导语改善牙齿健康，提升生活质量！瑞士E.M.S.公司生产的超声波洁牙器，采用Piezon无痛技术，可有效帮助客户保持牙齿健康。为了尽可能地维持牙齿的健康，防止龋齿和牙周感染，家庭护理方法如刷牙和使用牙线非常重要。不过仅靠这些是不够的，因为即使这些家庭护理操作得当，口腔内仍会产生菌斑，它是龋齿、牙周病和种植体周围疾病的主要致病因素。因此我们需要定期去看牙医，诊断菌斑或牙结石的形成，并使用预防技术来抑制它们的生长。什么是GBT？瑞士的E.M.S.公司（ElectroMedicalSystems）开发了一种特殊的治疗方法，称为以菌斑控制为导向的牙周治疗方案(GBT)，GBT方案倡导在天然牙、种植体和软组织上采用AIRFLOW®龈上和龈下喷砂及PIEZON®无痛超声洁治等方法开展菌斑控制。为使该种具有无创和舒适性等优点的治疗方法最高效，我们需要掌握PS工作尖的运动特性。Polytec激光多普勒测振仪在这一高端牙科器械的设计和制造中起到了非常重要的作用。与其它技术如手动、气动或磁致伸缩装置等相比，以菌斑控制为导向的牙周治疗方案(GBT)采用Piezon®舒适技术结合PS（龈下超细）工作尖，其运行轨迹的线性度、高效率、对牙齿和软组织的创伤最小，通过超声手柄内部的压电换能器提供可控振动来清除牙结石。压电换能器由内置的电子模块驱动，以确保仪器的持续振动。得益于PS超声洁牙器本身及工作尖超细的外形，设备在从龈上到龈下的防治过程中保持温和而有效的运动。只有整个系统在外形、超声模块和电子驱动模块之间达到完美平衡时，才能保证洁牙器能够实现精准的线性运动轨迹。这与其它一些竞争对手只关注工作尖而非整个系统的控制有着本质区别。事实上，几何外形、材料和操作手法的细微偏差都会降低洁牙器的性能。因此，若无法有效保证工作尖的适当振动特性，就有可能发生危险或引起病人不适。图2采用Piezon®技术的PS超声洁牙机，从龈上到龈下的通用治疗设备Polytec参与洁牙器的研发和质检为确保洁牙机具有适当的振动特性，E.M.S.公司在整个研发和生产过程中均采用了最先进的技术。事实上，在开发阶段，他们便使用了PSV扫描式激光多普勒测振仪来校准和验证有限元模型(FEM)，而在最后的质检阶段，激光测振仪被用来检测工作过程中超声模块以及制造工艺过程中的微小偏差。另外，我们还通过这种先进的测量技术来确定每台仪器的耐磨损性能。图3闭环反馈式的研发过程：设计-FEM分析-3D扫描式激光测振仪实测验证这种超声设备的振动测量需要采用非接触式方法，要能够实时准确地获取设备在高频振动下的微小位移(峰峰值小于200μm)，并将电子器件的电信号与设备的机械运动连接起来。PSV-500-3DXtra系统通过扫描工作尖表面，同时将发送到压电传感器的电信号作为相位参考，获得了工作尖的完整三维振型，并且得到了在进行齿面接触和喷水等真实条件下PS超声洁牙器的运动轨迹的线性度，Polytec在该领域的振动测试具有绝对的权威性。此外，Polytec公司的Xtra红外式激光测振仪的振动速度高达30米/秒，这意味着洁牙器工作频率在29kHz时的位移峰值可达到275μm（峰峰值）。测量结果PS超声洁牙机的振动测量是在空气中进行，无任何附加质量影响。在工作尖部位布置了大约135个测点，精确地获取这些测点在X、Y和Z向的振动数据，结果如图4所示。图4超声激励下PS超声洁牙机的振型显示这些结果可用于检验有限元模型(超声运动的模态、频率、线性度等)，并可用于进一步调节超声运动的真实振幅，如图5所示。图5从超声手柄到工作尖的不同位置上的实际振幅和理论振幅的对比我们也可以将测试得到的机械振动信息与电子驱动器发送的电信号进行对比，以验证振动输出的调节控制性能。此外，PSV-500-3DXtra测量的是设备在真实条件下的振动(与牙齿和牙结石相接触)，这些条件很难在仿真中建模。即使身处具有挑战性的工作环境，我们也能够准确地获取振幅并验证运动轨迹的线性度。总结与展望Polytec公司的PSV-500-3DXtra三维扫描式激光测振仪，以无与伦比的超高精度获取PS超声洁牙器的高速振动特性。正是这项测量技术，我们得以验证和校准理论模型，进而控制PS超声洁牙器的性能，同时获得洁牙器在工作过程中的真实运动情况。在设计-仿真-实测的协同作用下，激光测振仪帮助我们实现了产品开发的全新理念：不断改进产品并优化所有关键因素，以确保高效、无创伤的治疗。
