數值信號顯示不能直觀表示被測結構振動強度和分布。結構的變形動畫可以讓用戶清晰直觀地觀察到結構的振動強度。它利用彩色圖顏色的深淺圖形化顯示振動的大小，幫助用戶找到測試單元振動強度的最大處和最小處。

這需要先構建被測結構的三維幾何模型。然而由于測試件在x、y、z坐標上尺寸和幾何的復雜性，創建測試件的三維模型往往具有挑戰性。

晶鉆儀器公司開發的振動可視化功能，只需要簡單的幾個步驟就可以生成任何復雜結構的三維幾何模型，而且可以顯示結構的變形動畫。這讓被測結構在振動測試過程中的振動強度可視化。

圖1 振動可視化過程概述

如上圖所示，通過智能手機拍攝的一系列二維圖片構建真實結構的三維模型。然后對結構進行振動測試，利用三維模型對振動進行實時可視化。

三維模型的振動可視化可以在測量過程中實時進行，也可以在測量完成后離線進行。實時動畫通過輸入通道(傳感器)的數據或RMS數據來顯示被測件在振動試驗過程中的變形情況。離線振動數據可以在時域和頻域進行可視化，時域動畫顯示各階振型的組合，而頻域動畫則將各階振型解耦并顯示各階振型。

有三種生成被測結構三維幾何模型的方法。

圖2 振動可視化過程的示意圖

晶鉆儀器公司的三維建模軟件采用先進的二維到三維重構技術，為復雜測試結構創建三維幾何模型提供了一個簡單的解決方案。這種方法不僅為用戶節省了大量的時間和精力，而且提供了一個非常簡單的精確模型。用戶只需拍下測試項目的照片并將其導入軟件，將上傳的圖像進行匹配，提取特征，經過點和面重構處理，構建結構的三維模型。這種方法非常容易使用，不需要任何手工勞動，比其他兩種方法快得多。

以下步驟簡要說明了二維到三維重構技術的工作原理。

影像捕捉

圖3 測試結構的捕獲圖像

用戶圍繞測試對象拍攝二維照片，這些照片可以用智能手機或相機拍攝。為了獲得準確的三維模型，建議用戶每15°左右拍攝一次，一共約24張照片。增加照片的數量可以提高模型的準確性，但可能會增加處理時間。

在晶鉆儀器公司的三維模型重構軟件中進行二維圖像到三維模型的重構

圖4 2D到3D重構過程截圖

1. 加載圖片

將二維照片導入軟件，進行圖像匹配和特征提取。

圖5 圖像加載到EDM 3D重構軟件

2.特征提取

根據三角測量原理，使用兩張相應的照片來確定測試對象的深度。15°間隔有助于獲得連續圖像之間的最優重疊，從而進一步提高圖像匹配。

圖6 特征提取過程的參數設置

CCD的尺寸由照片的像素數量和相機的焦距決定。更高的像素和更大的CCD尺寸意味著更好的照片分辨率。圖像比例尺基本上是指如果對照片進行重新縮放以完成圖像匹配過程。默認的匹配比0.6應該足以獲得圖像之間的良好匹配。這在良好的圖像匹配和快速的特征提取過程之間取得了很好的平衡。

圖7 特征提取過程截圖

3.稀疏點和密集點重構

從圖像中提取關鍵特征有助于建立測試結構的稀疏點模型，這是一個快速和粗略的模型創建過程。軟件可以為重疊點模型籌夠自動選擇初始圖像對。

圖8 重構過程的設置

利用特征提取和稀疏點重構信息生成密集點三維模型。

圖9 密集點重構過程

圖10 密集點模型屏幕截圖

4. 面重構

在面重構階段，通過自動連接密集點模型中的所有點，得到一個完整的三維模型。

圖11 面重構過程屏幕截圖

5.幾何編輯

一旦三維模型呈現幾何編輯器中，軟件中的各種功能可以用來修剪和修改三維模型的某些部分，以提高幾何模型的美觀。一個典型的操作是移除賽車模型的底板，如下面的截圖所示。得到的模型可以導出為.vvm格式，然后導入到EDM Model、VCS或DSA軟件用于振動可視化應用程序。

圖12 最終的3D模型

所構建的三維模型用于實時(在線ODS)顯示測試結構在測量過程中的振動，或在所有測量運行完成后顯示結構振動(時域和頻域)。這將在下一節中詳細討論。

圖13 重構3D模型過程概述

利用所建立的三維模型，可以在振動試驗和分析過程中，或振動數據保存和記錄后進行振動可視化。將傳感器安裝在測試結構上的不同測量點后，進行振動測試。將傳感器在測量點獲得的數據用于動態的三維模型。對實測數據進行全局插補，計算未測點在整個結構中的變形。振動可視化提供了測試結構在這些點上的動畫。

