模态测试技术简述
模态测试技术从上世纪70年代开始，得到了很大的发展，而且技术越来越成熟，应用越来越追求广泛。已经成为航空航天、工程机械、汽车及交通、船舶、海洋平台、能源电力、建筑、桥梁、机床、家电、医疗器械等领域的必要的测试要求和动态设计的基础。但如何做好模态测试，得到准确和可靠的模态参数，截止目前还是工程师们努力的目标。本文从以下方面做了简要阐述
⊙为什么做模态测试
⊙测试设备
⊙试验设置
⊙测点和自由度的确定
⊙测试数据验证
⊙模态参数识别
⊙模态结果有效性验证
01、为什么做模态测试
任何结构和空腔都存在固有频率，需要确定测试的目的性。一般有下面几种情况：
* 提供设计指导
* Benchmarking 与竞品分析
* 设计目标设置与验证
* 相关和修正CAE分析模型
* 结构动态特性评价
* 杂交CAE 分析模型
* 结构设计修改指导
* 载荷识别
* 故障诊断Troubleshooting
* 结构共振疲劳，等等
只有知道了需求，才能做好测试方案的设计。
02、测试设备
做好模态测试，合适的测试设备是很关键的。测试设备包括激振系统、信号拾取系统、数据采集系统。
激振系统有力锤和激振器和功率放大器（电磁、液压、非接触式磁电、声激励），根据测试对象，所需激振力大小，激振的方便性选择合适的激振设备。比如对于大型结构和大的位移行程，采用液压激振器；对于飞机和汽车整车，采用电磁激振器，可使用多点激振；对于小型结构，如汽车部件，叶片等采用锤击法。对于桥梁，可采用自然激励法等。特殊情况下，对于大型结构、薄壁结构和空腔，可采用声激励。
力锤是使用方便、成本低的一种激励方式，需要考虑其大小，频率范围可从锤头材料的选择来决定。通过配重块也可加大激振力。如图1
图1 锤头材料与激振频率范围
根据激励力的大小，选择匹配的力传感器。由于大多信号调理集成在数采前端中，目前所以使用ICP 型的。对于力的要求比较高，动态范围满足不了的，可选择电荷型的，需配电荷放大器。
信号拾取振动加速度传感器、传声器，非接触式激光测振仪、信号调理等。根据测试结构的大小、布置传感器的方便性，选择合适的拾取方式。传感器的量程、频率范围、动态范围、质量大小是必须要考虑，有时工作温度也会考虑。目前接触式大多使用ICP型的，对于动态范围要求高，或高温要求，可选择电荷型的，需配电荷放大器。
一般模态传感器的要求质量轻、频率范围宽、灵敏度高，所以主要传感器厂家都提供专用的模态传感器。另根据测试要求，可选用单向和三向加速度传感器。
另外对建筑、桥梁结构、船舶，可能需要低频性能好的传感器，可以使用电容式和压阻式，都是从零频开始。
数据采集系统数采系统一般有两通道的频谱分析仪和多通道采集系统。频谱分析仪用于锤击法。现在大多数用多通道采集。对于数采系统的要求有：通道数，根据测试结构可选择单机箱和多机箱并联，从两通道可到1000通道。现在都是调理内置，输入方式采用ICP/电压方式，动态范围尽量大。内置调理方式的动态范围不如外置调理器，比如对于锤击法容易过载；对响应很小的土木和桥梁结构，最好外加调理器。
输出源通道也是必须的，一般用两个源，对于大型和复杂结构，可能需要3到4个源；对于在高频或极低频率时能否精确地测量系统的动态特性?航空航天，由于需要纯模态测试，有时需要8个源通道。
03、试验设置
首先要判断结构的大小、非线性程度和感兴趣频率范围，然后决定采用什么样的激振和测试方式。
频率设置根据工作和运行时激励的频率范围，以及模态分布情况、高低频时能否精确地反应系统动态特性，决定测试频率范围。
图 频率范围
系统非线性检验由于模态识别方法是建立在系统线性基础上的，所以需要对其线性性和重复性进行检验，已确定采用怎样的激振方式和激振力大小。通过改变力的大小可判断系统的非线性程度。
图不同力水平的频响曲线
边界条件测试前，确定好边界条件非常关键。主要从以下几方面考虑：
被测试验结构在运行还是静止状态？
系统固有特性都是在静止状态，有时结构无法加激励，就采用运行状态下工作模态识别。
自由-自由还是固定?
