有限元(FE)模型可以在计算机上完成，大幅度减少原型制作，因此可以大大减少开发时间和成本。但问题关键是这些有限元模型必须预测“真实”装置的特性。FEM验证是将模拟数值与实际试验(即所谓的试验模态测试)的测得数据进行对比。在大多数实际情况下，需要将有限元模型与试验数据进行核对，以获得可靠的验证模型，然后将其用于预测装置在负载下或进行小修改后的振动特性。如果某个模型的仿真数据与试验数据不相符，那么该模型的设计就失去意义。有限元模型验证的典型试验装置为进行有限元模型验证，需要进行相应的振动试验。先安装样品，然后在特定的位置以特定的方式对样品进行激励，该激励覆盖感兴趣的频率范围。这种方法可能不同于数值有限元模拟，后者只考虑样品的固有特性。而试验求解的是在假定的材料性质和边界条件下的一组运动微分方程。因此，严格地说，试验结果是样品在特定激励和边界条件下的响应，数据后处理时，再在试验结果中通过曲线拟合提取模态。基于扫描式激光测振仪的FE有限元验证这个试验可信度高吗？在安装模态试验装置时，应复制有限元模型的边界条件，以便将有限元仿真和实测结果进行比较。测量参数（如频率带宽和所选测点）需要与任务相匹配。在建模过程中应避免或考虑到附加质量或钢化效应。扫描式激光测振仪，作为一种非接触式光学传感器，可为有限元模型的模态验证提供更有效输入。系统通过软件定义测点，因此具有超高的空间测试分辨率，全自动完成扫描测试，并迅速输出直观的2D/3D振型。这也可以帮助减少后期在数据评估和处理时可能出现的理解歧义。测点越多则更有利于数据后处理时进行曲线拟合，及对局部参数偏差的识别，如局部阻尼或质量分布的局部变化。与有限元模型相关：频率、阻尼和MAC值有限元模型和实测数据对比两个参数：通过求解模型中的运动微分方程所得到的特征值和特征向量，它们对应振动测试的共振频率和模态振型。最简单的方法是比较共振频率，视觉上比较特征向量和模态振型。MAC（模态置信准则）通常用于说明有限元模态分析的模态振型和实测模态振型的相关性，MAC的输入是模态振型而不是工作模态(ODS)，数据后处理时，通过对实测数据进行曲线拟合后提取出来。为什么使用激光测振仪来验证有限元模型对于简单的样品如铸造金属板，如果有限元模型选择合理，就可以非常准确地预测出其振动模态和共振频率。但是，当组件和建模结构比较复杂时，情况就不同了。当存在多个部件，彼此通过关节进行连接，或者它们是由复合材料制成，那么仿真模型在设计初始并不可信，而是需要实测数据来进行验证。只有在所需的工作条件范围内正确地预测出模型的试验数据，才可被称为已获验证模型。因此，在大多数实际情况下，需要将有限元模型与实测数据进行对比，如果能预测出模型在有负载或进行小修改后的振动特性，即是可靠模型。如果某个模型的仿真数据与实测数据不相符，那么该模型的设计就失去意义。
RoboVib®自动测振站将3D全场扫描式激光测振仪和工业机器人相结合，可完成从复杂部件到整个样件的全部测试。尤其是试验模态分析，可显著减少测试时间以及人为误差等。因此，您可以在一两天的时间内完成全部测试。而传统的模态测试，仅仅是准备工作可能都需要几天。·非接触式、全自动激光振动测量，无任何附加质量影响·全场测量，具有高空间分辨率·与传统模态测试相比更节省时间·全自动测量，显著提高生产率·测试程序可重复使用，减少准备时间·可使用CAD和FE数据定义扫描点，减少错误产生全自动快速完成模态测试与接触式传感器相比，RoboVib使模态测试更简单：·无需在FE网格上定义和标记测量点·不再会因电缆缺陷或混杂而导致测量不正确·无需对坐标系中的传感器姿态进行测量（欧拉角）·不再需要拆卸和标定传感器RoboVib®通过其巧妙的理念为客户提供其它有价值的优势：·高空间分辨率与声学FE模型相关·结果直接返回到FE网格坐标系中的节点上，无需插值和耗时的后续处理·测量程序可重复使用·您可以将RoboVib®结果导入到任何开发环境中，直接连接到常见的模态分析程序中，如ME’scope、FEMtools™或VMap™，并使用通用文件格式导出下方视频为工业机器人测试现场：圆柱体的三维模态测试测试结果：
