CN105701278A - 一种模态参数的获取方法 - Google Patents

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徐洋
沈高飞
扈昕瞳
盛晓伟
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    • G06F30/30—Circuit design
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Abstract

本发明涉及一种模态参数的获取方法，包括以下步骤：在被测件上建立测量系统，确定被测件的固定方式、激励器以及激励位置、数目和方向；在所述激励位置施加激励信号，并采集被测件受到激励信号后发出的声音信号；对声音信号进行分析，获得响应的模态振型、固有频率和阻尼比，并计算模态参数。本发明可针对金属制件获得精确的模态参数，具有方法简单，便于操作，对设备、试验条件要求低等优点。

Description

一种模态参数的获取方法
技术领域
本发明涉及金属制件上的力学测量技术领域，特别是涉及一种模态参数的获取方法。
背景技术
在车辆、船舶、航空航天等众多工业领域方面，获取合理、可信的模态参数对于零部件的动力学特性研究起到至关重要的作用。虽然可以建立相应的理论模型进行计算和载荷识别，但结果往往并不理想。因此仍需要对结构或部件进行模态试验，从而根据试验结果去指导有限元理论模型的修正，使理论模型更趋完善和合理，便于对结构或部件进行下一步的处理和分析。
在实际试验中，很多结构、部件由钢或其他金属制成，由于其尺寸或应用环境等约束条件，无法搬动至标准的实验室中需要进行实地测量，或试验条件有限没有精密的试验辅助设施，从而无法获取模态参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模态参数的获取方法，针对金属制件获得精确的模态参数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种模态参数的获取方法，包括以下步骤：
(1)在被测件上建立测量系统，确定被测件的固定方式、激励器以及激励位置、数目和方向；
(2)在所述激励位置施加激励信号，并采集被测件受到激励信号后发出的声音信号；
(3)对声音信号进行分析，计算获得相应的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数。
所述步骤(1)中被测件的固定方式包括悬挂方式和支撑方式，其中，悬挂方式的悬挂点和支撑方式的支撑点为所述被测件的多模态节点；若选用悬挂方式，则采用柔软的绳索进行悬挂；若选用支撑方式，则确保支撑体与被测件不会引起共振。
所述步骤(2)中利用录音器材在所述被测件响应激励信号的位置处采集声音信号。
所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括对获得的声音信号进行降噪处理以消除环境干扰的步骤。
所述降噪处理采用低通滤波、窗函数和谱相关函数对的声音信号进行处理。
所述步骤(3)中通过处理后的声音信号获取初始模态参数，再采用最小二乘法或正交多项式法得出固有频率、阻尼比和留数，并根据留数推断出被测件的模态振型，继而对模态矢量进行归一化处理，根据相关公式计算得出模态质量和模态刚度。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以在实地进行测量，通过后期对于声波信号进行滤波处理，清除在声音信号收集过程中收录到的噪音，尽可能的减小因外在环境对实验数据、分析结果造成的误差，从而对钢等金属制件获得较为准确和清晰的声波作为激励响应信号。本发明具有简单，对设备要求低，便于操作，试验成本低廉的特点。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是根据振动产生声音获取的时域信号图；
图3是测点的频谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种模态参数的获取方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)在被测件上建立测量系统，确定被测件的固定方式、激励器以及激励位置、数目和方向；具体的说，首先，将被测件进行悬挂或支撑，其中须注意悬挂或支撑点应该选择被测件的多模态节点上；若选用悬挂方式，则应采用柔软的绳索，若选用支撑方式，则应确保支撑体不会干扰振动结果，保证支撑体的共振频率低于第一阶弹性共振频率的1/10；其次，根据被测件的结构和试验要求选择力锤或激振器等设备提供激励信号；最后，选取激励位置、数目和方向。
(2)在所述激励位置施加激励信号，并采集被测件受到激励信号后发出的声音信号。在选取的激励位置上施加激励信号，由于被测件的材质在收到激励信号时会发出声响，此时可采用录音器材，如手机、录音笔等对声音信号进行采集，获得响应结果。在采集声音信号时应当将所有激励位置的信号都进行声音采集。
(3)对获得的声音信号进行降噪处理以消除环境干扰。由于试验环境存在噪音对获得的声音信号存在干扰，须进行声波处理减小最后结果的误差。对于采集到的声音信号往往存在混叠、泄露等情况，需要相继采用低通滤波、窗函数和谱相关函数对声波进行处理。利用谱相关函数可以考察相应信号中有多少成分是由激励产生的，从而用来衡量噪声干扰造成的影响。
(4)对声音信号进行分析，计算获得相应的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数。具体地说，通过处理后的声音信号获取初始模态参数，再采用最小二乘法或正交多项式法得出固有频率、阻尼比和留数，并根据留数推断出被测件的模态振型，继而对模态矢量进行归一化处理，根据相关公式计算得出模态质量和模态刚度，从而得到模态参数。
兹采用上述模态参数的获取方法对一方形金属板材进行测量计算。
首先，建立相应的测量系统。将制件用柔软绳索自由悬挂，悬挂点设置于多模态节点上。随后用力锤连续敲击该制件选定的激励位置，并做记录。其次，采用录音器材收集声音信号，通过相应的声音信号获取时域信号图，如图2所示。再次，将时域信号进行频谱信号分析(包括滤波加窗函数等)，得到该测点的频谱，并标注典型的固有频率位置，如图3所示。最后，从频谱图可以清晰的找到该结构试件的各阶固有频率，以此方法类推，测试得到所有测点的声音频谱，从而计算得出结构试件的所有模态参数，包括固有频率、振型和阻尼比等。
不难发现，本发明可以在实地进行测量，通过后期对于声波信号进行滤波处理，清除在声音信号收集过程中收录到的噪音，尽可能的减小因外在环境对实验数据、分析结果造成的误差，从而对钢等金属制件获得较为准确和清晰的声波作为激励响应信号。本发明具有简单，对设备要求低，便于操作，试验成本低廉的特点。

Claims (6)

1.一种模态参数的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在被测件上建立测量系统，确定被测件的固定方式、激励器以及激励位置、数目和方向；
(2)在所述激励位置施加激励信号，并采集被测件受到激励信号后发出的声音信号；
(3)对声音信号进行分析，计算获得相应的固有频率、阻尼比和模态振型。
2.根据权利要求1所述的模态参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(1)中被测件的固定方式包括悬挂方式和支撑方式，其中，悬挂方式的悬挂点和支撑方式的支撑点为所述被测件的多模态节点；若选用悬挂方式，则采用柔软的绳索进行悬挂；若选用支撑方式，则确保支撑体与被测件不会引起共振。
3.根据权利要求1所述的模态参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用录音器材在所述被测件响应激励信号的位置处采集声音信号。
4.根据权利要求1所述的模态参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括对获得的声音信号进行降噪处理以消除环境干扰的步骤。
5.根据权利要求4所述的模态参数的获取方法，其特征在于，所述降噪处理采用低通滤波、窗函数和谱相关函数对的声音信号进行处理。
6.根据权利要求1所述的模态参数的获取方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过处理后的声音信号获取初始模态参数，再采用最小二乘法或正交多项式法得出固有频率、阻尼比和留数，并根据留数推断出被测件的模态振型，继而对模态矢量进行归一化处理，根据相关公式计算得出模态质量和模态刚度。
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