与激振器相关的一般问题（一）

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硬件相关的一般问题激振器和功放的一般信息

激振器和功率放大器构成了一套典型的激振器测试硬件。这实际上是一个带有放大器的声圈马达，类似于立体声系统上的扬声器。信号输送给放大器，放大器将信号输送给激振器，信号可以是简单的正弦波或正弦扫频信号。但对于模态测试而言，这些信号通常是随机的或确定性的。常用信号如下：

不确定性信号：随机或猝发随机
确定性信号：正弦快扫，伪随机或数字步进正弦

在前面的章节中已经讨论过这些类型的信号。图8-1展示了激振器和功放系统的典型布置，包括在结构表面进行测量的力传感器。通常，在结构侧测量的传感器是力传感器或阻抗头。

图8-1 实验模态测试中典型的激振器/功放配置

激振器功放设置为恒流或恒压有什么区别？

大多数一般用途的激振器，功放会设置为恒流模式。当使用一些更常用的激振器激励技术用于模态测试时，这种设置无法提供高质量的频响函数测量。这个对猝发随机激励的影响更为严重，猝发随机激励技术被广泛应用于单个或多个激振器的模态测试。当使用猝发随机激励时，系统的响应需要在FFT分析仪的采样周期结束之前衰减到零。功放设置为恒流模式，在激励结束后，允许激振器线圈的电枢自由浮动。对于阻尼非常小的系统而言，有时激励和响应远远超出了采样周期。

然而，当功放被设置为恒压模式时，反电动势效应对电枢提供的阻抗有助于使系统响应更快地衰减。这样激振器系统似乎为测量提供了阻尼，这似乎是不合理的。但这并不是真正的问题，只要整个测试过程中一直在测量激励力，那么，正确的输入输出关系便被测量记录下来了。（这儿还需要着重注意的是，为了获得正确的测量数据，需要测量激励力，而不是测量功放的电参数）。

有些激振器有耳轴：是否真的需要，为什么要有它？

耳轴实际上是一个支承激振器的支架；它允许激振器旋转到不同的位置。耳轴是激振器系统的一个非常重要的特征，如果没有耳轴，设置激振器模态试验将非常困难。耳轴允许激振器在不同的方位和角度进行激励。当使激振器对准结构以便进行模态试验时，耳轴就非常有用了。结构往往在不同的方向有不同的模态，这些方向相互之间可能是正交的。在这种情况下，为了使每个不同的模态受到充分的激励，需要在X、Y和Z向上提供激励。一种替代的方法是将激振器安装在与结构有倾角的方向上，这样所有不同方向的不同模态都可以同等地受到激励。激振器耳轴在这些类型的测试中绝对是必要的。图8-2显示了一个典型的带耳轴的激振器和倾斜激振器配置的测试应用。

8-2 一个典型的带耳轴的模态激振器（左）和倾角激励力输入的测试设置（右）

模态测试激振器最佳的激励位置在哪里？

激振器激励位置的选择与在哪里放置参考加速度计有所不同，但两者的一些思路是相同的。对于移动力锤的模态测试而言，参考加速度计应放置在所有模态响应都较大的位置。一般来说，激振器参考点位置也有相同的要求，但需要考虑一些额外的事情。通常，激振器的行程和速度有限，同时激振器的最大推力决定了最大加速度。因此，如果激振器安装在位移大或者响应速度大的位置，那么激振器就跟不上结构的响应，激振器就不会施加激励给结构，而是跟随结构的响应。这称为阻抗不匹配。当发生这种情况时，力谱在结构的一个或多个共振频率处会有衰减，从而降低测量的频响函数和相干函数的质量。这种情形得不到良好的数据。在这种情形下，激振器应当位于结构的其它位置，这个位置结构的总响应要小一些，使得激振器在感兴趣频率范围内为结构施加良好的、宽带的、相当平坦的输入力谱。当然，为了做到这一点，需要对结构的预期模态振型有一些了解，但如果没有任何结构模态振型的先验知识，做到这一点就非常困难。通常，在进行激振器测试之前，如果没有其他信息可用，一个初步的锤击模态测试能提供有用的信息，可以帮助了解模态振型。

测试时如何约束激振器？

当设置激振器测试时，为了在想要的方向对结构进行激励，激振器必须与结构对齐。通常所用的激振器推力量级很低，不需要将激振器牢固地固定在地板或工装上。然而，可能会有一些振动通过基座传递到地板上。在这种情况下，激振器牢固地安装在地板上是很关键的。对于低量级的推力，基座周围的热胶固定可能绰绰有余。但在某些情况下，热胶固定可能不够，可能需要某种安装装置。激振器可能需要用螺栓连接到地板上。另一种可能情况是在连接/对准激振器系统之前，使激振器耳轴座落在沙袋上。这种方法并不总是有效，但这是降低激振器基座振动的另一种变通方法。如果观察到激振器基座振动，在测试过程中要检查激振器顶杆对准，以确保不发生偏斜。此外，还应经常检查驱动点频响函数，以确保系统没有发生重大变化。

悬挂激振器进行横向激励的最佳方式是什么？

通常，横向激励需要使用一个激振器吊架，如图8-3中所示的横向悬吊装置或其他等效装置。为了允许激振器进行如图所示的水平运动，需要在激振器四个单独的位置处悬吊。有时需要在激振器底部增加惯性重量，以提高激振器系统的低频激励性能。

图8-3激振器典型的测量设置，图片来源：PCB压电有限公司

激振器设置中，最常见的现实故障是什么？

在模态试验中，经常发生的实际问题是顶杆未对准。虽然没有因为这个导致出现什么真正的破坏结果，但测量的频响函数将不是系统特性的最佳描述，有时由激振器对准不良测试的数据会导致模态参数估计出现困难。通常人们甚至没有意识到测量受到了这些因素的影响，反而会因为结构非常复杂，并且由于噪声、非线性和其它的影响也导致了许多不一致等原因蒙蔽了他们的判断。由于其它常见的因素，人们很容易忽视这些简单的测量问题。

激振器未对准的主要问题是力传感器或阻抗头测到了非顶杆轴向的载荷。这能引起实际施加于结构的激励力失真。尽最大努力实现最合适的测量是非常重要的，而对准是该过程的重要组成部分。

另一个问题是激振器在结构太过柔软的位置进行激励。这会引起几个问题。首先，对于在测试过程中观察到的结构实际位移，激振器可能没有足够的行程与之匹配。不光位移是一个影响，人们常常忘记激振器线圈也有速度限制，一般商用电动激振器的速度极限在70英寸/秒左右。在这些情况下，当结构发生想要的变形（尤其是在共振频率处）时，激振器却不能与结构的实际位移/速度保持一致。因此，激振器电枢不是将力施加到结构上，而是试图推动比线圈运动速度还快的结构。这会导致输入力谱的“力衰减”，特别是在共振频率处。通常这被称为激振器和结构之间的阻抗不匹配。为了解决这个问题，通常需要把激振器移动到结构的另外一个不那么柔软的测点上。

作者：钱小猛，仿真秀科普作者。