Chapter4|4.2.9锤击测试：一组测量实例

Esniper 2018-07-18

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4.2.9锤击测试：一组测量实例

现在让我们来看看对一个简单的结构进行的测量，考虑不同的分析仪设置的影响，以及它们对相应的频响函数的影响。将对频率带宽、分辨率和使用不同的锤击锤头进行调查。注意，一些频响函数是通过使用HPGL输出文件来获得的，不幸的是遭受了一些屏幕分辨率问题，但是仍然展示了一些非常重要的特性。测试结构是一个矩形框架，在过去的几十年里已经多次使用。图4-19所示为待测结构和带力锤的FFT分析仪，供参考。

图4-19 蓝色框架结构典型的锤击测量设置

现在让我们先用软塑料头。图4-20显示了800Hz的带宽和400条谱线。注意到输入脉冲相当尖锐，并且有相当多的时域响应在数据块的末尾未充分衰减。显然，如果不使用窗函数，那么这个测量将存在泄漏。

图4-20 800Hz的带宽和400条谱线的锤击测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、时域响应（左下角）和FRF（右下角）

在测量中可以看到泄漏，但是注意到在高频段测量也不是特别好。这是因为输入力谱在400Hz内就大幅衰减了。这说明所使用的锤头并不能很好地激起这个频率范围。必须要用较硬的锤头或不同的频率范围。

现在还是使用软塑料头，使用200 Hz的带宽和800条谱线，如图4-21所示。注意到输入力脉冲相当尖锐，并且时域响应时间更长。但注意到时域响应衰减比前一种情况更接近于零。这是因为时域记录比之前的情况要长得多，所以时域响应有更长的时间自然地衰减到零，但是信号还是没有完全衰减到足以消除泄漏。现在在测量中还可以看到泄漏，因为在峰值区域内的频响函数失真了。可能还不清楚一个好的频响函数应该是什么样子，让我们改变更多的参数再看。

图4-21 200Hz的带宽和800条谱线的锤击测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、时域响应（左下角）和FRF（右下角）

现在仍然使用软塑料头，400Hz的带宽和400条谱线，并且对时域数据施加指数窗，如图4-22所示。注意到输入力脉冲相当尖锐，响应似乎在时域数据块末端衰减到零了。由于对数据施加了指数窗，所以未加窗的原始数据便观测不到了。现在，我们注意到信号似乎在分析仪的一个采样间隔内完全可以观察到。

图4-22 400Hz的带宽和400条谱线的锤击测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、时域响应（左下角）和FRF（右下角）

这个测量看起来相当不错。注意到输入力谱相当平坦，但在频域数据块的末端有一些衰减。频响函数在频域数据块的末端也有一些失真。仔细观察最后的测量，注意到在第一个频率处有两个密集模态，但是在这个测量中没有看到。让我们再仔细看看。

现在仍然使用软塑料头，并使用400Hz带宽和 800条谱线，对时域数据施加指数窗，测量结果如图4-23所示。现在查看未加窗的时域数据和加窗的时域数据，以清楚到底有什么变化。注意到时域信号在分析仪的一个采样间隔内似乎完全可以观测到。

图4-23 400Hz的带宽和800条谱线，加指数窗的测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、原始时域信号（中左）、加窗的时域响应（底部左）和FRF（底部右）

现在这个测量看起来相当不错。注意到输入力谱相当平坦，但在频域数据块的末端有近20dB的衰减。频响函数在频域数据块的末端也有一些失真。注意到现在在第一个频率处有两个峰值。这是因为使用了更高的频率分辨率，这能减少指数窗的使用。在最近的一次测量中，施加了一个大指数窗，所以两个峰值拖尾在一起了，看起来像一个峰值，但实际上有两个峰值。当锤击测试使用指数窗时，这是一个非常重要的问题。

现在，为了确认发生了什么，让我们对响应施加一个大指数窗以查看影响（图4-24）。仍然使用软塑料头，但现在只有400Hz的带宽和400条谱线，再次对时域数据施加指数窗。同样，未加窗的原始时域数据和加窗的时域数据都显示出来，以表明发生的变化。注意到时域信号在分析仪的一个采样间隔内似乎完全可以观测到，但对信号施加的指数窗作用相当显著。

图4-24 400Hz的带宽和400条谱线，加大指数窗的测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、原始时域信号（中左）、加窗的时域响应（底部左）和FRF（底部右）

这个测量看起来相当不错。注意到输入力谱相当平坦，但在频域数据块的末端有一些衰减。但这两个密集的峰在第一个频率处是看不到的。这意味着大指数窗的应用可能掩盖了系统的一些模态。那么，当测试使用锤击法时应该做些什么呢？一般来说，尽量施加小指数窗，这可以通过增加更多的谱线或改变带宽来实现。下面我们来做这两件事。