飞机油耗是当前关于全球气候变化讨论的热点话题之一，这其中一个重要的影响因素是飞机发动机本身的设计。整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而诞生的新型构件，其重量轻，效率高，现已在各国军用和民用航空发动机上得到广泛应用。与传统发动机叶片不同，整体叶盘由一块材料加工而成。振动测试和模态相关与整体叶盘的诸多优点相对应，其制造工艺技术则面临着技术难题。由于它们是一体成型，表现出阻尼水平极低，并出现非常尖锐、明显的共振现象。理想的整体叶盘是完全对称的，即所有的叶片均具有完全相同的几何外形和材料属性，叶片的振动模态也表现出对称性，振动能量在各叶片均匀分布。微小的加工误差就会造成叶盘失谐，一旦出现失谐现象，振动能量就会集中在一个或几个叶片上，出现明显的响应幅值放大现象。在叶盘运行时便体现在叶片的局部应力增加，并最终导致部件的过早疲劳失效（高周疲劳）。为预测叶盘工作时的实际应力，我们需要有详细的有限元模型。第一步，使用试验方法验证有限元模型的对称性。第二步，调整模型，使其可被观察到失谐现象。因此，我们需要对整体叶盘进行精确的有限元相关性分析，这非常关键。使用3D扫描式激光测振仪进行模态相关性测试激光多普勒测振仪，采用非接触式测量方法，能在整个所需带宽内对被测结构的振动特性进行可靠的测试。与传统的接触式传感器，如加速度计相比，激光测振仪无任何附加质量影响，且不会增加物体的阻尼，这是进行精确模态相关性分析的硬性条件。此外，3D扫描式激光多普勒测振仪还能轻松准确地输出整个带宽范围内的完整三维振型，其完整的数据集可以方便地用于有限元模态相关性分析。图1：使用3D扫描式激光测振仪测量直径为240mm的压缩叶盘直径为240mm的压缩叶盘由德国斯图加特大学提供，不锈钢材质，这是由德国一家专门制造该类零部件的公司高精度研磨而成。高分辨率的形貌扫描显示其仅有微小的几何偏差，大约为50μm量级。将叶盘放置在三个小橡胶垫上，以减弱环境振动，同时最小化因支撑带来的影响。使用全自动可伸缩力锤SAM1来提供激励，最高频率可达20kHz。本次试验采用的是德国Polytec公司的PSV-500-3DXtra三维扫描式激光测振仪，测量激光为红外不可见激光，具有极高的光学灵敏度和抗干扰性，无需对被测表面进行复杂的表面处理即可高精度完成测试。激光功率3mw，人眼安全。测量结果图3为测得的传递函数谱图(FRF)，对所有点进行了平均。图2为整体叶盘的部分振型。图4显示的是具有周期性对称的叶盘，原本应成对出现的频率发生频率分离现象（这是非常重要的一个参数），提示出现极小失谐现象。图2：从左到右，叶盘分别在0.7kHz,1.3kHz和2.3kHz时的振型图3整体叶盘的传递函数谱图图4两个对称模态的FRF频谱图间的频率分离为了进一步与FE进行分析和比较，将数据导出为通用文件格式，并使用模态分析软件包PolyWave进行模态参数提取。将测量的第一模态族振型与完全对称的有限元模型进行比对。表1给出了测量和仿真得到的频率、频率差百分比，以及测量得到的阻尼比。表1：仿真与实测的阻尼比测量结果显示，第一模态族里所有叶片具有相同的一阶弯曲模态振型。频率一致性高，表明失谐很小。然而，从第二模态族(0.6~3Hz，中心频率约为1~2kHz)的轻微频率分离现象可以得出存在叶盘失谐。这一结论可通过将测得的模态振型与从有限元仿真模态振型的MAC值分析图来进一步验证（如图5所示）。图5测得的模态振型与从有限元仿真模态振型的MAC值分析通常，MAC值越接近1则表示模态振型相似度越高，反之，数值越小则表示偏差越大。实验数据表明，低阶模态具有很好的相关性，而一些高阶模态的MAC值较低。更深入的研究表明（参阅参考资料），这些模态振型的偏差可以很好地通过细微的几何误差来解释，由于几何外形的误差破坏了模态振型的对称性，导致少数叶片相比其他叶片的局部振动幅值变大。总结与展望3D扫描式激光测振技术是获取如整体叶盘等复杂结构的真实振动特性的理想手段。Polytec自主研发的PolyWave软件帮助提取模态参数，与FE进行精确相关性分析。实测结果与仿真结果基本一致，能清晰地检测出所有相关模态，且在频率上有很好的一致性。通过详细分析数据，可发现叶盘因加工误差有轻微失谐，这一点无法通过CAD下的FE模型获知。这种失谐效应可以通过第二模态族的频率分离和高阶模态振型的差异来得知，表现出振动能量的局部化。测试结果很有价值，提醒用户在进行有限元模型优化升级时需将失谐考虑在内，因为这对于预测实际运行的叶盘的高周疲劳非常关键。目前，我们仅分析了叶盘的第一模态族的振型，但由于已获取高达10kHz的数据，我们完全可以相同精度研究更高模态族的振型。
