模态分析与振动测试技术
振动测试与分析
振动测试与分析引言：在各行各业中，振动测试与分析是一项重要的技术，它可以帮助我们了解各种物体和系统的振动特性，以及找出潜在的问题并提供解决方案。
本文将介绍振动测试与分析的基本原理和方法，以及其在不同领域的应用。
一、振动测试的原理振动测试是通过将传感器安装在被测试物体上，测量物体在振动过程中产生的加速度或速度来获取振动信号。
传感器将振动信号转换为电信号，再经过信号放大和采样，最终得到振动波形。
常用的传感器包括加速度计、速度计和位移传感器。
二、振动测试的方法1.自由激振法：在物体上施加外力进行振动，然后测量物体的振动响应。
这种方法适用于研究物体的振动特性和固有频率。
2.强迫激振法：通过施加特定的激励信号，使物体以特定频率和幅度振动。
这种方法常用于测试物体的耐振性和振动特性。
3.模态分析法：通过激励物体的不同模态形式，测量物体不同模态的振动响应，从而研究物体的模态特性和阻尼特性。
三、振动测试与分析的应用1.机械工程领域：振动测试与分析在机械工程中有广泛的应用。
例如，在汽车工业中，振动测试可以用于测试汽车零件的耐用性和可靠性，预测零件的寿命。
在航空航天领域，振动测试可以用于测试航天器的结构强度和振动特性，以提高飞行安全性。
2.电子工程领域：振动测试与分析在电子工程领域也有重要的应用。
例如，在手机制造业中，振动测试可以用于测试手机零件的质量，确保手机在使用过程中的稳定性和可靠性。
另外，在电子设备的设计中，振动测试可以用于优化电路板的设计，减少振动对电子元器件的损坏。
3.土木工程领域：振动测试与分析在土木工程领域有助于评估建筑物和结构的安全性。
例如，在地震工程中，振动测试可以用于评估建筑物的抗震性能，预测地震情况下的结构变形和破坏程度。
此外，振动测试还可以用于监测桥梁、隧道等工程结构的安全状况。
4.生物医学领域：振动测试与分析在生物医学领域中也有应用。
例如，医学领域中常用的超声波检测技术，就是利用振动信号来获取人体组织和器官的内部信息。
振动工程中的模态分析方法
振动工程中的模态分析方法振动工程是应用力学和机械工程学原理研究物体在振动状态下的特性与行为的学科，它在航空、航天、汽车、电子、建筑、机械、石化等行业得到广泛应用。
模态分析是振动工程的一项基本技术，在振动分析和振动控制中发挥着重要作用。
模态分析是通过形态分解的方法，将振动系统振型分解成若干个自然振动模态，并进一步确定每个自然振动模态的基本参数，包括振动频率、振动模态形态和振型振动幅度等参数。
模态分析技术可以分析结构的动态特性，描述结构在振动状态下的特点与本质，并评估结构的振动性能。
模态分析技术的基本原理是运用振动学的知识研究振动系统的特性与行为。
振动系统的特性与行为是由质量、刚度和阻尼等参数决定的，它们在系统自由振荡的过程中，呈现出一定的规律和变化。
模态分析技术通过对结构的振动响应进行分析，求出结构的振动模态形态和振动特性参数，以揭示结构的动态特性。
在模态分析中，网络分析法是一种较常用的分析方法。
网络分析法是基于多输入多输出的振动分析方法，其基本原理是通过构建动力学方程组，求解方程组的特征值和特征向量，得到结构的振动模态和振动特性参数。
在进行模态分析时，需要采用一定的振动测试手段和技术设备，如振动传感器、数据采集仪和振动分析软件等。
振动传感器可以检测出物体的振动情况，并将振动信号转化为电信号，传输到数据采集仪进行采集。
数据采集仪可以对振动信号进行采集、存储和处理，并将处理后的数据传输到振动分析软件中进行分析。
振动分析软件可以对振动信号进行谱分析、滤波处理、频域分析和时域分析等，并对振动信号进行模态分解，求出结构的自然振动模态和振动特性参数。
模态分析技术在振动工程中得到广泛应用，可以对结构的动态特性进行研究和分析，评估结构的振动性能，进一步指导结构设计和优化。
同时，模态分析技术也是现代振动控制技术的基础，可以为振动控制系统的设计和实现提供理论和技术支持。
总之，模态分析技术是振动工程领域中一项重要的技术，可以揭示结构的动态特性和振动特性参数，评估结构的振动性能，指导结构的设计和优化，并为振动控制系统的设计和实现提供理论和技术支持。
桥梁结构非线性振动检测方案模态分析与振动反馈控制
桥梁结构非线性振动检测方案模态分析与振动反馈控制桥梁是现代交通运输的重要组成部分，而桥梁结构的安全性是保障交通运输可靠性的关键。
然而，在长期使用和外界环境的作用下，桥梁结构会产生振动问题，这不仅会对桥梁的使用寿命造成影响，还会威胁行车的安全。