最近发表在《欧洲物理杂志专题》（EuropeanPhysicalJournalSpecialTopics）上的一项研究介绍了激光多普勒测振仪（LDV）的一项开创性应用，以更好地理解非洲象的发声及其行为含义。这项研究的主要目的是确定大象群体中声音交流的动态，特别关注一种被称为“我们出发吧”的的特定隆隆声。这些隆隆声序列在协调大象群体的运动、空间关系和加强社会联系方面起着至关重要的作用。图1:LDV测试试验研究法研究人员对一群圈养的非洲象进行了研究，这些大象被安置在一个宽敞开阔的场地里。他们开创式使用LDV技术，这是一种无需直接物理接触、非侵入性测量技术，用于远程测试被测表面的振动速度。该项技术已广泛应用于工程、生物医学科研和动物交流研究等各个领域。LDV捕捉振动的特殊能力，尤其是在次声波频域（低于人类听觉范围），使其成为研究大象低频发声的理想工具。在本次研究中，将某头特定大象确定为LDV的监测目标。当大象发出隆隆声时，LDV能精确地检测并详细记录振动数据。这种方法使研究人员能够以前所未有的精度获取数据，从而深入了解这些发声的声学特征。大象隆隆声的声学特征测试数据揭示了大象隆隆声的重要结构参数。例如，一个典型的隆隆声持续大约5秒，特征频率为17~20Hz，并分别在约40Hz和60Hz处出现两个不同的谐波（图2）。这些详细的测试数据有助于表征和区分大象个体发声，可能有助于深入了解大象发声时的情绪和生理状态。图2：“我们出发吧”隆隆声的声学特征“我们出发吧”的隆隆声是本次研究的中心焦点，是大象社群中特有的且高度相关的发声，主要与开启象群的集体行动有关。LDV记录显示，“我们出发吧”的隆隆声的特点是持续时间更长，通常超过10秒，并具有独特的低频次声波调制模式。了解这种发声的特性对于揭示大象如何协调群体运动和决定集体行动至关重要。行为意义这项研究的发现对我们理解大象的行为和交流有着重要意义。正如本研究所展示，LDV技术为大象生物声学和行为生态学领域提供了诸多启示。其中一个重要发现是LDV能够可靠地识别出象群发声回合中的发声个体，这有助于理解大象群体中声音交流的动态，并可能确定出象群中的首领角色。大象社会是复杂的，首领在它们的协调和决策过程中起着重要作用。LDV能揭示出这些复杂的动态特性，有可能帮助研究人员确定大象群体中的社会结构和等级制度。此外，与研究动物发声的传统方法相比，该技术具有切实优势。例如，声控项圈已被用于监测单个动物的叫声。然而，这些系统可能成本高昂，在野外部署具有挑战性，并且可能导致动物的自然行为受到干扰。另一方面，LDV采用远程、非侵入性测试方法，在不干扰它们的自然行为的前提下，便于在野外研究中使用，记录家族群体中某一个体的发声。应用与未来研究总之，这项研究标志着LDV技术在应用上的一个重要里程碑，促进了我们对大象声音交流的理解。LDV在发声回合中识别单个呼叫者，并高精度记录其发声数据的能力为动物行为的研究开辟了新途径。本次研究意义深远。理解发声在协调大象群体运动和行动中的作用，可能对大象的保护和管理有重要意义。在野外，它可以帮助跟踪和保护象群，为它们的社会互动提供见解，并促进缓解人象冲突。该技术的非侵入性特点使其成为未来广泛研究动物的宝贵工具。在发声回合中识别出某个呼叫者可能是一项艰巨的挑战，但是LDV提供了一个很有前途的解决方案。对于研究其它具有复杂社会结构和通信系统的物种的研究人员而言，可以将这项技术应用到他们的工作中。
固体材料在发生不可逆变化时发出的声波称为声发射（acousticemission，AE）。例如，当焊接过程中形成裂缝，或在压力容器、桥梁等混凝土结构中形成裂缝时，就会出现这种情况。在材料无损检测中，声发射通常发生在20kHz~1MHz之间。与传统的超声波测试不同，声发射传感器是用于监测材料在失效或受应力时所产生的振动波，而非测量材料对外部产生的振动波的响应。声发射传感器用于监测裂纹的萌生过程。声发射传感器包括一个被调制到特定的频率范围的压电元件，具有非常高的灵敏度，它负责将弹性波引起的表面运动转换为电信号。由于不能进行数据平均，其灵敏度要高于PSV。到目前为止，声发射传感器主要是记录材料发生变化时产生的声波。然而，声波产生的确切位置几乎无法确定，因此也很难确定材料破坏或应力位置。在当前研究中，弗莱堡工业大学不仅致力于用AE传感器探测声波，而且整努力研究如何找出声波的起始位置。如上图所示，将压电激振器（Source处）装到金属板上，发出类似于金属腐蚀时产生的Lamb波。