1、工作原理

• 激勵(lì)原理：為使中型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，需施加外部激勵(lì)。常見激勵(lì)方式有力錘激勵(lì)、振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)和環(huán)境激勵(lì)等。力錘激勵(lì)通過力錘敲擊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生沖擊脈沖，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、靈活，適用于現(xiàn)場測試，但激勵(lì)力大小和頻率成分較難精確控制。振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)則將結(jié)構(gòu)固定于振動(dòng)臺(tái)上，通過控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率、幅值和波形，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，能精確控制激勵(lì)條件，但設(shè)備成本高、體積大。環(huán)境激勵(lì)利用自然環(huán)境中的風(fēng)、水流、交通荷載等對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)激勵(lì)，無需額外設(shè)備，但激勵(lì)力難以精確測量和控制，數(shù)據(jù)分析方法復(fù)雜。

• 測量原理：

  • 加速度傳感器：基于壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)或電容效應(yīng)等工作。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，加速度傳感器隨結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部敏感元件因加速度作用產(chǎn)生電信號(hào)變化，經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，從而得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度時(shí)間歷程。壓電式加速度傳感器靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬；壓阻式加速度傳感器低頻響應(yīng)好，可測量靜態(tài)加速度；電容式加速度傳感器精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

  • 數(shù)據(jù)處理原理：傳感器測量得到的模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大、濾波器濾波等預(yù)處理后，由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中，使用專業(yè)模態(tài)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常采用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，得到結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)。然后，通過曲線擬合、峰值搜索等操作，識(shí)別出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比等模態(tài)參數(shù)。

2、應(yīng)用領(lǐng)域

• 航空航天領(lǐng)域：

  • 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化：飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等中型結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性直接影響飛行性能和安全性。通過模態(tài)分析，可確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，避免與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率、氣流激勵(lì)頻率等發(fā)生共振，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)的抗疲勞性能和飛行安全性。

  • 航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件測試：航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣道、風(fēng)扇葉片、燃燒室等中型部件在高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的模態(tài)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性至關(guān)重要。利用傳感器進(jìn)行模態(tài)測試，可獲取部件的模態(tài)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止因振動(dòng)導(dǎo)致的故障和損壞。

• 汽車工業(yè)：

  • 汽車車身與底盤設(shè)計(jì)：汽車車身和底盤作為中型結(jié)構(gòu)，其模態(tài)特性影響車內(nèi)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能及操控穩(wěn)定性。通過模態(tài)分析，可優(yōu)化車身和底盤結(jié)構(gòu)，降低車內(nèi)噪聲和振動(dòng)，提高汽車的舒適性和操控性能。

  • 汽車零部件研發(fā)：汽車的懸掛系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等中型零部件的模態(tài)特性對(duì)汽車整體性能有重要影響。利用模態(tài)分析，可評(píng)估零部件的動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其可靠性和使用壽命。

• 機(jī)械工程領(lǐng)域：

  • 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化：中型機(jī)床的床身、立柱、主軸箱等結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性影響加工精度和表面質(zhì)量。通過模態(tài)分析，可優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高其動(dòng)態(tài)性能，減少加工誤差，提高加工質(zhì)量和效率。

  • 工程機(jī)械設(shè)計(jì)：裝載機(jī)、挖掘機(jī)等工程機(jī)械的工作裝置和車架等中型結(jié)構(gòu)在作業(yè)過程中受到復(fù)雜載荷激勵(lì)。通過模態(tài)分析，可確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高工程機(jī)械的可靠性和使用壽命。

  • 中型機(jī)械手臂：加速度傳感器測量得到的數(shù)據(jù)可用于分析機(jī)械手臂的動(dòng)態(tài)特性，如固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)。通過模態(tài)分析，可以深入了解機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)特性和振動(dòng)特性，為機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障診斷和減振降噪等提供依據(jù)，進(jìn)一步提高機(jī)械手臂的性能和可靠性。