CN103048103A - 非接触式模态测试系统和方法 - Google Patents

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张仁嘉
周礼洋
马成骥
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本发明涉及一种非接触式模态测试方法，包括：驱动激振扬声器(4)，使其发出声波，激起待测结构(3)的振动，其中所述激振扬声器(4)被置于待测板结构(3)的下方，且激振扬声器(4)的上表面与待测结构(3)大体平行并且留有空隙；由激光头(1)发出激光并检测经由待测结构(3)上待测点所反射的激光信号，其中所述激光头(1)被置于待测结构(3)上方。本发明的优点包括：激振源与待测板结构无接触，没有为系统带来附加质量和附加刚度；传感器(激光头)与待测板结构无接触，没有为系统带来附加质量；激励为正弦信号时，用“砂型法”(在结构上铺放石英砂)可定性得到结构的模态频率和振型(肉眼可见)；激励为白噪声信号时，只需采集振动信号，即可分析得到结构的模态频率和振型。

Description

非接触式模态测试系统和方法
技术领域
本发明涉及一种非接触式模态测试方法，用于振动测试领域轻型板结构的模态测试。
背景技术
模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。模态测试作为模态分析的基础，是研究各种结构振动特性的有效途径，其在建筑、船舶、汽车、飞行器设计等领域都占有举足轻重的地位。
在传统的模态测试中，人们通常在待测结构上粘贴传感器，采用力锤或激振器施加激励，以求得结构频响特性。这种方法在大型结构(主要体现为质量大、刚度大)模态测试中有良好的测量精度，可以得到可信的测试结果。但是对于轻小型结构，尤其是常见的轻型板结构，测试结果往往有很大误差。其原因在于传感器和激振器带来的附加质量和待测板结构质量很接近，甚至大于待测板结构质量，从而极大地改变了待测板结构的质量分布。另外，若用激振器作为激振源，还会为系统带来一定附加刚度。这些因素会完全改变系统固有振动特性，导致测试结果和实际相差甚远。
发明内容
本发明提供了一种简单、合理、实用的非接触式模态测试方法。
本发明的优点包括：
一、激振源(声波)与待测板结构无接触，没有为系统带来附加质量和附加刚度；
二、传感器(激光头)与待测板结构无接触，没有为系统带来附加质量；
三、激励为正弦信号时，用“砂型法”(在结构上铺放石英砂)可定性得到结构的模态频率和振型(肉眼可见)。
四、激励为白噪声信号时，只需采集振动信号，即可分析得到结构的模态频率和振型。
根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式模态测试装置，其特征在于包括：
激振扬声器，其被置于待测板结构的下方，且激振扬声器的上表面与待测结构大体平行并且留有空隙，
激光头，其被置于待测结构上方，用于发出激光并检测经由待测结构(3)上待测点反射的激光信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种非接触式模态测试方法，其特征在于包括：
驱动激振扬声器，使其发出声波，激起待测结构的振动，其中所述激振扬声器被置于待测板结构的下方，且激振扬声器的上表面与待测结构大体平行并且留有空隙，
由激光头通过多普勒干涉原理检测待测结构的所述振动，其中所述激光头被置于待测结构上方。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的非接触式模态测试系统示意图
附图符号：
1-激光头
2-三角架
3-待测结构
4-激振扬声器
5-扬声器支座
6-数据采集卡
7-振动测量控制器
8-扬声器功放
9-工控计算机
10-承力墙
11-激光
具体实施方式
图1显示了根据本发明的一个实施例的非接触式模态测试系统的配置，其中待测结构3事先需要牢固安装于承力墙10之上。激振扬声器4由扬声器支座5托起，置于待测板结构下方。扬声器4上表面与待测结构3平行且留有1～5mm空隙。
激光头1由三角架2托起，置于待测结构3上方，对准待测点，用于发射激光11。
在本发明的一个具体实施例中，激光头1是Polytech OFV-505型激光头。
激振扬声器4用电缆与扬声器功放8的输出端相连；激光头1用电缆与振动测量控制器7的输入端相连；扬声器功放8的输入端与数据采集卡6的输出通道相连；振动测量控制器7的输出端与数据采集卡6的输入通道相连；数据采集卡6通过电缆(如USB电缆)与工控计算机9相连。
根据本发明的一个实施例的测试流程包括：工控计算机9生成激励信号，通过数据采集卡6的输出通道发送给扬声器功放8，驱动扬声器4发出声波，激起待测结构3的振动，待测结构3上的待测点位置粘有反射贴，由激光头1发出激光11并检测由反射贴反射的激光信号，其内部光学元件将确定所接收的激光信号的多普勒频移，然后将所确定的频移结果提交给振动测量控制器7，由多普勒干涉分析将多普勒频移信号转变为与振动相对应的电信号(振动响应信号)，再经由数据采集卡6的输入通道将振动响应信号传回工控计算机9，然后由工控计算机9进行模态分析，该模态分析可以是基于输出响应数据的随机子空间模态参数辨识法或Operation Polymax法的模态分析。