压电激振器被用作声发射信号，因为金属腐蚀或其它材料失效所产生的声发射信号无法被PSV系统直接检测。Lamb波源与声发射传感器之间的距离可以通过检测对称的S0波与不对称的A0波之间的传播时间差来确定。然而，在现实中，声发射传感器（AESensor）与声发射源（Source）间的计算距离与真实距离存在偏差。我们使用PSV-500来寻找偏差产生的根源。PSV记录声发射传感器周围的波传播，如下图所示。PSV测试结果表明，由于金属板边缘的反射波及由此产生的波的干涉，会导致A0和S0的振幅要大于实际值。下面的视频中可以看到波的传播。通过反射的兰姆波和由此产生的波的干涉，可以计算推导出兰姆波源的实际位置。通过将波反射纳入扩展方程，最终确定兰姆波源的位置。
丨最先进的激励方法当被测物体不能自行振动，而想要获取该物体的振动特性时，就必须给它以外部激励。在模态试验中，电磁激振器和模态力锤是已被广泛使用多年的常用的宽带激励工具。Polytec扫描式激光测振仪采用逐点扫描方式，需要对每个扫描点进行逐点激励，因此，像NV-Tech生产的SAM自动模态力锤近年来受到热捧。现有的两种激励方法各有优缺点。多点测试时，电动激振器的测试速度快，且测量结果可重复。但带有力传感器的激振器对被测结构具有不可忽视的影响。而且，在实践中，电动激振器的安装、对准和维护很麻烦，尤其是在样品由软橡皮绳或软泡沫支撑，以模拟自由-自由边界条件这样的试验搭建下。自动模态力锤在理想情况下不会对样件的固有动态特性产生影响，这对于相对轻量化和轻阻尼的被测结构来说是个很好的选择。但是，由于每次锤击后存在衰减时间，这导致测量时间明显增加。而当样品是由软橡皮绳悬挂起来的轻质样品时，锤击可能导致整个样品有相当大的晃动。丨优势的结合最近，第三种激励方法应运而生，它能弥补上述激励方法的不足：集成力传感器的惯性激振器Qsource，它的亮点如自对准内部悬架、质轻、易于操作和校准。将惯性激振器粘在被测结构上，固定好位置，避免了自动力锤的两次锤击间的等待时间。为此，需要和加速度传感器一样对QsourceQlws进行布线，且它只能在一定的截止频率以上工作。本文中，我们使用Qlws惯性激振器作为激励方法进行模态测试，并将其与使用经典电动激振器和自动模态力锤作为激励方法的测试结果进行对比。图1:Qlws的组成Qlws本身由2个小部件（+一个放大器）组成：§一个所谓的力杯包含音圈，将其粘在被测结构上。§激振器本体，包含惯性质量和力传感器，只需手动将其盖住力杯即可。在这两者之间涂色薄薄的一层油脂进行动态解耦，在200Hz以上时，Qlws动态有效质量＜2g。Qlws的安装很简单：用酒精清洗被测样品表面，用即时胶粘上力杯，在力杯上涂上一层薄薄的油脂后，再将激振器体盖住力杯，并将电缆连接到功放和具有IEPE电源的数据采集设备上。无需对中推力杆，因为Qlws在任何倾斜度下都是自动对中。图2:Qlws惯性激振器安装在被测样品上对比实验被测样品是厚度为1.5mm的铝板，用弹力绳悬挂起来。为了获取铝板的振动特性，我们采用的是Polytec公司生产的非接触式PSV扫描式激光测振仪。分别采用经典模态激振器、自动力锤SAM1和Qlws来激励。下图分别显示了电动激振器（LDS激振器）、自动力锤（NV-TechSAM）和惯性激振器（QsourcesQlws）。电动激振器(LDSshaker)模态力锤(NV-TechSAM)惯性激振器(QsourcesQlws)LDS激振器：对轻质被测样品的影响太大：共振频率偏移，力谱急剧下降，导致了响应与激励之间传递函数的信噪比较差。因此，传统的模态激振器不适用于这种试验装置，其仅适用于较重的被测样品。NV-TechSAM自动力锤：对被测样品无任何附加质量影响，因此，对于阻尼非常小的样品，它是首选的激励源。它的激励频率可以很低。但是，对于悬挂起来的轻质样品，它的一个缺点就是会导致悬挂样品发生晃动，这种晃动会导致扫描式激光测振仪在测量中引入了不必要的噪声。虽然Polytec最新的QTec技术可以在一定程度上缓解这种影响，但是肉眼可见的晃动仍然会使信噪比有所降低。此外，因为下一次锤击需要等待时间，所以晃动也会增加测试时间。如果可以避免晃动（例如，如果可以接受将样品置于软泡沫上），对于阻尼小且频带宽的样品，自动力锤仍然是一个很好的选择。