为了解决桥梁结构振动问题，研究人员提出了非线性振动检测方案，其中包括模态分析和振动反馈控制两个方面。
一、模态分析模态分析是桥梁结构振动研究的重要手段，它通过对桥梁结构在振动过程中各种模态的特性进行分析，可以得到桥梁结构的固有频率、振型和振幅等信息。
在进行模态分析时，研究人员需要使用一种合适的振动测试方法，常见的方法包括加速度传感器法、激光测振法和应变测量法等。
通过这些方法，可以获取桥梁结构在不同状态下的振动响应数据。
然后，利用相关的数学算法，如有限元法和主成分分析法等，对振动响应数据进行处理，得到桥梁结构的模态特性。
这些模态特性可以用来评估桥梁结构的稳定性和安全性，为进一步进行振动控制提供依据。
二、振动反馈控制振动反馈控制是一种通过反馈控制手段来消除桥梁结构振动问题的技术。
具体而言，它通过在桥梁结构中布置传感器和执行器，实时检测和调节桥梁结构的振动状态，以减小振动幅度和保证桥梁结构的安全性。
在振动反馈控制中，传感器被用来感知桥梁结构的振动状态，通常使用加速度传感器或应变传感器。
当桥梁结构的振动状态超过一定阈值时，传感器会将信号传递给控制器。
控制器根据传感器信号的反馈信息和设定的控制算法，输出控制信号给执行器。
执行器可以是电磁致动器、油压缸或伺服机构等，它们通过对桥梁结构施加一定的阻尼力或刚度，来实现振动的控制。
通过不断地监测桥梁结构的振动状态并及时调节，振动反馈控制可以有效地减小桥梁结构的振幅，提高桥梁的稳定性和安全性。
在实际应用中，模态分析和振动反馈控制通常结合使用。
模态分析可以提供桥梁结构的振动特性，为振动反馈控制的设计提供依据。
而振动反馈控制则可以根据模态分析的结果，实时监测桥梁结构的振动状态，并进行相应的控制。
机翼振动模态试验与颤振分析
机翼振动模态试验与颤振分析1 引言高空长航时飞机近年来得到了世界的普遍重视。
由于其对长航时性能的要求，这种飞机的机翼往往采用非常大的展弦比，且要求结构重量非常低。
大展弦比和低重量的要求，往往使得这类结构受载时产生一系列气动弹性问题，如机翼结构的静气动弹性发散、颤振等等。
这些问题构成飞行器设计和其它结构设计中的不利因素，甚至极为有害，解决气动弹性问题历来为飞机设计中的关键技术。
气动弹性问题又分为静气动弹性问题和动气动弹性问题。
在动气动弹性问题领域中最令人关注的是颤振问题。
颤振现象是气动力、结构弹性力和惯性力三者耦合的结果。
所以颤振的发生与机翼结构的振动特性密切相关。
在对机翼进行颤振特性的数值计算时，颤振计算结果的正确性和精确性取决于机翼各阶固有振动模态的精确性。
真实机翼的固有模态可以通过模态试验测得。
根据颤振数值计算过程的需要，参与计算的各阶模态必须正交，而试验测得的模态并不严格正交，且因为结构阻尼的存在，模态通常为复数。
有一种处理方法是通过取幅值，把各阶模态变为实模态，然后对求得的广义质量阵、刚度阵进行修正，使其变为对角阵从而方便数值计算;另一种方法是直接建立机翼的有限元模型，通过数值计算求得固有模态(满足正交性)，但是计算所得模态的正确性需要通过模态试验进行验证。
在实际工程中，通常采用第二种方法，本文也采用这种方法的思路。
本文研究对象为一个大展弦比平板机翼模型：一块半展长 1 米，弦长0.12 米，厚度1.8毫米的铝板，边界条件为根部固支。
2 模态数值分析有限元模型作为颤振分析的基础，也是试验模态结果正确性验证的重要参考。
另外根据计算所得的各阶主要模态的节线位置，可以确定传感器测量点和激振点的布放位置(尽量将激振点和测量点放置在远离各阶节线的位置，如果正好在某阶节线上，则该阶模态无法激励出或测量不到)。
所以在试验前须根据实际结构建立一个能够充分反映结构质量、刚度特性的有限元模型。
使用Nastran 有限元计算软件进行根部固支状态下的振动模态计算，得到结果如表 1 所示。
振动测试技术模态实验报告
研究生课程论文(2013-2014学年第二学期)振动测试技术研究生：提交日期：2014年7月10日研究生签名：1模态试验大作业0 模态试验概述模态试验（modal test）又称试验模态分析。
为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。
模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。
模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。
由于振动在机械中的应用非常普遍。
振动信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。
