC或平板电脑)上通过包含的软件快速、轻松地操作。

                                                                              

 自动模态脉冲锤特点：

• 自动零点搜索

• 可重复的单击激发

• 内部传感器评估和过程控制

• 自动搜索和调整冲击力

• 位置的变化是自动预测的

• 通过附件配置脉冲特性

• 通过远程控制或集成到客户系统中来触发功能

• 在德国设计和组装

• CE认证

1.确保单次激发

双重撞击激励可以在时域和频域检测到

 

2.丰富的配件支持

不同的传感器-尖端-配重的组合。

 

综述上文介绍WaveHitMAX - 第一款用于全自动冲击测试的智能脉冲锤，在全新的AI智能脉冲领域实现真正意义上的全自动智能脉冲锤！

如果您对WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：

https://www.auniontech.com/details-1495.html

 

关于Gfai tech

Gfai tech GmbH一直在生产和销售"德国制造"的声音和振动测量和分析创新产品超过15年。作为应用计算机科学促进会（GFai）的100%子公司，它始终以行业为导向和以应用为导向。

Gfai tech以第一台模块化和灵活的声学摄像机而闻名，用于声源的定位，可视化和分析。如今，该产品组合还包括实验模态分析的创新以及用于监测、分析和评估声学测量数据的完整软件解决方案。我们的测量解决方案应用于汽车、工业、空中交通、火车交通和研发领域的降噪、错误检测和声音设计。

上海昊量光电作为gfai tech公司在中国大陆地区独家的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。对于WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。

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