频响函数测试技术的基本要点

2017-1-21 02:08| 发布者: weixin| 查看: 3667| 评论: 0|来自: 东华测试

摘要: 所谓频响函数，全名频率响应函数。频响函数是复函数，它是被测系统的动力学特征在频域范围的描述，其实就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。因此，频响函数对结构的动力特性测试具有特殊重要的意义。 ...

所谓频响函数，全名频率响应函数。频响函数是复函数，它是被测系统的动力学特征在频域范围的描述，其实就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。因此，频响函数对结构的动力特性测试具有特殊重要的意义。本文和大家分享一下频响函数测试技术的基本要点。

1. 测试系统及设备

函数是结构系统的固有特性，但它可以通过作用于系统的激励和对应的响应来描述。定义为：

(1) 原理图

Hij为第j点单位激励在第i点的响应

由Xi(ω)、Fj(ω)来确定结构的频响函数Hij，FRFs测试系统应包括：

试验结构
激励系统
测量系统
分析系统
输出和记录系统

测试示意图

白车身结构测试现场及东华测试设备

(2) 激励系统 Excitation System

a. 稳态激励(Stationary Excitation)：信号发生器(Source Generator)、功放(Power Amplifier)、激振器(Shaker、Actuator)

信号发生器：正弦(Sinusoidal)、随机(Random)、瞬态(Transient)

激振器：无台面、小推力。有台面的激振器通常称为振动台。

b. 冲击激励(Impact Excitation)：力锤(Hammer)，适用于小阻尼线性结构。还有夯锤、落锤、摆式冲击锤、小火箭等。

c. 脉动等(Enviromental Excitation)：利用大地、地震、人工爆炸模拟地震风等条件引起的振动。

马鞍山长江大桥模态测试（利用环境脉动）

(3) 测量系统(MeasurementSystem)
包括：传感器(IEPE传感器、电荷式传感器、磁电式传感器等)、测试仪器(包含信号调理器、放大器、A/D、DSP等)、软件(控制、采集、存储、分析)。

2. 激励方式

(1) 步进式正弦激励(Step Sine Excitation)
单频率激励得到稳态响应。应该采取不等距步长的激励，在共振区，曲线变换剧烈，应该采用小步长，保证半功率点之间至少有3个采样点。在远离共振区，曲线变化平缓，可采用较大步长。输入信号应采用平顶窗(Flat Top)。

(2) 自动正弦扫描激励(Auto-Swept Sine Excitation)

不是稳定的响应。正扫描出现峰谷后移；反扫描出现峰谷前移；且峰谷变钝。因此，扫描速度不能太快，并采用峰值保持平均，必要时采用反扫描、正扫描相互校合。输入信号应采用平顶窗(Flat Top)。

(3) 随机激励(Random Excitation)

纯随机(Random)：应采用海宁窗(Hanning Window)，难免泄漏(Leakage)
伪随机(Pseudo Random周期随机)：矩形窗(Rectangular)，可无泄漏
猝发随机(Burst Random)：占空比(10%-100%)可调，与阻尼比有关。采用矩形窗，可无泄漏。

周期随机激励

(4) 冲击激励(Impact Excitation)
激励频率：

激励的时域波形近似半正弦，频谱为：

在分析频带内，各频率成份能够得到均匀的激励能量。激励的有效带宽BW应比分析频带稍宽，激励力在线性条件，应尽可能大些，提高激励和响应信号的信噪比。

激励力加截短的矩形窗(或力窗)，响应加指数衰减窗(Exponential Window)，可无泄漏。

求阻尼时应该扣除指数衰减窗的阻尼σ[sub]0[/sub] 。

3. 激振器的支撑

(1) 试件：

a. 自由支承(Free-Free Support) (最好)

无约束条件容易实现仿真计算，但需要进行移频处理。试验实现真正自由支承的方法有：气悬浮、磁悬浮、太空无重力环境、自由下落(失重状态)。

实际支承的最高刚体频率小于结构最低弹性频率的1 /5，即可减少基础模态(悬挂系统)对结构模态的影响，实现近似自由支承。因此对于低频模态(小于1Hz)要实现自由支承很困难，但对高频模态实现自由支承很容易。主要方法有：

橡胶绳悬挂。要求橡胶绳足够长、足够软
软弹簧支承。
海绵垫、橡胶垫支承。
空气弹簧。

例：154吨自卸车车架试验。弹性体基频约23Hz。若将车架直接放在枕木上，以为枕木支承比钢结构软很多，可以近似自由支承。实际上枕木支承的刚体频率高。实测中会影响了结构的第一、二阶模态。采用橡胶垫支承方，则刚体频率 8Hz，依然不满足自由支承条件，对结构弹性体模态基频有影响。最后采用空气弹簧支承方式，刚体频率 2.3Hz 满足自由支承条件，对结构弹性体模态没有影响。

钢结构圆管测试（悬挂）

b. 固支支承(Fixed-Fixed Support)，又称地面支承

理论上容易实现，仿真计算时只需要将有关自由度约束即可。但实际操作有困难。由于实现固支条件的结构不可能是刚性的(有一定弹性)，就要求支承结构的最低弹性体频率远高于试验结构的最高分析频率。因此要实现高频模态的固支支承是很困难的一般情况下中小结构能够实现的固支频率大约是400Hz，特殊条件下小结构固支有可能超过1000Hz 但对大结构要实现固支支承很困难。

动车变压器模态测试（橡胶垫枕木支承、外部激振器激励）

(2) 激振器

固支在结构物外。
悬挂在结构物外(低频)。因使激振器悬挂系统的频率远低于结构的激励和弹性体共振频率。必要时可在激振器上附加大的质量块以进一步降低悬挂频率。
采用隔振悬挂在结构物内部。

4. 测点布置和激振点的选择

(1) 测点布置

能够较好地反映结构物的构型
能够充分显示结构的模态振型

例：一个梁单元无法求解简支梁的10个模态。计算上一般要求至少20个单元，计算出的20阶模态，只有前10阶准确。

(2) 激励点：应避开节点节线多点激励进行校合。

(3) 激励力的选择：在不破坏试件的情况下，尽可能大的激励力，有助于提高信噪比。不同大小的激励力，可以定性考查结构非线性的程度。

大型机床模态测试（大批量测点充分显示结构的模态振型）

5. 消除附加质量的影响
安装在结构上的传感器和激励环节均对结构产生附加质量，造成使测量结果与原结构的动特性之间的偏差。这种附加质量影响一般采用电路进行补偿。

施加在结构上的激励力fm，真正作用于结构的作用力为ft，应扣除响应传感器附加质量m2*和激振系统引入的附加质量m1*所消耗的惯性，即

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