振动的性质体现着机械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。
同时，振动信号的发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手段之一。
模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。
模态实验的方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。
这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。
为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。
目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量( SISO)、单点激励多点测量( SIMO) 、多点激励多点测量( MIMO)等。
单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。
按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。
容积式压缩机的振动测试与分析方法研究
容积式压缩机的振动测试与分析方法研究引言：容积式压缩机是一种常见的流体机械设备，广泛应用于空调、制冷、石油化工等领域。
振动是容积式压缩机中普遍存在的问题，它可能会导致设备损坏、能效下降以及噪音增加。
因此，对容积式压缩机的振动进行测试和分析，对于提高设备的性能和可靠性至关重要。
一、测试方法的选择1. 加速度传感器：常用的振动测试方法之一是使用加速度传感器。
该传感器能够测量容积式压缩机的振动加速度，并将其转换为电信号输出。
通过在不同位置安装传感器，可以获得设备不同部位的振动数据。
2. 频谱分析：在振动测试中，频谱分析是一种常用的方法。
它可以将时间域上的振动信号转换为频域上的信号，并进一步分析信号中不同频率的成分。
通过频谱分析，可以确定容积式压缩机在不同频段上的振动情况，从而找出主要的振动源。
3. 振动传感器网络：为了全面了解容积式压缩机的振动情况，可以采用振动传感器网络进行测试。
该网络由多个传感器组成，可同时监测设备的多个位置。
通过对传感器数据的收集和分析，可以全面地评估设备的振动性能。
二、振动分析的内容1. 频率特性分析：在振动测试中，频率特性分析是非常重要的一部分。
通过计算容积式压缩机在不同频率下的振动幅值，可以得到频率特性曲线。
这些曲线反映了设备在不同工况下的振动状况，可以用于判断设备的稳定性和可靠性。
2. 振动源识别：通过振动分析，可以确定容积式压缩机的振动源。
常见的振动源包括不平衡、不对中、轴承故障等。
准确识别振动源有助于进一步分析和解决振动问题，提高设备的性能和寿命。
3. 模态分析：容积式压缩机的模态分析可以用于确定设备的固有频率和振型。
通过模态分析，可以识别出容积式压缩机的共振点，从而采取相应的措施来避免设备共振引起的故障。
三、振动问题的解决方法1. 功率匹配：容积式压缩机在使用过程中应与其配套的动力设备功率匹配。
如果功率匹配不合理，容易导致设备振动加剧。
因此，在选择压缩机时，应根据使用需求和技术参数选择与之匹配的动力设备。
某船船体模态及振动测试
船 舶在使 用过 程 中 ， 随着服 役年 限 的增 长 ， 其 船体 的机械性 能 将 会 发 生一 定 的变 化 ， 而 使 其 从
动态 特性 也相 应 改 变 ， 些 变 化 主要 通 过 其 时域 法振 动 模 态参 数 识 别
船舶模 态测 试 分析 中关键 技术 是模 态参 数识 别 ， 是从 测试 所得 的数 据 中 ， 它 确定 振 动系统 的模
某 船 船 体模 态 及 振 动测 试
傅 仁华 刘 镇 黄 映云
４０ ３ ３０３ 海 军 工 程 大 学 船 舶 与 动 力 学 院 武 汉 摘 要
在 振 动 理 论 与 模 态 参 数 识 别 的 理 论 基 础 上 ， 某 舰 艇 整 体 的 模 态 和振 动 进 行 测 试 ， 对 其 动 态 对 并
动 源 和噪声 源 ， 为船 舶 机 械 的故 障诊 断 提供 基 并
本 数据 。通过 借 助于 试验 与理论 分 析相 结合 的方 法， 对船 舶结 构进 行 分析 和评 价 ， 中找 出船舶结 从 构 在动 态性 能 上存在 的问题 ， 以确 保船 舶能 安全 、
