振动系统各阶固有频率及模态测试探究性实验设计

张辛 王旱祥 董祥伟 刘延鑫

摘要：设置本探究性实验是为让学生在掌握机电信息检测与处理技术课程关于力测量、振动测量和信号分析处理等基本知识基础上，通过对实验简支梁模态分析的理论计算，实际操作，数据记录与分析，实现机电信息检测时传感器、信号加工装置、力及振动测量和信号分析相关内容有机结合，让学生理解模态分析理论，掌握测试方法、仪器设备和分析软件的使用，提高工程应用能力。

关键词：振动系统;模态;探究性实验;固有频率

中图分类号：TE95     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）11-0269-02

机电信息检测与处理技术是机自专业的一门重要的专业核心课，课程内容涉及传感器、信号调理装置、转换装置及数据记录与输出仪器[1]，通过本探究性实验[2]，可以掌握模态分析的原理及测试分析方法，进而将模态分析方法用来进行结构动力学分析、响应计算和载荷识别。

一、实验设计原理

实验原理是将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行频谱分析，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。通过本探究性实验，可以掌握模态分析的原理及测试分析方法，进而将模态分析方法用来进行结构动力学分析、响应计算和载荷识别。实验设计内容[3]主要有：

1.增加实验结构物利用有限元分析模型来确定模态试验的测量点和激励点，参照计算振型对测试模态参数进行辩识命名的实验内容。

2.要求学生掌握人为对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数的技术。

3.增加了激振拾振装置、双通道FFT分析仪、和模态分析软件包的正确使用。并能将结构的模态振动进行三维实时动画显示。

4.可让学生加深对不测力法利用系统的响应数据进行固有频率、模态振型、模态阻尼或阻尼比等模态参数计算方法的理解。

二、实验设计内容

（一）实验方案设计

本实验方案设计为通过可由力传感器检测作用力的力锤击打简支梁，使简支梁产生振动，由振动传感器测取简支梁的振动情况，将力和振动信号输入动态分析仪进行分析，利用计算机内的模态分析软件包分析获得简支梁的固有频率、模态振型等。

（二）实验内容

1.对简支梁进行有限元分析。建立简支梁有限元分析模型，通过专用软件理论分析简支梁的固有频率和模态振型，同时确定测力法实验时简支梁的激励点和测量点。

2.传感器的安装调试。正确掌握力和加速度传感器的使用，在锤子端部安装压力传感器，在简支梁上安装加速度传感器，进行接线，利用力锤击打由有限元分析得出的简支梁激励点位置进行测试。

3.动态数据采集。锤子端部的压力传感器和部署梁上的加速度传感器分别测试锤击力和振动加速度，由电荷放大再接入采集系统，经过调理的信号输入计算机由软件进行分析处理。

4.信号处理与振型动画。进行信号时域或频域信号处理。如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等获得参数识别的结果，同时将得到结构的模态参数模型采用动画的方法显示。

（三）改进之处

1.模态分析通过给结构施加一个激振力，激起结构振动，测量结构响应及激振力之间的频率响应函数，来寻求结构的模态参数。学生通过选择力锤和激振器两种激励方式，多点激励单点响应以及单点激励多点响应的测试方法，可以更加深入地了解实验模态分析的全过程，增强学生理解力，提高学生的兴趣，引导学生自行探索实验室实验和现场工程测试的区别。

2.增加有限元计算环节，由原来教师确定激励点和测量点改为学生通过模态参数估计，来确定激励点和测量点。理论结果与实验结果对比分析，能够更加准确清晰地进行验证，确保模态结果的可信度。

3.增加结果的分析动画演示，各阶模态参数分别显示或同时显示一个或多个模型上，动画的幅度和速度可以随时暂停随时调整。实测数据同步动画显示在模型上，形象地显示试件的真实变形过程;响应频谱或传递率同步显示在模型上，形象地显示试件在某个频率激振下的变形情况，从而在峰值附近估计模态参数。

三、结束语

经过本探究性实验的学习，可以熟练使用有限元分析方法进行结构的固有频率计算和模态分析，进行结构的参数识别;掌握实验室利用测力法分析结构物的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度;熟练使用相关振动测试传感器（位移、速度和加速度），掌握机械装置利用加速度传感器测试振动的测试方法;掌握利用软件将测量得到的响应进行自功率谱、互功率谱、传递率、相干函数分析和对固有频率、模态振型等进行测试的方法，为从事机电信息检测科研或开发岗位打下基础，培养技能。

参考文献：

[1]王瑜，左敏，胡洋，等.浅谈学习动机与奖励机制在偏理论型专业课程中的重要作用[J].教育教学论坛，2018，（25）：173-174.

[2]高博.微帶贴片天线的仿真与测量实验设计[J].教育教学论坛，2018，（25）：274-275.

[3]陈少华，相文峰，冷文秀，等.探究式教学法在《高等激光物理》课程中的探索与尝试[J].教育教学论坛，2018，（25）：163-164.

Design of an Exploratory Experiment for Testing of Multi-level Natural Frequency and Modality of a Vibrating System

ZHANG Xin，WANG Han-xiang，DONG Xiang-wei，LIU Yan-xin

（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

Abstract：The purpose of setting up this exploratory experiment is to enable students to master the theoretical knowledge of force measurement，vibration measurement and signal analysis and processing based on the basic knowledge of electromechanical information detection and processing technology.The experimental course systematically combines contents of sensors，signal processing devices，force and vibration measurement and signal analysis for the technology of electromechanical information detection.Through the theoretical calculation，practical operation，data recording and modal analysis of an experimental beam，students are allowed to understand the theory of modal analysis，master the use of test techniques，instruments and analysis software，and improve the ability for engineering applications.

Key words：vibration systems;modal tests;exploratory experiment;natural frequencies