蛛网的编织形式巧夺天工，具有非常独特的建筑学、力学和动力学性能，真可谓是自然界的奇迹！蛛网常见的结构，即由一个中心伸出的若干呈放射状的骨架丝线-纵丝和围绕这个中心的螺旋丝线-横丝构成的网状结构。蛛网需要抵抗风致振动及飞行猎物的高能冲击。为预测一个完整蛛网结构的振动阻尼响应，我们在蛛网形成地点-丛林实地，测试其组成丝线的阻尼特性。本次实验中，我们使用的是PDV-100数字便携式激光测振仪，来测量重量非常轻的蜘蛛丝的阻尼特性。对于这类轻质结构，我们只能选用非接触式振动测量系统，如PDV-100，因为如此轻质的螺旋丝线结构是无法承受如黏贴式加速度计或应变计等传统接触式传感器的重量。试验搭建我们将激光测振仪及其附件带到蛛网的形成实地-丛林。试验搭建情况如图1所示。实验过程中使用近似模拟自然风的人工微风对蛛网进行激励，用激光测振仪测量丝线的时域响应，再用对数衰减法获得丝线的振动阻尼。图1：右侧为实地测量蛛网振动阻尼的试验装置左侧，将激光点定位在丝线上测试结果在实地测试的优点是蛛网丝线是根据周围自然环境而产生自然张力。此外，在自然环境中产生的框丝可以对蛛网起到很好的支撑作用，而且它对蛛网的结构完整性和猎物捕获性能起着重要作用。构成蛛网的主要结构部位的电子显微图如图2所示。图2：蛛网重要组成部分的电子显微图将激光聚焦到蛛网的不同位置，分别对横丝和纵丝进行采样(如图1)。给予激励后，用激光测振仪测得的这两种丝线在时域上的振动速度响应结果如图3所示。分析表明，横丝振动速度的衰减比纵丝要快得多(衰减时间更短)。图3：激光测振仪测得的纵丝和横丝的时域响应灰色：横丝黄色：纵丝表1显示的是根据蛛网上多个不同测点位置的时域数据，计算得出两种丝线的平均固有频率和阻尼比。横丝具有较高的阻尼比和固有频率。本次试验中，蛛网受到的激励是近似模拟自然风的人工微风激励，在低频激励下，只考虑结构性的阻尼衰减效应，而不考虑外部环境阻尼衰减效应（气动阻尼）和与支撑相关的能量损失。固有频率阻尼比(ζ)纵丝10Hz0.075横丝36Hz0.12表1：固有频率和阻尼比数值纵丝是蛛网结构的重要组成部分，它们确保蛛网能抵御大风或暴风雨等自然袭击，以及捕食猎物时受到的冲击。此外，纵丝还负责吸收外部冲击力。横丝具有高阻尼比和灵活性，它能及时地将外来动能传输至纵丝。通过这种方式，蛛网得以在多变的自然环境中生存和发挥捕食作用。总结与展望在这次研究中，我们利用激光测振仪研究了蛛网的振动阻尼，从而得以深入了解蛛网在丛林中得以生存的这一自然现象的原因。实地振动阻尼测试表明，横丝具有较高的减振性能，它能瞬间将振动冲击分散至纵丝；纵丝能通过消耗横丝传递来的能量来防止蛛网破裂，从而保持蛛网的结构完整性。科学家们表示，蛛网的最新研究对工程学领域和材料学等领域具有重要的参考和借鉴意义。
精密测量自激励多悬臂梁MEMS微器件的振动使用超高分辨率显微式激光测振仪MSA-600获取受分子布朗运动激励的多悬臂梁MEMS微器件的振动特性。这种新颖的测试方法还可用于如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。MEMS器件，如微型传感器或执行器，如今已成为消费电子、汽车、飞机、医疗设备和仪器的基本元器件。MEMS器件在环境激励下的测试数据对于开发功能性样品以及成熟产品的标定和质量管控至关重要。开发过程分阶段进行：第一阶段，计算数字模型来优化MEMS性能，最小化寄生或偏置效应。第二阶段，通过样品实测来验证这些优化指标，并获取MEMS器件的总体技术参数。在本文中，我们使用德国Polytec公司的MSA显微式激光测振仪来对MEMS多悬臂结构进行测试（图1），得出该结构的机械振动特性及表面形貌特征。