参数 （ 模态 频 率 、 型 等 ） 改变 体 现 出来 。 因 如 振 的 此 ， 以通过 测试 整 体 模 态 和 局 部 振 动 检测 相 应 可
的变 化 川。
态参 数 ， 中包 括 模 态 固有 频 率 、 态 阻尼 比 、 其 模 模
态质 量 、 态 刚 度 及 振 型等 。 目前 参 数 识 别 分 为 模 频域 法 、 时域法 、 时频方 法及 基于模 拟 进化 的方法
维普资讯
第 ３ ６卷
第 ３期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ８ＯＣＥ ＨＩ 乙 ＡＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
模态分析与振动测试技术
模态分析与振动测试技术固体力学S0902015李鹏飞模态分析与振动测试技术模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。
近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。
一、单自由度模态分析单自由度系统是最基本的振动系统。
虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。
由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。
从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。
对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。
二、多自由度系统模态分析对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。
为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。
即多自由度系统模态参数与模态分析。
多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。
我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。
然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。
设所研究的系统为N个自由度的定常系统。
其运动微分方程为：MX CX KX 二F （2—1）式中M , C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。
均为（N N ）阶矩阵。
并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。
当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为N 1阶矩阵。
即X（2— 1）式是用系统的物理坐标X 、X 、X 描述的运动方程组。
在其每一 个方程中均包含系统各点的物理坐标，因此是一组耦合方程（请大家想象一下其 展开式）。
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早期还有一种称为跟踪滤波器它是一种模拟信号分析仪器现在已淘汰。后来常用的主要是频率响应分析仪和谱分析仪，这两种仪器现在都属数字分析仪器。
例如汽车工业中的路面谱分析问题，这对汽车工业是很重要的问题。
噪声对人体的影响问题，就要分析噪声的频率成分，即噪声测量问题，也就是环境测试问题。
3、已知系统输入和输出要识别或研究系统的动态特性——系统识别问题（试验模态分析）
也就是说我们要根据测得的输入、输出来确定系统的物理参数。试验模态分析就是要解决这类问题。有时这类测量统称为“导纳测量”
；
（2—1）式是用系统的物理坐标 、 、 描述的运动方程组。在其每一个方程中均包含系统各点的物理坐标，因此是一组耦合方程（请大家想象一下其展开式）。当系统的自由度数很大时，求解很困难。我们能否将上述耦合方程变成非耦合的独立的微分方程组，就是模态分析所要解决的主要任务。故所以模态分析的经典定义是：以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程组解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而使求出系统的各阶模态参数。