當三維模型可用時，來自信號的數據可用于結構的瞬時變形。通過振動可視化和等高線圖的信息，用戶知道測試件的哪一部分變形更大或更小，從而可以優化傳感器的位置。同樣，這一信息也可用于改變激勵位置，以獲得能產生最佳響應的位置。這些信息還可以用于通過降低測試量級來修改測試項目的控制譜，以防止對結構的任何損壞。

圖14 測試結構工作撓度形狀的實時振動可視化

在線振動可視化功能可以使用來自輸入通道的塊數據或RMS數據來動畫顯示測試結構在這些傳感器位置上所經歷的變形。塊數據用于被測結構的振動可視化的瞬時顯示。當傳感器的塊數據被用來可視化測試物體的振動時，動畫每40毫秒更新一次。塊選項更新過快，測試結構的振動可視化可能無法達到最大或最小變形。RMS選項顯示每個時間塊的RMS數據，有助于觀察測試結構變形的最大或最小位置。

振動可視化不僅在實時分析(在線ODS)中有用，而且在測量完成后也很有幫助。通過對實測數據的分析和可視化，可以觀察試驗結構在時域和頻域上的振動。

離線時域數據可以回放試驗過程中各時刻的振動。這在通過完全激勵監測整個結構的響應中更有用。三維幾何模型需要大量的點來保證精度，但是用戶很難獲得大量的測量點。我們的軟件中的全局插值功能為用戶節省了大量的時間和精力。用戶設置測試，建立連接，收集合理數量的測量點的數據，并使用這些數據插值計算未測量點在整個結構中的變形。來自當前測試的信息可以用于優化未來測試的配置。

圖15 模態試驗完成后，測試結構的工作撓度在時域內的振動可視化

離線頻域數據的振動可視化顯示了測試結構在相關固有頻率下的振型。這些振型的動畫進一步引導用戶更好地理解測試結構對輸入激勵的動態響應。這些信息可以用來改善測試對象的機械特性。比如對試驗結構的阻尼作相應調整，以減少某些模態的重要性。

圖16 模態試驗完成后，測試結構的振型可視化

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疲勞損傷頻譜(FDS)允許用戶通過比較不同隨機曲線，正弦掃頻曲線或兩者的組合而發現設備的潛在損害。

振動所引起的損傷可以發生在下列情況之一:

1.對物體的極度瞬時應力所造成的損傷。

2.當某一應力水平的高循環次數應用于該物體時，疲勞造成的損傷。

FDS表示一個物體的產生疲勞損傷的能量的頻譜。

如何實現隨機振動疲勞分析

FDS函數利用S-N曲線構建頻譜分析圖。S-N曲線表示對材料(S)施加的應力和應用應力(N)的循環次數。通過頻譜分析圖我們可以實現隨機振動疲勞分析。

鋁條的S-N曲線如下圖所示:

FDS功能能夠提供一種方法，通過計算最快的破壞或破壞路徑來減少試驗時間。根據FDS的計算，將隨機或掃頻正弦的能量集中到它將引起最疲勞損傷的地方，加速了測試時間。

簡而言之，FDS讓用戶了解何種振動頻譜會對對象造成更大的損害，并使用該信息和其他參數(比如峰態)來減少測試時間。

利用晶鉆儀器 Spider-80X 多通道數據采集儀（或 Spider-81 振動臺控制儀）采集數據，并通過EDM隨機測試功能生成疲勞損傷譜，下圖是20Hz-40Hz的4g峰值的正弦曲線的疲勞損傷譜:

以下是同一水平的隨機頻譜的疲勞損傷譜，其峰值和頻率范圍相同:

通過這些具體的測試，在較高的頻率域內隨機頻譜造成的疲勞損傷大于正弦掃頻曲線。然而，在低頻范圍內，疲勞損傷是相似的。

當然，結果取決于測試對象的特性(比如S-N曲線的斜率)和配置文件的水平和頻率范圍。

這將提供一種方法來比較和研究具有相對相同級別的目標譜是否適合于運行特定的測試。在許多測試中，目標是通過失效對象來估計對象的目標生命。通過進行FDS分析，可以顯著降低擴展測試的時間(例如，進行40小時的測試取代400小時的測試)，以達到同樣的目標，即試件失效。

對于一個昂貴而復雜的測試對象，如衛星，完全破壞是不需要的。因此，利用FDS分析，可以減小應力的持續時間和強度，以觀察長期振動試驗中可能出現的松動部分。

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例如，許多流行的隨機測試標準要求在低頻范圍內具有高達2kHz的高分辨率。 為了滿足要求，必須使用高頻不需要的高分辨率（大block?size）。 因此，在高頻范圍內，循環時間和存儲空間會增加，并且頻譜刷新率會降低