图1：被测MEMS器件为悬臂梁结构，对其四个悬臂梁进行测量，即左下方区域。悬臂梁宽65μm，长795~825μm。MSA显微式激光测振仪集多种测量功能于一体：基于激光多普勒原理的面外振动测量，基于频闪法的面内振动分析，基于白光干涉原理的表面形貌测量（图2）。图2：使用MSA系统的基于白光干涉原理的形貌测量模块，测量出悬臂结构的表面缺陷环境激励的振动测量振动测试分两个阶段进行：首先，使用主动激励的方式，激励信号由粘在MEMS器件底座上的压电陶瓷片来提供；第二，仅由环境作为激励，也称为被动激励。主动激励的信号由系统内置信号发生器产生并传输至压电陶瓷片，同时该信号可用作相位参考；对于环境激励，使用耦合在光路中的额外的光纤式光学头来收集悬臂梁反射光作为相位参考。测试结果采用主动激励方式的悬臂梁的工作变形（ODS）和所有测点平均频谱图如图3所示。为对比这两种激励方式下的悬臂梁的振幅和振型，任意选取主动激励频谱图中一个最为明显的共振峰。由于有相位参考，所有测点的相对相位已知，从而得出振型动画。观察振型动画可选出振幅最大的点，并显示其频谱。图3：所有测点的平均频谱图随后，选中采用环境激励方式得到的频谱中的相同频率。与主动激励方式一样，选择振幅最大的点，并显示其频谱。四个独立悬臂梁的每一个悬臂梁均挑出一个频率，显示该频率下主动激励和环境激励下的ODS，并进行比较。本次用于对比分析的频率点是第二阶弯曲模态对应的频率。图4显示的是自激励悬臂梁在130.9kHz时振型。被动激励是由环境中固有的布朗运动形成的。图4：被动激励下，单个悬臂梁在130.9kHz时的工作变形表1显示了主动激励和环境激励下测试结果的比较。由于是采用环境激励，其共振峰值要比主动激励大约低三个数量级。尽管如此，其信号质量仍然足够有效地确定振幅和振型(没有主动激励)。表1：主动激励和被动激励的数据对比总结与展望在现场环境(室内)条件下，利用环境激励对MEMS悬臂梁结构进行非接触式光学振动测量。试验表明，即便通过环境布朗运动进行激励，MSA显微式激光测振仪也能精确测量出微悬臂梁结构中微弱的振动特性。测量结果令工程师们振奋，因为一些其它应用领域的难题可能会迎刃而解，如原子力显微镜（AFM）的微小针尖的振动测量。无需处理或接触原子力显微镜（AFM）悬臂梁，即可通过激光多普勒测振法对其进行标定。这种方法可准确地测量出弯曲和扭转弹簧常数。与传统的AFM弹簧常数测量方法（通常需要在仪器内部完成）相比，这种非接触式测量方法规避了损坏针尖的风险。激光多普勒测振仪所具有的高灵敏度、高准确性和非接触式测量方式等优点，使其成为精密、轻质微型结构在实验室或生产中进行振动分析的首选工具。
在自然界中，雌性在寻找配偶时往往很挑剔。本文旨在研究雄蜂的振动是否是雌蜂选择交配对象的影响因素之一。这里，我们使用了激光测振仪研究雄蜂在交配期间的振动。研究发现，雌蜂对雄蜂在交配前的某些振动特性表现出一种偏好，这种特性表现为振动时间明显更长，而振动间隔更短。可能对于雌蜂而言，振动意味着力量，它们以此来确保自己所选的配偶健壮而富有活力。在动物界，由雌性来决定交配权的现象很普遍。理论表明，如果一方对后代投入更多，那么它就会通过选择最佳配偶来最大化自身的繁殖能力。雌性对后代的付出通常比雄性要多，在接受雄性交配之前，它们会利用雄性的各种特征，如颜色、尺寸、交配鸣声或气味来评估雄性的质量。各种蜂群(大黄蜂、无刺蜂和蜜蜂)均使用胸腔振动来沟通交流、收集花粉和防卫防御。尽管人们已经知道一些物种在交配时会发出振动信号，而有关振动信号在蜂群交配行为中所起作用的研究却甚少。蜂群振动时翅膀肌肉进行收缩，而翅膀保持不动。肌肉收缩使胸腔变硬，从而使振动频率更高。红毛蜜蜂是一种广泛分布在中欧和北欧的独居蜂。在求偶前期，雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上，并采取一系列行为来说服雌蜂同意交配：如振动胸腔、与雌蜂进行身体摩擦、反复伸出触角覆于雌蜂触角之上、将前腿放在雌蜂的复眼上等。在这过程中，雌蜂可能会将雄蜂从身上甩下来以示拒绝，但雌蜂到底是根据雄蜂的哪种行为来选择配偶，我们仍不得而知。