Claims (9)

1.一种非接触式模态测试装置，其特征在于包括：
激振扬声器(4)，其被置于待测板结构(3)的下方，且激振扬声器(4)的上表面与待测结构(3)大体平行并且留有空隙，
激光头(1)，其被置于待测结构(3)上方，用于发出激光并检测经由待测结构(3)上待测点反射的激光信号。
2.根据权利要求1的非接触式模态测试装置，其特征在于进一步包括：
扬声器功放(8)，其输出端与激振扬声器(4)相连；
振动测量控制器(7)，其输入端与激光头(1)相连；
数据采集卡(6)，其输出通道与扬声器功放(8)的输入端相连，其输入通道与振动测量控制器(7)的输出端相连；
工控计算机(9)，其与数据采集卡(6)相连。
3.根据权利要求1的非接触式模态测试装置，其特征在于进一步包括：
扬声器支座(5)，用于托起激振扬声器(4)；
三角架(2)，用于托起激光头(1)。
4.根据权利要求2的非接触式模态测试装置，其特征在于
工控计算机(9)生成激励信号，通过数据采集卡(6)的输出通道发送给扬声器功放(8)，从而驱动激振扬声器(4)发出声波，激起待测结构(3)的振动，
由激光头(1)发出激光并检测由待测结构(3)上的待测点所反射的激光信号，确定所检测到的激光信号的多普勒频移，并将所确定的多普勒频移提交给振动测量控制器(7)，通过多普勒分析将多普勒频移转变为与振动相对应的振动响应信号，再经由数据采集卡(6)的输入通道将振动响应信号传回工控计算机(9)，
工控计算机(9)根据接收到的振动响应信号进行模态分析，该模态分析是基于输出响应数据的随机子空间模态参数辨识法和Operation Polymax法的模态分析中的一种。
5.一种非接触式模态测试方法，其特征在于包括：
驱动激振扬声器(4)，使其发出声波，激起待测结构(3)的振动，其中所述激振扬声器(4)被置于待测板结构(3)的下方，且激振扬声器(4)的上表面与待测结构(3)大体平行并且留有空隙，
由激光头(1)发出激光并检测经由待测结构(3)上待测点反射的激光信号，其中所述激光头(1)被置于待测结构(3)上方。
6.根据权利要求5的非接触式模态测试方法，其特征在于所述驱动激振扬声器(4)的步骤进一步包括：
用工控计算机(9)生成激励信号，通过数据采集卡(6)的输出通道发送给扬声器功放(8)，从而驱动所述激振扬声器(4)发出声波。
7.根据权利要求6的非接触式模态测试方法，其特征在于：
由激光头(1)发出激光并检测由待测结构(3)上的待测点所反射的激光信号，确定所检测到的激光信号的多普勒频移，并将所确定的多普勒频移提交给振动测量控制器(7)，通过多普勒分析将多普勒频移转变为与振动相对应的振动响应信号，再经由数据采集卡(6)的输入通道将振动响应信号传回工控计算机(9)。
8.根据权利要求7的非接触式模态测试方法，其特征在于
激振扬声器(4)由扬声器支座(5)托起；
激光头(1)由三角架(2)托起。
9.根据权利要求7的非接触式模态测试方法，其特征在于
根据接收到的振动响应信号，用工控计算机(9)进行模态分析，该模态分析是基于输出响应数据的随机子空间模态参数辨识法和OperationPolymax法的模态分析中的一种。
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