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在产品设计中，模态测试与分析是研究机械结构动力、获取系统模态参数的重要手段，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。本文首先介绍了模态分析的发展，其次从激励、系统、响应三个要素分别讨论了激励设备选型、试验安装和软硬件配置，然后介绍了常见的锤击法、激振器法和纯模态法的实验方法和试验流程，最后通过舵机模态试验的分享，为相关试验提供实践经验和数据参考。
一、模态分析的发展 从简单的梁、板、壳动力学方程理论分析到有限元商业软件数值仿真，都是以线性振动理论为基础，研究激励、系统、响应三者的关系，需要了解结构的几何形状、边界条件和材料特性。这两种方法虽然方便快捷，但由于对结构、各结合部连接条件及其等效动力学参数、阻尼假设、各种边界条件的近似及简化，不可避免的带来了计算误差，从而影响了其动态特性的模拟精度。 物理试验是通过测得激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数，再运用参数识别方法，求得系统的模态参数。试验获得的数据可信度较高，但存在试验周期长、能耗较大的缺点。理论分析、数值仿真和物理试验的模态分析方法各有优点，又各有其局限性。因此，探讨这些方法的差异和相互关系，并将其有机地结合起来，取长补短，已成为模态分析的主要发展方向。·理论分析是仿真和试验的基础，指导仿真建模和分析。同时物理试验能使人直观的去理解理论模态分析。·数值仿真是将理论分析进行封装，为物理试验中软硬件选型和布置方式等提供支持。·物理试验是对模型最直接的认识，试验设计需要结合理论分析和数值仿真的知识和结果。
二、建立测试系统 建立测试系统是模态试验的前期准备过程，需要根据被测对象的理论分析和计算，确定测试方案（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），并包括试件的安装和调试，测试系统的校准等工作。以下分别从激励、系统和响应三个要素，详细论述了模态试验中的软硬件选型和配置：人工激励的方式有多种，常用的有力锤和激振器，偶尔还会用如落锤、振动台、实际工况激励等方式。其中，锤击法适用于简单规则部件、小型、轻型试件；激振器法适用于复杂结构部件及重型试验件。力锤和激振器的选型需要根据被测试件的理论分析和计算结果来进行确定。
最大激励力；频率范围；最大振动；配套放大器；配套冷却系统
2.2 系统安装 结构系统通常未知，物理模型的吊装方式影响试验结果。针对不同的试件和模态分析频段选取合适的安装方式。自由悬挂是一种最佳支承方式，可避免环境振动和支承刚度对测试的影响，重复性好。实际采用橡皮绳、海绵垫、空气弹簧等弹性件悬吊或支承试件。要求试件刚体振动模态频率低于试件弹性模态频率的1/5。
将试件刚性固结在质量大、刚度高的基础上，此法通常只适合于测量分析试件的低频模态，高频模态常由于连接刚度的改变和基础振动模态影响造成精度和重复性差。
由于支撑刚度（边界条件）的随机因素，测量结果重复性往往不良。在后续案例中，考虑舵面在实际工作状态时存在多种加载方式（弯矩、扭矩、惯性负载加载），在舵机结构刚性支撑的基础上，采用加载电机实现舵面负载加载。
2.3响应采集软硬件配置 响应信号的获取涉及传感器、线缆、采集仪、采集软件等。这些软硬件的配置需要考虑试验模型、试验环境和试验目的等综合因素。
信号是否需要调理；是否考虑工作温度；是否需要绝缘布置；是否防水防尘；是否需要离线测量；是否长距离信号传输… …板卡采用频率；通道数；便携性能；是否信号输出；软件分析功能如：前后处理、几何建模、模态测试、模态识别等等
锤击法是利用力锤敲击被测结构，同时采集振动响应和激励力信号，并通过分析软件计算传递函数和模态识别。锤击法有用单点力锤激励、多点加速度测量和多点力锤激励、单点加速度测量方式。锤击法的测试原理和连线示意图如下：
3.2激振器法 激振器法是通过采集仪输出信号源来控制激振器，激励被测试件，同样采用分析软件来计算传递函数和模态识别。其中，输出信号有先进扫频正弦、随机噪声、正弦、调频脉冲等信号。同时，激振器法支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法(MIMO)。激振器法的测试原理和连线示意图如下：
3.3纯模态法 纯模态测试使用引起共振频率的正弦力激励结构。激励幅值分布通过调谐保证只有一阶振型被激励出来，这一过程就是采用物理方式隔离。一旦某一阶模态隔离后，其振型就可以从测量的响应中获得，集中参数则可以从测得的激励点的机械能量中获得。纯模态法的连线图与激振器法一样，主要区别在于试验时激励力位置、频率、激励幅值的调节。纯模态法的试验是将激振器法获得的传递函数和相关系数导入，再进一步的测量和分析，其试验流程为：
本试验针对客户实际的舵面产品，采用模态测试系统对舵机进行激振器法和纯模态法测试，并对测试的方法、数据和收敛规律进行校核。
参考《Test.lab中文操作指南——模态部分》
试验安装及测点布置图（其中绿点为测点位置，红点为激励点位置）根据激振器法测试流程进行测试和分析，以下给出部分重要测试界面和试验结果。激振器法测试分析通过调节输出电压即激励力的大小，分别调频获得纯模态频率，当模态频率逐渐收敛或激励力无法加载时，试验结束，并读取频率收敛或低谷值。
试验模态分析与理论模态分析相结合，在保证精度的前提下能提高分析效率，这将是模态分析的主要发展方向。分别从激励、系统和响应三个方面，讨论了试验系统建立的诸多细节，为其他类似的模态试验建设提供参考。最后，通过舵机的模态测试案例分享，能有效提高读者的试验能力和实践经验。 能科股份介绍
能科科技股份有限公司，成立于2006年12月，2016年10月在上交所上市（股票代码：603859.SH），致力成为业内领先的智能制造与智能电气先进技术提供商。坚持智能制造、智能电气双轮驱动战略，依托先进的工业软件和电力电子技术，为客户定制专属的，以工业互联网为核心的，数字化、网络化、智能化系统解决方案。
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