这里，我们分析的是当雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上后，雌蜂是否以雄蜂的振动作为同意交配的标准。方法和材料本次试验简介被测对象：蜜蜂，雄蜂和雌蜂分别置于不同的木质捕捉巢内测试地点：德国乌尔姆大学某楼顶测试时间：白天测试温度：室温配对时，将1只雌蜂引入一个大约有40只雄蜂的飞行笼中，这些雄蜂来自多个捕捉巢。一旦两只蜜蜂达成交配前准备(雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上，其它雄蜂撤退)，就将这对蜜蜂取出，放入一个塑料盒子内(40×20×10cm)。使用激光测振仪(Polytec公司的PDV-100)采集雄蜂在交配前的胸腔振动，PDV-100连接内置采样率44.1kHz的32位声卡并装有Soundforge8.0软件的笔记本电脑。随后，将测试数据导入至AvisoftSasLabPro进行分析。在所有雄蜂的胸腔上标记一个白点，以增强反光强度。（注：PDV-100已全新升级成VibroGo，各项性能均有大幅提升）我们分别记录被接受雄蜂（被雌蜂允许交配）和被拒绝雄蜂的胸腔振动特性并加以比较。因为雄蜂在记录过程中偶尔会移动位置，激光束与蜜蜂之间的角度也会发生变化，因此我们无法比较雄蜂的胸腔振幅。测量结果通过数据分析我们可以看到，雄蜂胸腔振动有1~9段(持续振动)，每段包含大约10-220次爆发式脉冲振动（图1）。交配前，被接受的雄蜂的爆发脉冲振动持续时间明显长于被拒绝的雄蜂（图2），而且爆发脉冲的时间间隔似乎更短，但差异不是很明显（图3）。图1：蜜蜂胸腔振动记录图上半部：被拒绝雄蜂；下半部：被接受雄蜂被接受雄蜂的爆发脉冲振动持续时间要长于被拒绝雄蜂，而且爆发脉冲的间隔时间更短图2：被接受和被拒绝雄蜂的爆发脉冲长度被拒绝雄蜂数量=11，被接受雄蜂数量=12，两组数据差异明显图3：被接受和被拒绝雄蜂的爆发脉冲间隔被拒绝雄蜂数量=11，被接受雄蜂数量=12，两组数据差异不明显论雄蜂振动的重要性我们通过一系列持续振动段来描述雄蜂的振动特性。研究结果很清楚地表明雌蜂更喜欢与振动爆发时间较长的雄蜂交配。由于振动需要收缩胸腔，这会大量消耗体力，雌蜂可能把振动当做强壮和健康的标志。这对于蜂龄较长的雄蜂而言非常不利，因为它们缺乏产生长时间爆发脉冲的体力。关于雄蜂振动对于雌蜂择偶的重要性我们还知之甚少，但有证据表明，在很多情况下雌蜂可能会根据雄蜂的振动来筛选配偶。由于雄蜂的胸腔振动会消耗大量能量，因此雌蜂很有可能会将其视为一种表达忠诚的信号。为验证这些观点就需要做些实验，在记录雄蜂交配前振动的同时，将他们的活力、健康程度和蜂龄等因素考虑在内。总结与展望本次试验结果则为蜂群的嗡嗡声提供了全新解读。一直以来，人们认为蜂群没有听觉系统，蜂群的嗡嗡声这类研究在很大程度上被忽视。然而，它们显然在通过感官来感知这些振动，而且通过进一步研究，我们可能会揭示更多蜂群使用胸腔振动来进行内部交流的秘密。
引言无人机地面振动试验(GVT)的传统测试方法是将一定数量(10~100个)的加速度传感器分散安装到自由-自由状态的无人机上，并使用一个或多个电动激振器来提供激励。作为更先进的试验方法，我们使用德国Polytec公司的非接触式扫描式激光测振仪（SLV）来完成无人机自由-自由状态下的地面振动试验(GVT)。相对于传统的加速度计而言，SLV具有的优势显著，在不改变无人机质量配置的情况下，SLV的测点数量在理论上无上限。如此一来便可：(1)将试验数据与仿真(有限元)结果关联起来；(2)研究局部模态；(3)研究无人机细微的重量配置变化对模态特性的影响。本文中，SLV/GVT的试验对象为诺斯罗普·格鲁曼公司的MQ-5B“猎鹰”无人机(UAV)，对其在两种不同配置下分别进行测试:基础版无人机和在机翼根处下方附上有效载荷的基础版无人机（有效载荷小于机重的5%）。本次试验共获取了1,528个传递函数，这些结果将用于确定无人机在上述两种配置下的模态特性。在0~100Hz范围内，基础版无人机有14个主要结构模态和6个次级(控制表面)结构模态。附上的有效载荷破坏了无人机翼展方向的对称性，以至于总共28种模态(19种主要模态，9种次级模态)。