钢琴丝激振杆在MB模态激振器中的应用

 

 

在应用模态激振器做模态测试试验中，我们都知道“garbage in=garbage out”的道理，就是说劣质的传递函数只能得到不准确的模态测试结果。在整个测量过程中，力信号作为参考特征值，它的准确性是得到准确传递函数的必要条件。然而，在使用模态激振器作为激励源的时候，力信号的错误测量往往被忽略，因为在使用常规激振杆时，由于激振杆工作时产生的弯曲会对力传感器产生弯曲力矩，这种激振顶杆不可避免地会对力传感器施加侧向载荷，这些侧向载荷和弯曲力矩会造成实际力信号的测量误差，如图一所示，

    图一，常规激振杆激励

而对于钢琴丝激振杆，可以简单理解为一根绳子，在完全张紧的情况下，绳子是可以传递轴向力的（沿着绳子方向），这一点就满足了激振杆传递力的要求。而绳子的侧向刚度和弯曲刚度几乎等于零，也就是说在连接力传感器的时候，绳子不会对力传感器施加任何侧向载荷和弯曲力矩。因此模态测试试验中，使用钢琴丝激振杆测量得到的传递函数的准确性要远远低于常规激振杆。

但并不是所有的激振器都可以使用钢琴丝激振杆的，因为琴弦丝激振杆的安装比常规激振杆更为复杂一些，需要激振器含有一些特殊的设计，以确保琴弦式激振杆可以连接到激振器上。下面两个图中给出了MB的 MODAL50 在连接琴弦式激振杆对被测物进行激励的方式，包括激振器悬吊和固定的两种方式：

图二  激振器悬吊下的琴弦式激振杆激励

图三 激振器固定方式下的琴弦式激振杆激励

 

如何使用琴弦式激振杆？

在使用琴弦式激振杆时，最大的原则就是：激振杆上的静态力要大于动态力，确保这根“绳子”始终是张紧状态！

那么如何施加静态力呢？

      施加静态力一种方法就是应用弹簧，另外一种就是使用质量块。

     将弹簧（弹性绳或螺旋弹簧，形势有很多种）的一端连接到刚性物体（如墙面、地面）上，另一端连接到琴弦式激振杆的一端，假如弹簧的弹性系数是10N/mm，那么当弹簧被拉升到10mm，就意味着对激振杆施加了100N的静态力，这个静态力h会通过激振杆施加到被测物上， 对于质量块来说，就是将其悬吊在琴弦式激振杆的一端，假如质量块的重量是10kg，质量块的自身重力会对激振杆施加98N的静态力，这个静态力也同样会通过激振杆施加到被测物上。以上两种方法都是可以对被测物施加静态力的，以确保激振杆处于张紧状态，但是在实际使用中，我们一般会优先选择弹簧的方式，因为悬吊的质量块会增加被测物的附加质量，在大多数情况下，附加质量会造成激振器在结构共振频率点时的出力大幅下降，具体可参见论文《Good Data and Bad Data》中第5节（带有电流反馈的功放，如MB的MB500VI,可以减小出力下降的幅度，电压反馈的功能无法实现）。而弹簧的重量几乎可以忽略，对被测物没有附加重量的影响。因此一般优先使用弹簧对被测物施加静载。

     在随机激励方式下的静态力如何设定呢？

         随机激励（包括采用开环的白噪声和粉红噪声激励，以及类似于MB的Millenium闭环控制器）会产生几倍y于RMS力值的峰值力，例如有些白噪声信号发生器产生的信号峰值是均方根值的5倍，假如均方根值为20N，那么瞬态峰值力会达到100N,这是为了确保“绳子始终是张紧的状态，静态力的大小必须至少是100N，

   那么如何选择弹簧呢？

        弹簧的种类有很多种，如螺旋式的弹簧、弹性绳等等。但选择的关键是弹簧的弹性系数和最大变形量。通常要求弹簧的最大变形量至少是激振器行程的4倍，这样可以使得激振器动圈的运动相对平缓。选择太硬的弹簧会限制激振器可以产生的振动位移幅度，选择太软的弹簧意味着需要很大的弹簧变形l量才可以达到要求的静态力。如MB的Modal 50 的行程是25.4mm，最大峰值出力为220N,所以弹性系数3N/mm的弹簧会比较合适，90mm的变形量可以产生270N的力，略大于220N有一定的余量。

  如何测量静态力？

目前很多力传感器都是IEPE/ICP型的，这种传感器只能测量动态力，无法测量静态力。因此很多测试工程师会问是否需要一种特殊的力传感器来采集静态力信号呢？答案是不需要，通常静态力的计算只需要通过弹簧的弹性系数乘以变形量玖可以计算得到，由于激振器动圈的运动造成弹簧额外变形而产生的额外静态力不会对传递函数的精确度造成任何影响，因此模态测试种，静态力本来就不需要被精确测量。