应该总是使用硬锤头做锤击测试，这样力谱在整个频率范围内才平坦？

linmue

应该总是使用硬锤头做锤击测试，这样力谱在整个频率范围内才平坦？
好，太硬的锤头可能会引起一些问题……

进行锤击法测试时，出于某些原因，每个人都认为输入谱（也称为力谱）在整个感兴趣的频率范围内应该平坦，但我们所谓的力谱“平坦”到底意味着什么呢？更应该这样概括：力谱在整个频率范围内应该“相对平坦”，在频谱图上“没有显著地衰减或零值区域”。这到底是什么意思呢。


基本上，我们希望力谱在整个关心的频率范围内有足够的、分布相当均匀的激励能量。如果力谱完全衰减到零，那么将不能激起结构在那些不关心的频率范围内的响应。我使用词语“相对平坦”是考虑一些工程判断，如哪些测试是可接受的。


当然，很多时候人们不喜欢工程师们的判断，因此他们确定了专门的准则或极限迫使情况能够可控。有时，特定的准则，比如“在整个FFT分析频率范围内，力谱衰减量不能超过3dB”，便被写成了规范。这是非常明确的要求，不允许工程师多想，迫使他们不加思考地按照此规则行事。像这样的准则可能会产生低质量的测试结果，但是如果我们不去思考（或者不允许多加思考），那么可能就会获得不合适的测量。


现在你询问有关用一个硬锤头进行所有锤击测试的问题，我会马上回答你，但在回答之前，先让我们讨论进行锤击法测试时，有关锤头选择的基本知识。首先，需要记住的是作用在结构上的力谱是力锤/锤头刚度和结构刚度的组合结果。输入功率谱主要受力脉冲作用时间长短控制。作用时间长的脉冲产生较窄的频谱，作用时间短的脉冲产生较宽的频谱。


让我们看几个例子，从测试角度明白这些意味着什么（在下面所有图中，黑色表示FRF，蓝色表示力谱，红色表示相干）。


    现在用一个非常软的锤头激励结构，关心的频率为800Hz以内。如图1所示，可以看出400Hz以后，力谱（蓝色）已严重衰减。同时注意到400Hz以后，相干（红色）开始严重衰减，FRF（黑色）也不再像400Hz以前那般光顺。出现这个问题在于高频段没有足够的能量激起结构的响应。如果输入能量不够，那么相应的输出也是有限的。这样由输入引起的的输出和FRF，以及相干都是不可接受的。

图1 非常软的锤头得到的结果

    现在用一个非常硬的锤头，在200Hz内激励结构。如图2所示，可以看出输入功率谱（蓝色）在整个感兴趣的频带内非常平坦，同时也注意到本次测试的相干（红色）不是特别的好。这个问题在于高频段激励结构的能量太多，激起了结构的所有模态（稍后我们将进一步讨论这个问题）。

图2 非常硬的锤头得到的结果

    现在使用一个硬度适中的锤头，在200Hz以内激励结构，这样得到的力谱在感兴趣的频率范围末端没有严重衰减。如图3所示，可以看出输入功率谱（蓝色）在200Hz内衰减了10~20dB。同时注意到在200Hz的带宽内相干看起来效果相当不错，除了几个反共振峰外。相干在反共振峰处的衰减完全是可以接受的，因为在这些频率处（反共振峰）结构是没有响应的。这意味着在反共振峰处，结构没有响应可测，所以相干在此处肯定有衰减。因此，这是一次高质量的测试。

图3 合适的锤头得到的结果

    注意到力谱并不像你建议的那样相当平坦。事实上，当力谱如图2所示那样几乎相当平坦时，得到的测量也并不是高质量的测量。让我来解释其中的原由。考虑如图4所示的测量，此次测量的频率带宽为400Hz，使用的力锤得到的力谱在400Hz的带宽内有近20dB的衰减，但此次测量或许是可接受的。

图4激起的模态位于感兴趣的带宽之外

我只想测量到128Hz，在这个频带内可以应用力谱衰减不能超过3dB的限制。观察图4中128Hz带宽内，力谱衰减了近2~3dB，因此这次测量应该是可接受的。但是你必须意识到虽然分析频率的带宽只有128Hz，但是结构的响应是基于施加到结构上的激励能量。因此，结构的响应会宽于128Hz，因为激励力激起了所有的模态，即使我可能对这些频率不感兴趣。


安装在结构上的加速度计，测量了所有响应，并以电压形式输入到分析仪中。从图中整条FRF曲线可以一眼就看出，似乎只有1/3的激励能量与感兴趣的带宽有关，其余的能量与我们不关心的测量频带有关。但是加速度计能感知所有的激励能量。分析仪上的模数转换器（ADC）可能需要进行相应的设置，保证结构总响应不会出现过荷现象。


如果信号在到达分析仪之前没有进行模拟滤波，那么模数转换器的量程需要设置更高，以避免潜在的过荷。记住，信号大多数能量可能位于感兴趣的128Hz的带宽之外！这将引起模数转换器的量化问题。解决这个问题很容易，通过改变锤头，要求使用的锤头不会激起感兴趣带宽以外的模态。


    现在你能明白为什么我一直不喜欢用硬锤头进行锤击法测试了。为了确保力谱相当平坦，问题在于它激起的模态多数位于我们感兴趣的频带之外，因而可能将会是一次低质量的测量。回想一下，如果还有更多模态分析方面的疑问，请咨询我。

nemia

最近正为选择锤头硬度的问题迷惑呢。以前浏览过Avitabile的文章，居然对这篇一点儿印象都没有。幸好在这里看到了。谢谢。

快乐阳光

楼主真是大好人，跟大家分享了这么多好的资料，太感谢了！

大万

真是太感谢楼主了