五种新的主要结构模态包括两个新的模态和三个现有模态的分离模态。SLV/GVT结果精确计算了无人机所有的主要模态，包括机翼复杂的弯曲-扭转耦合模态，以及由于机翼增加较小有效载荷而引入的局部模态。同样，我们也使用了传统的GVT测试方法获取了448个传递函数(使用14个加速度计共进行32次定位)，但其结果无法像SLV一样能明显观察到细微的模态特性变化。试验装置诺斯罗普·格鲁曼公司(MQ-5B)“猎鹰”无人机(UAV)是美国陆军的生力军，重约741kg，其中机身重约682kg，燃油重约59kg。地面振动试验(GVT)是在位于美国亚利桑那州SierraVista的诺斯罗普·格鲁曼航空航天公司的高架测试中心进行。试验装置要求：(1)使用软的悬挂系统来模拟无人机水平稳定飞行；(2)无人机上方搭建田字格网络，将扫描式激光测振仪稳固在不同的测试位置；(3)双激励系统，激发出无人机对称和非对称振动模态，包括比较难以激起来的机翼面内模态。A.软(弹力绳)悬挂系统弹力绳悬挂系统用于模拟“猎鹰”无人机的水平飞行(自由-自由)状态，其中六个刚体模态远低于无人机的基本结构模态。弹力绳系统包括：a）一个额定负载为5吨的高架起重机，缆绳可延长至大约4.57米；b）五个连接缆绳和U型夹的弹力绳环；c）两个尼龙带(额度承重约7257kg)固定在机身加固点并通过U型夹使交叉点位于无人机重心(CG)。请见图3。图3：无人机悬挂带（黄色）&连接至起重机的弹力绳（白色）在自由-自由状态下，无人机垂直(俯冲)模态的特征频率为1.5Hz，首尾和侧倾刚体模态的特征频率为0.22Hz，翻滚模态频率为1.25Hz，俯仰模态频率为0.6Hz，偏航模态频率为1.3Hz。这六个刚体模态频率全都远低于预期的最低机身结构模态特征频率(3-4Hz)和机翼弯曲振动模态特征频率(8-10Hz)。B.力激励使用两个50磅(峰值力)MB动态电动激振器和推力杆，以及两个PCB力传感器(测压元件)来测量时域下的输入力值。两个激振器分别置于两个翼尖之下，以于垂直方向呈20°的方向激发出无人机的结构模态，包括比较难以激起来的机翼面内弯曲模态。推力杆与力传感器连接后和位于翼尖内侧¼弦约34cm处的小安装块相连接，这样动态载荷便可通过内部推力杆进行传递。请参见图4。图4：50磅峰值力的激振器，推力杆，安装在机翼下方的力传感器激振器提供0~100Hz范围内随机触发信号和正弦扫频信号。为激出无人机所有的对称模态，两个激振器施加的激励相同。为激出无人机的非对称模态，右翼与左翼的激励相位相差180°。C.从天花板上悬挂激光测振仪扫描式激光测振仪光学头被至于无人机上方约4.57米的框架上。由于12°的扫描角度限制，导致扫描直径为1.92m，因此我们决定将激光头分别摆放在14个不同的位置，以便激光扫描区域可覆盖整个无人机。如图5所示。图5：悬挂上方的扫描头扫描区域示意图这些扫描区域有25%的重叠，因此每个扫描区域的多个测点数据可用以曲线拟合，从而拼接成一个完整的无人机模态振型。每个圆圈的中心代表在无人机上方激光扫描头的所在位置，大的红色圆圈(和虚线红色方块)则代表每个扫描头的所能覆盖极限测量区域。试验装置我们使用德国Polytec公司的PSV扫描式激光测振仪来获取猎鹰无人机的动态响应。将激光点打在待测表面，同时收集反回的散射激光，从入射激光和散射激光所产生的多普勒频移信号里提取到振动速度、位移和频率。系统输出为连续的模拟电压量，它与沿着激光方向的振动速度分量成正比。在无人机测点位置贴上反光膜，以增强反射激光强度。在无人机上总共设置232个测点，以便准确描述机翼，机身，尾翼，双尾撑、天线支架和控制面板(襟翼，副翼和升降舵)的振动特性。图6：设置好测点的试验装置俯视图如图6所示，我们使用相机闪光灯来照亮反光膜位置，亮点即为测点。我们共进行了382次振动测试，获取了232个测点以及相邻区域之间的150个重叠(重复)测点的振动特性，以优化数据后处理的曲线拟合。例如，在左翼尖的区域(#1)内设置30个测点，分布在五根等间距的弦线上，每个弦线上有六个测点，这其中有2个在副翼上，4个分布在从前缘到副翼铰线的机翼结构上。而这五根弦线中有3根弦线独属于区域(#1)，另外2根弦线(12个测点)同属区域(#2)。