对于被测对象，应用于动态设计的系统部件测试，一般采用模拟自由-自由状态，如弹性悬挂或弹性支撑（空气簧）；对于问题诊断和系统匹配，需要在固定或安装状态下。最好需要建立两者的模态相关。
需要模拟真实的边界条件?
对于系统部件，有时会要求真实的安装条件，用于有限元模型验证和杂交模型建模，
有些要求在真实的环境条件下，如高温、低温、高湿等。
如何施加激励到结构上？
对于一个结构模态测试，如何方便和合理的加激励到结构上，是必须要考虑的。特别对于复杂结构，激振器连接很困难，有时需要工装。
激振方式做好模态测试，选择激振方式也很重要。
* 对于小型部件和大型结构，采用锤击法比较合适，特殊情况下采用阶跃法。对于大型结构，如机车车厢，激振器无法满足激励力的要求，需要用大力锤；
* 常用的可靠的激励方式是激振器方式；
* 对一些微小结构和薄壁件，采用声激励和非接触磁电激励；
* 对空腔体，需要体积声源激励；
* 对一些无法通过上述方式激励的，可采用环境激励，如大桥和高层建筑物采用风激励，有时采用车辆行驶激励；还有打枪和火箭发射激励等。
激振方式也包含激振点数，小型结构采用单点，中大型可采用多点，如汽车整车采用3点，飞机采用8点。多点激振信号要各自独立不相干。
数采系统设置对数采系统，根据测试结构和方便性、试验要求进行设置。从以下进行：
通道数——根据结构和数采系统大小，决定每批测多少通道
加窗——对于稳态激励，一般加矩形窗；而对于锤击法要加力窗和指数窗；
输入方式——根据传感器选择输入调理方式，目前多采用ICP 方式；
源输出——根据激振点数决定几个源输出，激振信号可选择正弦，正弦扫描，随机，猝发随机等；
量程——根据响应可进行量程设定，已达到最大信噪比。有好多数采可自动量程设置。对于弱小信号，需配信号调理器，以增大动态范围；
触发条件——有些测试需要外部触发，可选；
系统标定——为了有一个可靠的测量结果，测试前最好做系统幅值和相位标定，以消除可能的系统误差。
传感器与信号调理传感器类型——加速度有ICP、电荷加速度、电容和压阻式，传声器有ICP和电容式、激光位移，所以要选择与之匹配的输入调理方式。对于接触式，响应传感器要，附加质量越小越好；
量程——对激振器方式，力传感器的选择简单；但对锤击法，力传感器量程要尽可能的大；对于弱小信号，要加信号调理器。
对于薄壁结构和受环境影响大的，如高温、低温、高湿结构，采用激光测量响应，可以得到非常精确的结果。
测点和自由度的确定根据结构和模态应用，选择合适的测点和自由度。响应点，应包括
* 客观测量评价点(i.e. 结构修改点)；
* 模态参与因子大于零的点对于模态显示具有足够的空间分辨率；
* 其它点，仅用于显示目的；
根据结构的形状，每个测点选择1至3个自由度。
04、测试数据验证
激振点原点频响如图，相位在所测频率范围要一致，要么180，要么-180度附近。
激振原点频响函数
相干函数 相干系数理想为1，实际上月接近于1越可靠。除反共振点外，一般相干系数大于0.8。
相干函数
互易性互易性定义为A 点激振，B点响应的频响与B点激振，A点响应的频响要一致，理论上要重合。是判断测试结构的非线性程度，重合度越高越好。实际上由于非线性存在，会有一些偏差。
两个激振点互易性
激振力自功率谱
力谱没有畸变，纵坐标对数下为梯形。
05、结论
随着测试技术的发展，模态测试的精度会越来越高。特别是对一些大型复杂结构，受温度影响以及受传感器附加质量影响的薄壁结构。
做好测试前的准备工作和测试设置，对于后期进行模态参数识别，并得到可靠的模态参数是非常关键的。
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