為了提高低頻范圍內的控制性能并保持合理的環路時間，在整個振動控制過程中應對低頻和高頻范圍應用不同的分辨率。

晶鉆儀器的EDM提供多分辨率控制功能，可在高頻范圍內應用所選分辨率，在低頻范圍內應用8倍分辨率。由軟件計算的截止頻率分隔了低頻和高頻范圍。 用戶也可以選擇幾個相鄰頻率以避免系統共振或反共振。

控制算法

在實現中，使用具有不同采樣率的兩個不同控制回路。 假設控制系統中的采樣率為Fs，我們將整個頻率范圍分為兩個波段：（0，Fs / 20）和（Fs / 20，Fh）.DeltaF是頻段內的分辨率（Fs / 20，Fh），然后我們使用DeltaF / 8作為（0，Fs / 20）中的分辨率。算法中使用下采樣8。圖2顯示了要使用的多分辨率控制方法。

輸出峰值檢測和修改也保持不變。 在CalOutput（）函數中，我們只是添加來自不同波段的數據，并將結果發送到以下檢測和修改模型，就像現在使用的系統一樣。

用戶定義的配置文件應在初始化期間分解為2個頻段，以獲得低頻帶參考目標譜文件。 Spider 振動控制系統將同時在這兩個目標譜文件上運行。

測試對比

在下面的綜合窗口中，測試正在運行的是400線的沒有多分辨率控制的情況。

藍線是控制頻譜。 綠線是目標譜。 黃色和紅色線是警報線和中止線。

在這種情況下，Spider-81 振動控制儀正在運行隨機測試，在低于100 Hz和200到500 Hz之間，其中有幾個峰和谷并不貼合目標譜。 我們可以看到控制頻譜在200 Hz至500 Hz之間非常好地匹配目標譜，但在100 Hz以下不能令人滿意。 原因在本文的第一段中已有描述。

啟用多分辨率控制后，低頻范圍內的分辨率更高，控制性能也大大提高。 控制頻譜無論在低于100 Hz以及200 Hz至500 Hz之間，都貼合目標譜文件。

在以上兩種情況下，在綜合窗口中縮放13 Hz~100 Hz范圍。

上面的圖表顯示了congtrol（f）如何匹配profile（f），在沒有多分辨率控制時。

下圖顯示了congtrol（f）如何匹配profile（f），在啟用多分辨率控制時。

啟用多分辨率控制能使congtrol（f）更好地匹配profile（f）。

以下是更多用于比較的測試結果:(線數= 400，Fa = 2,000 Hz，ΔF= 5 Hz）。 左圖中的信號保存在啟用多分辨率的隨機測試中。 右圖中的信號保存在隨機測試中，未啟用多分辨率。 兩個圖表都顯示10 Hz至2,000 Hz的頻率范圍。

放大15Hz至100Hz的范圍

下表顯示了每個FFT 頻率下Control（f）和Profile（f）（| Control（f）-Profile（f）|）之間的分貝偏差。

繪制兩種情況下每個頻率的5個信號的平均差異。

在具有多分辨率控制的低頻范圍內，Control（f）和Profile（f）之間的差異更小。

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高斯隨機振動波形

隨機振動波形峭度=7

下圖顯示兩個測試的振幅分布的差異。幅度分布可以用直方圖來測量。由此可以看出，具有較高峭度的測試，分布圖尾部延伸得更遠。控制器通過調整隨機生成的驅動信號的相位來改變這個幅度分布。因為只有相位被改變，振動的頻率成分沒有受影響。

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一些振動環境的特征在于來自往復式或旋轉式機器（如轉子葉片，螺旋槳或活塞）的準周期性激勵。 模擬這種情況的一種好方法是將一個或多個高級窄帶或正弦振動分量疊加在低級寬帶隨機分布上。 這些被稱為混合模式隨機測試。

EDM支持兩種類型的混合模式隨機測試：正弦+隨機測試(SoR) 和 隨機+隨機測試(RoR)。在每一種測試類型中，額外的振動目標譜被放置在常規寬帶隨機目標譜上。在正弦+隨機(SoR)中，這個額外的目標譜由一個或多個正弦波組成，它會在指定的頻率范圍內進行掃頻。隨機目標譜可以表示基礎激勵或背景噪聲水平，而正弦波表示強烈的單頻激勵。這比一個隨機測試本身更能模仿一些真實世界的情況。

一個隨機加隨機測試是在寬帶隨機測試譜上重疊一個或多個窄帶隨機譜。這些窄帶譜能在給定的頻率范圍被掃描。多達12個獨立的窄帶信號可以疊加在寬帶隨機信號上，每個窄帶信號都有自己的掃頻計劃和范圍，它們可以通過一個預定義的計劃或手動開啟和關閉。

