張辛 王旱祥 董祥偉 劉延鑫

摘要：設置本探究性實驗是為讓學生在掌握機電信息檢測與處理技術(shù)課程關(guān)于力測量、振動測量和信號分析處理等基本知識基礎(chǔ)上，通過對實驗簡支梁模態(tài)分析的理論計算，實際操作，數(shù)據(jù)記錄與分析，實現(xiàn)機電信息檢測時傳感器、信號加工裝置、力及振動測量和信號分析相關(guān)內(nèi)容有機結(jié)合，讓學生理解模態(tài)分析理論，掌握測試方法、儀器設備和分析軟件的使用，提高工程應用能力。

關(guān)鍵詞：振動系統(tǒng);模態(tài);探究性實驗;固有頻率

中圖分類號：TE95? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）11-0269-02

機電信息檢測與處理技術(shù)是機自專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課，課程內(nèi)容涉及傳感器、信號調(diào)理裝置、轉(zhuǎn)換裝置及數(shù)據(jù)記錄與輸出儀器[1]，通過本探究性實驗[2]，可以掌握模態(tài)分析的原理及測試分析方法，進而將模態(tài)分析方法用來進行結(jié)構(gòu)動力學分析、響應計算和載荷識別。

一、實驗設計原理

實驗原理是將結(jié)構(gòu)物在靜止狀態(tài)下進行人為激振，通過測量激振力與響應并進行頻譜分析，識別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。通過本探究性實驗，可以掌握模態(tài)分析的原理及測試分析方法，進而將模態(tài)分析方法用來進行結(jié)構(gòu)動力學分析、響應計算和載荷識別。實驗設計內(nèi)容[3]主要有：

1.增加實驗結(jié)構(gòu)物利用有限元分析模型來確定模態(tài)試驗的測量點和激勵點，參照計算振型對測試模態(tài)參數(shù)進行辯識命名的實驗內(nèi)容。

2.要求學生掌握人為對結(jié)構(gòu)物施加一定動態(tài)激勵，采集各點的振動響應信號及激振力信號，根據(jù)力及響應信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)參數(shù)的技術(shù)。

3.增加了激振拾振裝置、雙通道FFT分析儀、和模態(tài)分析軟件包的正確使用。并能將結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動進行三維實時動畫顯示。

4.可讓學生加深對不測力法利用系統(tǒng)的響應數(shù)據(jù)進行固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼或阻尼比等模態(tài)參數(shù)計算方法的理解。

二、實驗設計內(nèi)容

（一）實驗方案設計

本實驗方案設計為通過可由力傳感器檢測作用力的力錘擊打簡支梁，使簡支梁產(chǎn)生振動，由振動傳感器測取簡支梁的振動情況，將力和振動信號輸入動態(tài)分析儀進行分析，利用計算機內(nèi)的模態(tài)分析軟件包分析獲得簡支梁的固有頻率、模態(tài)振型等。

（二）實驗內(nèi)容

1.對簡支梁進行有限元分析。建立簡支梁有限元分析模型，通過專用軟件理論分析簡支梁的固有頻率和模態(tài)振型，同時確定測力法實驗時簡支梁的激勵點和測量點。

2.傳感器的安裝調(diào)試。正確掌握力和加速度傳感器的使用，在錘子端部安裝壓力傳感器，在簡支梁上安裝加速度傳感器，進行接線，利用力錘擊打由有限元分析得出的簡支梁激勵點位置進行測試。

3.動態(tài)數(shù)據(jù)采集。錘子端部的壓力傳感器和部署梁上的加速度傳感器分別測試錘擊力和振動加速度，由電荷放大再接入采集系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)理的信號輸入計算機由軟件進行分析處理。

4.信號處理與振型動畫。進行信號時域或頻域信號處理。如譜分析、傳遞函數(shù)估計、脈沖響應測量以及濾波、相關(guān)分析等獲得參數(shù)識別的結(jié)果，同時將得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型采用動畫的方法顯示。

（三）改進之處

1.模態(tài)分析通過給結(jié)構(gòu)施加一個激振力，激起結(jié)構(gòu)振動，測量結(jié)構(gòu)響應及激振力之間的頻率響應函數(shù)，來尋求結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。學生通過選擇力錘和激振器兩種激勵方式，多點激勵單點響應以及單點激勵多點響應的測試方法，可以更加深入地了解實驗模態(tài)分析的全過程，增強學生理解力，提高學生的興趣，引導學生自行探索實驗室實驗和現(xiàn)場工程測試的區(qū)別。

2.增加有限元計算環(huán)節(jié)，由原來教師確定激勵點和測量點改為學生通過模態(tài)參數(shù)估計，來確定激勵點和測量點。理論結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析，能夠更加準確清晰地進行驗證，確保模態(tài)結(jié)果的可信度。

3.增加結(jié)果的分析動畫演示，各階模態(tài)參數(shù)分別顯示或同時顯示一個或多個模型上，動畫的幅度和速度可以隨時暫停隨時調(diào)整。實測數(shù)據(jù)同步動畫顯示在模型上，形象地顯示試件的真實變形過程;響應頻譜或傳遞率同步顯示在模型上，形象地顯示試件在某個頻率激振下的變形情況，從而在峰值附近估計模態(tài)參數(shù)。

三、結(jié)束語

經(jīng)過本探究性實驗的學習，可以熟練使用有限元分析方法進行結(jié)構(gòu)的固有頻率計算和模態(tài)分析，進行結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別;掌握實驗室利用測力法分析結(jié)構(gòu)物的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度;熟練使用相關(guān)振動測試傳感器（位移、速度和加速度），掌握機械裝置利用加速度傳感器測試振動的測試方法;掌握利用軟件將測量得到的響應進行自功率譜、互功率譜、傳遞率、相干函數(shù)分析和對固有頻率、模態(tài)振型等進行測試的方法，為從事機電信息檢測科研或開發(fā)崗位打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)技能。

參考文獻：

[1]王瑜，左敏，胡洋，等.淺談學習動機與獎勵機制在偏理論型專業(yè)課程中的重要作用[J].教育教學論壇，2018，（25）：173-174.

[2]高博.微帶貼片天線的仿真與測量實驗設計[J].教育教學論壇，2018，（25）：274-275.

[3]陳少華，相文峰，冷文秀，等.探究式教學法在《高等激光物理》課程中的探索與嘗試[J].教育教學論壇，2018，（25）：163-164.

Design of an Exploratory Experiment for Testing of Multi-level Natural Frequency and Modality of a Vibrating System

ZHANG Xin，WANG Han-xiang，DONG Xiang-wei，LIU Yan-xin

（College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

Abstract：The purpose of setting up this exploratory experiment is to enable students to master the theoretical knowledge of force measurement，vibration measurement and signal analysis and processing based on the basic knowledge of electromechanical information detection and processing technology.The experimental course systematically combines contents of sensors，signal processing devices，force and vibration measurement and signal analysis for the technology of electromechanical information detection.Through the theoretical calculation，practical operation，data recording and modal analysis of an experimental beam，students are allowed to understand the theory of modal analysis，master the use of test techniques，instruments and analysis software，and improve the ability for engineering applications.

Key words：vibration systems;modal tests;exploratory experiment;natural frequencies