在区域(#2)中，在机翼、襟翼、副翼上共设置51个测点，其中27个测点独属于区域(#2)，与区域(#1)中的重叠测点有12个，与区域(#3)中的重叠测点也有12个。模态试验方案如下：（1）在无人机上确定232个测点，每个测点均贴上反光膜；（2）悬挂无人机，在每个机翼下方安装激振器，扫描头自动完成区域内全部测点的扫描测试；（3）开始测试，两个激振器提供对称的触发随机式激励信号（0–100Hz，400线数，分辨率0.25Hz），然后重复激励十次，最后对测试结果进行平均（加Hanning窗，无重叠），以将无关噪声误差降至最低；（4）同样的测试区域，使用非对称激励力信号再次测试；（5）对有轻微附加载荷的无人机，分别提供对称和非对称两种形式激励力进行激励；(6)激光扫描头移动到一个新的位置，重复步骤3~5。本次试验总共施加了15280次激励力，从激光测振仪获得了1528个传递函数。这些传递函数用于研究有附加载荷和无附加载荷的猎鹰无人机，分别在对称和非对称力激励下的振动特性。图7显示的是无载荷无人机右翼尖在对称力激励下的传递函数，上半部显示幅值，下半部为虚部，从中我们可以清晰看到在8Hz、15Hz、24Hz、42Hz和94Hz附近都出现了峰值响应。图7：右翼尖传递函数，振幅（上半部），虚部分量（下半部）在使用扫描式激光测振仪进行GVT之后，同样，我们也使用了传统的GVT测试方法来测试，使用14个加速度传感器，共进行32次测试，每次测试前需将这些加速度传感器重新布线定位。从沿着机翼前缘的测点开始，获取了机翼面内弯曲模态、机翼弯曲和扭转验证数据、精确的尾桁振动。总共获取的448个传递函数将用于确定模态特性。模态参数提取从SLV获取的1528个传递函数，用于研究有轻微附加载荷和无载荷猎鹰无人机在两种不同形式激励力的激励（对称和非对称）下的响应。使用VibrantTechnologies研发的ME’scope软件模块，从传递函数中提取模态参数(固有频率、模态振型)。首先，采用多自由度(MDOF)全局曲线拟合器识别模态活动区域以及分离模态的模态参数；其次，在高模态活动区域(接近空间模态)，使用模态指示函数来识别和计数固有频率峰值，然后使用多参量多项式曲线拟合器来识别这些小频带内的模态特性；最后，使用稳定图和模态置信因子(MAC)检查所有计算值的正交性。由于包括重叠数据在内的测试数据集非常庞大，因此该计算过程是个高度迭代的过程。提取出的模态参数和目标几何位置用于建立显示无人机模态振型和工作变形(无人机整体频响)的三维几何模型。测试结果显示模态参数分析的第一步是将结果分成两组：无人机的主结构模态和次结构模态。主模态包括尾桁弯曲和扭转模态、机翼弯曲和扭转模态。次模态包括控制面板(升降舵、副翼和襟翼)旋转和变形。附加的有效载荷对主模态的影响是我们最感兴趣之处。次模态是无载荷无人机所固有的，而其不受附加较小有效载荷的影响。在这些测试结果中，我们可以观察到1.5Hz的模态，它表示为软(弹力绳)悬挂系统的俯冲模态。A.无载荷猎鹰无人机表1给出了无载荷MQ-5B猎鹰无人机的主模态和次模态的模态结果(频率和振型描述)。在(0~100Hz)频率范围内我们观测到20个模态，其中14个为主模态，6个为次模态。图8~图12为几个主模态示例，图13为六个次模态(襟翼和副翼弯曲模态)示例。图8是观察到的两个特征频率最低的模态，分别为尾桁的弯曲模态(3.75Hz)和扭转模态(4.0Hz)。图8：尾桁的弯曲模态频率（3.75Hz）扭转模态频率（4Hz）图9是一阶对称(8Hz)和非对称(10.8Hz)机翼弯曲模态，我们注意到无人机的其余部分(机身、尾翼)几乎没有移动。图9：一阶对称(8Hz)和非对称(10.8Hz)机翼弯曲模态图10是机翼弯曲模态耦合尾桁弯曲(19Hz)、扭转(22Hz)模态，此时机身仍然没有移动。图10：机翼弯曲模态耦合尾桁弯曲(19Hz)、扭转(22Hz)模态图11是二阶对称机翼弯曲模态(24.5Hz)和一阶扭振模态(42Hz)。图11：二阶机翼弯曲模态(24.5Hz)和一阶扭振模态(42Hz)图12是一阶(15.25Hz)和二阶(27.25Hz)对称面内机翼弯曲模态。图12：一阶(15.25Hz)和二阶(27.25Hz)面内机翼弯曲模态图13：控制面板的次模态B.