模態分析軟件的選擇
實驗模態分析(簡稱EMA)是一種適用于眾多結構振動分析情況的重要工具。模態分析軟件的基本操作包括模態測試準備、FRF數據采集、模態參數識別和模態模型驗證。EDM?Modal是美國晶鉆儀器公司（CI）對所有硬件實現的實時數據分析的PC軟件。
模態實驗準備事宜
在本技術說明中，重點討論如何準備一個成功的模態測試以獲取一組FRF信號的必要技術細節。
典型的模態測試準備會包括以下幾個方面：
- 測量位置/方向(自由度):測量自由度是根據每個被測結構的尺寸創建的網格模型來設置的。每個測量信號都與一個唯一的測量自由度相關聯。
- 傳感器選擇:傳感器在獲取高精度數據方面發揮著重要作用。傳感器的選擇需要與被測結構相匹配， 意味著尺寸和靈敏度應該與測試結構和測試量級的大小相匹配。
- 被測結構支撐:被測結構通常是使用彈性繩索懸掛，所謂的自由邊界條件。有時被測結構也有可能已經安裝在其運行環境中被測量。
模態測試準備
模態測試的目的是根據被測結構的網格模型來獲取FRF信號。這一步至關重要，因為模態分析的成功很大程度上依賴于測量得到的FRF信號的質量。如果沒有高質量的FRF數據，無論模態參數識別算法多么先進或者強大，都不可能獲得可靠的模態參數。
從這個角度看，模態分析實際上依賴于測量精度。為了達到這個目標，需要仔細的測試、計劃和執行。雖然參數識別起著相對較小的作用，但獲得模態參數仍然至關重要。
被測結構網格
在開始數據采集之前，需要定義測量自由度。點的術語被用于定義被測結構的一個和每一個測量位置。在每個點上，有三個平移方向，X，Y和Z可以被測量，他們通常使用直角坐標系中的+或-，X，Y和Z坐標來描述。點數和方向的組合，例如+16Z被叫稱做自由度。
實際使用時，在每個點上也都有轉動自由度。由于它們的性質，這些轉動自由度很難測量，通常也就不予以考慮。當傳感器安裝在相反方向時，可以將其標記為-X，-Y或者-Z。下圖是一個圓柱體幾何自由度的模型，每個點都有3個局部方向被標記。
在大多數情況下，被測結構都比這些簡單模型要復雜得多。模態軟件的幾何編輯功能將使用組件處理這種類型的被測結構。每個組件都有自己的原點和定義的歐拉角。這允許組件利用其自身的局部直角坐標系來定義方向。
傳感器選擇
在運行各種類型的測試時，傳感器在保證高質量的測量結果方面起著重要的作用。現在，大多數傳感器都是IEPE型傳感器。IEPE傳感器的動態范圍是限制FRF測量質量的一個因素，因此必須確保信噪比盡可能的高。IEPE傳感器具有+/-5V的滿量程電壓，因此一個比較好的選用法則就是使傳感器的最大電壓高于0.5-1V之間。加速度計通常應具有高的靈敏度
，例如接近1000mV/g或500mV/g。
由于IEPE傳感器有固定的測量范圍，因此有必要在實驗室設備中保留具有不同靈敏度的力傳感器。有了這些多樣性，就可以為每個測試選用合適靈敏度的力傳感器。這同樣也適用于力錘，配備有不同靈敏度和重量的力錘是很有幫助的。
另一個要考慮的選擇是使用部分加速度計在結構上移動測量，而不是使用足夠量固定的加速度計覆蓋整個結構，直到所有的自由度都被測量到。這個選擇通常受到實驗室預算的限制，但應該清楚的是，為了得到高質量的結果，對許多結構有必要使用后一種方法。當使用移動加速度計方法時，結構可能會產生一些時間上的差異，這就是一個質量加載問題。
另外還有TEDS傳感器可用，這是一種帶有內置芯片的IEPE傳感器，可以讓測量系統讀取每個傳感器的型號、單位、靈敏度等等信息。
測試結構支撐n
測試前需要確定被測結構的支撐情況。這通常被稱為測試邊界條件。通常有兩種可能的支持提供選擇：自由狀態條件，或實際安裝。選擇第一個選項自由邊界條件的主要原因是最有可能得到好的測試結果。結構被自由支撐時，由激勵引入到結構中的振動能量保持在實驗結構中，直到它由于結構的阻尼而自然衰減。另一種情況下，當一個結構與它周圍的世界相連時，大量的激勵能量將會傳遞到周圍的結構，這通常意味著獲得良好的測試結果會更加困難。為了對結構的模態參數進行盡可能最好的估算，被測結構的支撐必需是自由-自由的。對于排除故障的情況，可以對結構在正常運行環境中進行模態分析。
自由-自由邊界條件通常通過將測試結構懸掛在柔軟的彈性繩索或者彈簧上來實現。根據測試結構的尺寸和重量，彈性繩索可以具有許多不同的尺寸和剛度。懸掛的彈性繩索應該足夠的柔軟，那么測試結構的質量和幾何形狀以及彈性繩的剛度產生的六個剛體模態應該不到被測結構的第一階柔性模態的十分之一。
這在測試和懸掛細長的物體時尤為重要。一般來說，這些類型的結構通常應該垂直懸掛，使沿著物體長軸旋轉的轉動剛體模態變得足夠低。對于細長結構水平懸掛，由于慣性距較小，因此轉動剛體模態將呈現相對較高的頻率。
在使用彈性繩索支撐被測結構時，應避免彈性繩索直接接觸結構。這可能會增加結構的阻尼。相反，被測結構應該用普通的繩索或細鋼絲繩直接懸掛，然后再連接到彈性繩上。
結束語
目前在振動測試行業，同時具有高通道數采能力、振動控制軟件和模態分析軟件的公司屈指可數，但CI公司做到了，用戶僅僅需要購買同一套硬件，就能夠完成數據采集、振動控制、模態分析和后處理的需求。
作者：美國晶鉆儀器公司 Jeff Zhao
杭州銳達數字技術有限公司翻譯