3.3结构的激励
做试验模态分析必须使构件动起来，故必须做试验模态分析必须要有激励装置。激励装置从激励方式来分有：接触式和非接触式；从激励的信号类型看有：稳态激励（它包括周期激励，正弦慢扫描激励）；另外还有：随机激励；瞬态激励。根据测试的不同需要采用不同激励信号。狭义的说我们结构动态试验常用的是瞬态激励。
模态分析与振动测试技术
固体力学
S0902015
李鹏飞
模态分析与振动测试技术
模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。
3.1基本测量系统
尽管测试问题各种各样、测量仪器各不相同，但基本测试系统还是十分简单的。可分为三大部分：即激励系统、响应测试系统和信号分析系统。这三个系统可由如下的简图来表示：
（论文撰写时测试方案一般也应用测试框图来表示）
3.2结构准备工作
导纳测量全过程的一个重要准备工作是在试验结构本身，一般人常常没有给予足够的注意，致使整个试验的价值引起不必要的降低。实际上是一个所做试验的边界条件是否与理论假设相符合（或近似），这对于搞力学专业的人较重视的。理论上要求被测对象是处于“自由”状态，故所试验的结构是处于“自由”，有两种方法来实现，即“悬挂”式和“地面支承”式。悬挂式是将被测对象自由地悬挂在空间。在这种状态下结构将呈现由其质量和惯性所确定的刚体模态，既无弯曲又无变形。对处于这种自由状态下的结构，我们可以确定其刚体模态，乃至质量和惯性特性，这些都是非常重要的数据。
二、多自由度系统模态分析
对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。
三、模态（导纳）测量技术
模态试验所用的测量技术对于我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用如下的图来表示：
这里： ——输入激励（狭义地说是力，广义地说就不一定了）
——输出响应（位移、速度、加速度等）
——系统转换函数（特性）（注意自变量是时间）
用公式可表示为：
由此可见，只有当测定方程中的两项时，才能完全测出试验对象的振动情况。
压电式传感器是目前最流行的，也是试验模态测量中使用最广泛的一种传感器，只有在一些特殊情况下才使用其他类型的传感器。因此我们将讨论限制在这些压电型传感器上。
用于导纳测量的压电式传感器有三种：力传感器、加速度传感器、以及阻抗头（所谓阻抗头实际上就是将力传感器和加速度传感器组合在一个装置中）。
3.5分析仪
3.4传感器和放大器
现代传感器的功能可以定义为将我们要测量的物理量转换成电量（电压、电阻、电荷、电流等）。目前工程上一般都要转换为电压，因为计算机、记录仪器信号分析仪器一般是接受电压信号。这种转换大多由二次仪表来完成，如电阻应变片是将应变这物理量转换为电阻量再由应变仪将电阻转换为电压信号；压电传感器是将被测的力、加速度等物理量转换为电荷信号，再由电荷放大器将电荷信号转换为电压信号。
从机构的动态分析这角度来说，基本问题可以分成三类：
1、已知系统的特性和输入，求响应励是已知的，机器本身结构的特性也是已知的现在要求系统的位移、速度、加速度。这称为振动分析问题。
2、已知输出和系统的特性，要研究系统的输入———动载荷识别（作载荷谱）或环境测试问题。
多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。
我们以 个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。
设所研究的系统为 个自由度的定常系统。其运动微分方程为：
（2—1）
式中 ， ， 分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（ ）阶矩阵。并且 及 矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵 是正定矩阵，刚度矩阵 对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵 为对称矩阵（上述是解耦条件）。 及 分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为 阶矩阵。即
一、单自由度模态分析
单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。