有载荷猎鹰无人机表2给出了在左翼下方附有载荷的MQ-5B猎鹰无人机的主模态和次模态(频率和振型描述)。在(0~100Hz)频率范围内我们观测到28个模态，其中19个为主模态，9个为次模态。9个次模态表现为3个襟翼、4个副翼和2个升降舵弯曲模态。表2：带有效载荷的MQ-5B猎鹰的模态特性模态特性对比除了少数机翼弯曲和扭转模态外，无载荷和有载荷无人机的大多数固有频率和相应的模态振型几乎相同(在试验误差范围内)。在这种情况下，左翼因下方的小载荷（约40kg）导致其弯曲模态(或扭转)的固有频率与右翼不同。因此，原始的机翼弯曲(或扭转)模态变成了频率稍有不同的模态对(模态分离)，其中一个模态具有较大（主导）的右翼响应，而另一个模态具有较大的左翼响应。到底是哪个模态具有较低的固有频率则取决于安装的有效载荷所起的作用，是像弹簧质量系统一样降低固有频率，还是起到加固边界来提高固有频率。在许多情况下，这种频率变化可能很小，以致于很难被观察到。表3显示的是MQ-5B无载荷和有载荷猎鹰无人机的主要结构模态特性(频率，描述)，其中箭头用来显示两种不同配置之间的关系。表3：无载荷和有载荷主模态的模态特性对比左侧为无载荷，右侧为有载荷研究发现，无人机因有载荷而产生了5个新的主要结构模态，其中2个是新模态，另外3个是分离模态。这2个新的主模态与相邻模态或邻近模态不相似，都有较大的左翼响应(见图14)。图14：无载荷无人机的一阶弯曲模态（13Hz）分离成(12.75Hz)和(14.25Hz)模态对一阶模态发生在25.5Hz，包含左翼扭转变形和轻微的副翼扭转变形。二阶模态发生在37.25Hz，该模态非常复杂，包括二阶机翼弯曲与一阶机翼扭转、控制面板弯曲和尾桁横向弯曲变形。13Hz处的无载荷无人机非对称机翼弯曲模态分离成12.75Hz和14.25Hz的模态对，本质上两处模态振型相同，但12.75Hz模态具有较大的右翼响应，而14.25Hz模态具有较大的左翼响应。参见图14。因此，我们可以看到，在左翼根处的附加载荷起到了边界条件作用，提高了左翼特征频率。再如，无载荷无人机的一阶机翼扭转模态42Hz，分离成40.25Hz和46.50Hz的扭转模态对，本质上两者模态振型相同，但40.25Hz模态具有较大的右翼响应，而46.50Hz模态具有较大的左翼响应。参见图15。图15：无载荷无人机的一阶机翼扭转模态42Hz，分离成40.25Hz和46.50Hz的扭转模态对最后，无载荷无人机的二阶机翼扭转模态93.75Hz，分离成92.75Hz和95.50Hz扭转模态对，本质上两者模态振型相同，但92.75Hz模态具有较大的右翼响应，而95.50Hz模态具有较大的左翼响应。参见图16。图16：无载荷无人机的二阶机翼扭转模态93.75Hz，分离成92.75Hz和95.50Hz扭转模态对总结与展望我们使用全场扫描式激光测振仪SLV，对诺斯罗普·格鲁曼公司的MQ-5B“猎鹰”无人机(UAV)进行了地面振动试验(GVT)，分别对两种配置进行测试：无载荷无人机和有载荷无人机（左翼下方附有40kg载荷）。通过使用软悬挂系统来模拟无人机（带约59kg燃油）稳定水平飞行，为所有电子设备和控制系统供电，并将控制面板设置为空挡。两个激振器分别置于无人机左、右翼尖处，在0~100Hz范围内（分辨率为0.25Hz）提供对称和非对称激励力信号，激出无人机整体振动模态。从SLV获取的1528个传递函数，用于确定有载荷和无载荷猎鹰无人机的模态特性（自然频率、振型）。在0~100Hz范围内，无负载无人机有20个模态，其中14个为主模态，6个次模态（控制面板）。加上负载以后，由于破坏了展弦方向的平衡性，导致共有28个模态（19个主模态，9个次模态）。这五个新的主要结构模态中有两个新模态，另外三个是现有模态的分离。这两个新的机翼模态中，其中之一主要是左翼的扭转模态（25.5Hz），另外一个（37.25Hz）是包含机翼弯曲、扭转、尾桁弯曲的复杂模态。这三个分离模态包括由无负载无人机一阶非对称弯曲模态（13Hz）分离出的(12.75Hz)和(14.25Hz)，由无负载无人机一阶扭转模态（42Hz）分离出的(40.25Hz)和(46.50Hz)，由无负载无人机二阶扭转模态（93.75Hz）分离出的(92.75Hz)和(95.5Hz)。