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EDM支持兩種類型的混合模式隨機測試：正弦+隨機測試(SoR) 和 隨機+隨機測試(RoR)。在每一種測試類型中，額外的振動目標譜被放置在常規寬帶隨機目標譜上。在正弦+隨機(SoR)中，這個額外的目標譜由一個或多個正弦波組成，它會在指定的頻率范圍內進行掃頻。隨機目標譜可以表示基礎激勵或背景噪聲水平，而正弦波表示強烈的單頻激勵。這比一個隨機測試本身更能模仿一些真實世界的情況。

下圖顯示了Mil-810F中描述的SoR的典型分布。 注意，隨機寬帶目標譜以功率譜密度或g2 / Hz為單位來定義，而正弦分量是單位為g的振幅來定義的。

當SoR運行時，正弦分量將被疊加顯示在寬帶隨機目標譜上。

晶鉆儀器的Spider振動臺控制儀（如 Spider-81）有強大的正弦+隨機功能，允許有多達12個獨立的正弦分量，或多達20個諧波。可以通過控制面板上的按鈕手動控制這些隨機分量，或者預先在運行計劃中設置。每個掃頻都有自己特定的掃頻范圍和速度。利用Spider-HUB交換機連接，可構建多達512個輸入通道的硬件系統。

當顯示信號時，它可以以G2 / Hz的方式顯示功率譜密度，這種方式適用于測量隨機信號，或以G-Peak方式顯示，這更適合測量正弦分量信號的幅度。

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在隨機振動測試中，由一寬帶隨機信號驅動振動臺，通過回路信號調整該驅動信號，以產生一個與測試目標譜相符合的響應。這種控制算法可以計算輸出驅動和輸入控制通道之間的逆傳遞函數，是放大器、振動臺和動圈之間的綜合結果。產品的逆傳遞函數和響應譜可以產生一個輸出驅動譜，然后相位隨機發生器和逆FFT產生一個隨機來驅動輸出時間流。

隨機控制過程

隨機激勵常常被用來模擬真實世界的振動。隨機振動控制系統的目的是產生一個真正的隨機驅動信號， 當經由放大器/振蕩器施加到設備，將所得振動器輸出頻譜信號匹配用戶指定的測試目標譜。此參考譜在（加速度）²每赫茲的單位頻域中定義的。這個信號將被施加到試件上以驗證該設備的在其服務的環境中發揮作用的能力。

如果被控制的一系列的組件（即，放大器，振蕩器和測試結構）被假定為一個集成的線性系統，那么它可以通過在頻域中一個系統傳遞函數H(f)進行說明。該控制和驅動信號的頻率譜，Y（f）和X（f）中，可以通過H(f)聯系在一起：

Y(f) = H(f) X(f)

或

X(f) = H(f) -1 Y(f)

H(f)-1稱為逆傳遞函數

如果平坦頻譜驅動信號激勵一個搖床/測試條系統，得到的加速度響應譜不會是平坦的。電樞共振和試件的動力學上的反應使得所得到的頻譜有峰（共振）和谷（反共振）。

將指定的譜應用到試件上，驅動器的頻譜必須被改變以校正所述搖床/負載組合的動態。這個過程一般稱為“均衡”。逆傳遞函數被連續計算測試過程中監測到的任何變化。進行實時更正。

得到所需的光譜R(f)(參考光譜或者目標譜),驅動所需的值可以計算為:

X(f) = H(f) ^-1 R(f)

X(f)所需的驅動信號的頻譜。

一旦驅動器X光譜(f)是已知的,有幾種方法可以生成一個隨機的時域輸出信號。這個信號必須有以下屬性:

• 譜形狀通過X（f）定義
• 消除不連續性
• 高斯振幅分布

該算法包括以下步驟:

1. 數字化輸入信號和使用FFT處理將其轉化為頻域。
2. 通過互譜估算經平均輸入和輸出之間的逆向傳遞函數。
3. 生成具有隨機相位的參考頻譜。
4. 參考譜乘以逆向傳遞函數，然后應用逆FFT將來產生輸出的時間流波形。
5. 通過一個D / A轉換器，輸出時間流波形。

所有這些計算在一幀的期間內完成，以確保一個非常快的控制回路的時間。

隨機控制動態范圍

隨機振動控制器（如：Spider-81）的關鍵要求之一是實現高控制動態范圍。控制動態范圍是比較控制信號中最高和最低光譜幅度的一種方法。Spider能達到至少90dB控制動態范圍。這可以通過修改的中國測試標準JJG-948來衡量。JJG-948只要求控制動態范圍到60dB。通過對噪聲下限的修改，可以顯示出更高的控制動態范圍。

Spider-81 振動控制儀-90dB隨機振動

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