模态空间系列（一）趣味解读模态空间--你能为我解释模态分析吗?

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模态空间系列（一）趣味解读模态空间--你能为我解释模态分析吗?

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。

你能为我解释模态分析吗?   

嗯…说来有点话长，但下面的解释人人都可理解

 

请我用简单的概念来解释模态分析，以便任何人都可以理解它，你不是第1个人。简言之，模态分析是一种方法，籍此，可以根据结构的频率、阻尼和振型等固有属性-其动态特性-来描述结构。这真够拗口的，那我们来解释这是什么意思。不钻技术牛角尖，我经常用一个简单平板的振动模态来解释模态分析。对于刚接触振动及模态分析的工程师们来讲，这种解释向来有益。

 

考虑一个自由支撑平板，施加常力于平板一角。我们通常从静态的意义上来看待一个力，它在平板内引起某种静态变形。但这里我要做的是施加一个按正弦方式变化的力，振荡频率固定的常力。我们将改变振荡频率，但不改变力的峰值-仅是力的振荡频率改变。另在平板一角安装一加速度计来测量激励引起的平板响应。

 

如果现在测量平板响应，注意到当改变输入力的振荡频率时，响应幅值也发生变化。频率升高过程中，不同时刻点上，幅值有增也有减。这好像很奇怪，因为我们施加常力于系统，响应幅值却随输入力的振荡速率而变化。但这确确实实发生了 — 当施加的力的振荡速率越来越接近于系统固有频率（或共振频率）时，响应增大，当振荡速率为系统固有频率时，响应达到z大值。想想看，这真令人惊奇，因为我每时每刻都施加了相同幅值的力-仅仅是振荡速率改变而已！

 

这个时域数据提供了非常有用的信息。但是如果采集到时域数据，并利用快速傅立叶变换将它变换到频域，则可以求得所谓的频响函数。现在有几点要关注：系统共振频率处，这个函数上有峰值。输入激励的振荡速率等于峰值频率的位置，观察到了时域z大响应。

 

现在如果将时域波形跟频响图形叠加在一起，会注意到时域波形达到z大值时的振荡频率与频响函数z大峰处的频率相一致。所以，既可以利用时域波形来确定幅值达到z大值处的频率，也可以用频响函数来确定固有频率何处发生。显然，用频响函数更容易求。

结构为何具有这些固有属性，你感到大为惊奇。对了，在这些固有频率处，变形形式也大为不同，依赖于激振力用哪个频率。

好了，我们来看一看，在每个固有频率处，结构上的变形形式是怎样的。在平板上均布45个加速度计，测量不同激振频率的平板响应幅值。如果在每个频率处驻留-每次一个固有频率-可以观察结构上的变形形式。图中显示了按某一阶系统固有频率激励时，得到的变形形式。在第1阶固有频率驻留时，平板具有第1阶弯曲变形形式，如蓝色所示。在第二阶固有频率驻留时，平板具有第1阶扭转变形形式，如红色所示。在第三、四阶固有频率驻留时，第二阶弯曲和第二阶扭转变形形式如绿色和紫红色所示。这些变形形式称为结构的模态振型。（从纯粹数学角度讲，这不完全正确。但事实上，此处简单讨论起见，这些变形形式非常接近于模态振型）

 

你看，我们设计的所有结构都具有这些固有频率和模态振型。从本质上讲，这些特性依赖于结构的质量和刚度，它决定了固有频率和模态振型何处存在。作为设计工程师，需要确定这些频率，并且需要知道当力激励结构时，它们是如何影响结构响应的。理解模态振型和受激结构如何振动，将有助于设计工程师设计出更优的结构。然而模态分析的内容很多，这只是一个非常简单的解释。

现在我们能够更好地理解模态分析是什么 — 它研究结构的固有特性。利用固有频率和模态振型（依赖于结构的质量和刚度分布）帮助设计噪声和振动方面应用的结构系统。我们利用模态分析来帮助设计所有类型的结构，包括汽车、飞机、航天器、计算机、网球拍、高尔夫球杆…等等。

我希望这个非常简明的介绍有助于解释模态分析是什么。我曾经利用上面的例子向我的妈妈解释模态分析，并且我认为她第1次真正了解我是从事什么工作的了。自此以后，听到妈妈给她的朋友们解释模态分析，使用了不少非常接近于模态分析的词，其中z接近的一次是她称之为面条分析（noodle analysis）…好了，有点扯远了！

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 - 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。

更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。