现在，仍然使用软塑料头（到现在，锤头还没有改变）。现在让我们使用一个100Hz的带宽和800条谱线以及对时域数据施加一个非常小的指数窗，如图4-25所示。现在，查看未加窗的原始时域数据和加窗的数据，看看发生了什么。注意到在分析仪的一个采样间隔内，时域信号似乎完全可以观察到，但是需要对响应信号施加一个极小的指数窗。

图4-25 100Hz的带宽和800条谱线，加小指数窗的测量：时域力脉冲（左上角）、力谱（右上角）、原始时域信号（中左）、加窗的时域响应（底部左）和FRF（底部右）

现在频响函数看起来非常好。注意到在50Hz的频率范围内，有两个密集模态。如果使用了不合适的分析仪设置，那么就可能丢失这些密集模态，注意仔细检查数据和使用适合的测量设置对于清楚地看到这两阶密集模态来说是至关重要的。在进行这些测量时需要注意。

我们已经了解了测量过程，现在让我们来考察力锤的一些不同的锤头。

现在让我们尝试使用一个更软橡皮头，800Hz的带宽和800条谱线，如图4-26所示。仅查看输入力谱、频响函数和相干。注意到输入力谱很快就衰减了，而在频率范围的后半段，能量较小。频响函数在高频段看起来也很差，观察相干函数，显然在频率范围的后半部分测量是不充分的。

图4-26 800Hz的带宽和800条谱线的测量：输入力谱（上）、FRF（中）和相干（底）

现在让我们使用一个硬金属头，200 Hz的带宽和800条谱线，如图4-27所示。只给出输入力谱、频响函数和相干。现在，由于使用了一个硬的锤头，输入力谱与预期一样平坦。但与其他高质量的测量相比，频响函数和相干似乎并不像预期的那么好。输入力谱确实相当平坦，正因为力谱相当平坦，使得它激起了许多感兴趣频率范围之外的模态。当然，加速度计测量的响应和ADC设置必须针对加速度计能测量到的总能量，即使只有部分能量与感兴趣的低频相关。这样测量会遭受量化误差。总是选择刚好能激起感兴趣频率范围的锤头。本质上，这需要做一些权衡：大的力谱衰减和缺少能激起的模态对比小的力谱衰减和激起了许多不感兴趣的模态。

图4-27 200Hz的带宽和800条谱线的金属头测量：输入力谱（上）、FRF（中）和相干（底）

现在让我们再次使用这个软锤头，200 Hz 的带宽和800条谱线，如图4-28所示。只给出了输入力谱、频响函数和相干。在这种情况下，输入力谱有略小于10dB的衰减。这可能是可以接受的。频响函数非常好，也可以看到密集模态。相干函数也很好，在所有频率处接近于1，除了在反共振峰处有一些微小的下降，这个下降是预期的，可容忍的。这似乎是一次可以接受的测量。

图4-28 200Hz的带宽和800条谱线的软锤头测量：输入力谱（上）、FRF（中）和相干（底）

现在回过头来看看所有的步骤都是为了达到这个目的，为了实现这个测量数据所做的一切。这是一种典型的测量序列，在进行锤击测量时一直这样做，以确保没有遗漏任何信息。为了重新覆盖所观察到的测量，图4-29显示了上面包含的整个测量过程中最关键的三次测量。图中分别显示的是，左边应用小指数窗，中间应用大指数窗，右边是一次很好的测量。增加时间和频率分辨率使得所有的模态都可见，没有失真，最上面的信号是锤击的力脉冲，中间是时域响应，底部是频响函数。所有的测量都是在相同的带宽上进行的，但是使用了不同的指数窗以表明指数窗的影响，这可能会掩盖测量中的一些模态。这是至关重要的。一般来说，总是试图在不施加任何指数窗的情况下进行测量，即使当指数窗最终是必须的时候。不加窗可能会存在泄漏，但至少这是一个好机会，使得所有的模态都能观测到。当对测量指定力/指数窗时，许多FFT分析仪和软件包都有默认的参数设置。这是非常糟糕的，因为新手可能不会认为或意识到指数窗可能会隐藏一些关键信息。第一次测量应该是不加窗的。这将使数据中的模态更易察看到。在第一次测量之后，可以对测量应用指数窗，但是要了解在测量数据中有多少阶模态存在。如果第一个测量是图4-29（也是图4-22）中的左边，那么用户可能会认为它是一次很好的度量，具有良好的频响函数和良好的相干。然而，他们可能没有意识到在第一个峰值处有两阶模态。这也将导致在后续的参数估计过程中产生迷惑，稳态图可能很难解释：从差的稳态图中，可能会认为存在质量载荷、时变性和非线性问题等，而实际上有可能结构真有两阶模态存在而被认为似乎只是一个峰值。尽管最终可能需要指数窗，但在未进行不加窗的测量之前，不要使用它，以确保实际真正需要窗函数。