QsourceQlws：动态质量小，对样品的固有特性影响非常小。如果放置正确，激振器与被测样品之间的耦合对特征频率的影响非常小，在频率低于2kHz（涵盖前15~20个共振）时，与悬挂被测样品所产生的影响相当。激励序列间无需等待时间，因此大大地加快了测试速度。在测试过程中出现的唯一缺点是存在低于250Hz时的低频限制。这不是说激振器在较低频率下不工作，而是指在较低频率下，激振器具有较高的有效动态质量，这对样品的固有特性有略大的影响。图3显示了分别采用SAM自动力锤（左）和Qlws惯性激振器（右）作为激光方法的典型结果。主要测试结果：§频率在200~2000Hz之间时，共振频率和相应的振型几乎相同；§频率在200Hz以下,及2kHz以上时，惯性激振器只有一些较小影响；§由锤击引起的被测器件晃动会导致噪声增加，这在振型中可清楚地观察到；§使用自动力锤激励时的扫描时间约为2.5小时，而使用Qlws激励时的扫描时间则为0.5小时；§而且，即使是带有推力杆和力传感器的小型传统电动激振器也不适用于该类被测样品。图3:振型和FRF(左侧模态力锤，右侧Qlws)丨总结综上所述，QsourcesQlws惯性激振器是自动模态力锤的一个非常有趣的替代方案，其不会造成被测样品晃动，这种晃动会降低单通道激光测振仪（未使用多通道探测的QTec技术）的信噪比。由于这种额外的噪声可以使用多通道探测QTec扫描式激光测振仪进行补偿，因此使用惯性激振器和自动力锤这两种激励方式所获取的测量结果在同一水平等级上。对于极轻或极低阻尼的样品，Qlws则由于存在低频限制和存在附加质量，在使用上受到一定限制。Qlws与自动力锤的安装一样简单，且具有出色的可重复性，但是比自动力锤的测试速度则要快得多，且比带推力杆的经典激振器安装要容易得多。对于悬挂的样品而言，由于锤击序列间无需等待时间，因此测量时间可以大大缩短。
预测微陨石造成的损害并最大限度地降低不良影响商业化的太空探索推动了对太空和行星探测以及卫星任务的技术创新需求。为了确保空间结构的安全性和可靠性，评估其结构完整性非常重要。恶劣的太空条件，如辐射和大的温度波动，会加快材料的老化和磨损。此外，微陨石撞击的风险无处不在，这可能导致严重的结构损坏。太空挑战随着近地轨道（LEO）卫星数量的增加，太空碎片引起碰撞的可能性正在增加。欧洲航天局估计，近地轨道上有超过100万个大于1厘米的粒子，其中被登记在册并受到监测（如空间监视网络系统）的只有大约30,000个。与这些粒子发生碰撞及微陨石的撞击会导致卫星结构损坏，从而损坏结构元件和电子子系统的功能，在最坏的情况下，会导致整个任务的终止。目标：在轨评估在地球上常用的传统无损检测技术，在太空环境中的应用受到一定限制。因此，对于执行关键任务的结构和系统，进行在轨状态评估变得至关重要，这有助于监测材料的老化过程以及撞击事件后的结构损伤。结构监测系统作为一种无损检测技术，在多个工业领域和陆地应用中已经显示出其成熟的技术实力。接下来的任务是将现有的监测方法和系统进行转换和验证，以确保它们能够适应太空环境。SeRANIS项目正是致力于将成熟的结构监测技术应用于太空领域。“结构事件监测”飞行试验利用振动和超声波技术进行结构监测，以确保获知太空任务中关键结构和系统的健康状态。通过在SeRANIS上集成卫星Athene-1的原型，获取自近地轨道的振动数据，以提高空间态势感知（SSA）并用于进一步的科研工作。测试实施小颗粒碰撞和撞击的检测准确性常受到卫星平台上其它子系统产生的结构背景噪声的干扰。为了最大限度地提高监控系统的可靠性，必须对预期振动模式的探测算法进行调整。为此，位于弗莱堡的恩斯特·马赫研究所的高速动力学研究所专门研究极高速冲击（HVI）。撞击实验使用两级轻气枪(SLGG)，可将微粒子的运动速度提高到7公里/秒。这些颗粒被放置在一个弹壳中，黑火药点火后导致气体压缩，将弹壳内的微粒子加速到所需发射速度。粒子云内含直径为100-200μm的球形玻璃珠，以大约2.5公里/秒的速度撞击目标样品（参见图1和图2）。样品包括一个光伏元件，该元件由AirbusDefenseandSpaceGmbH提供，与靶室的射击轴垂直。图1：光伏元件的正面与靶室对齐。由元件左侧的激光测振仪和右侧的压电陶瓷加速度计和超声波传感器来记录冲击波。图2：光伏元件背面与撞击室对齐。透过观察窗，激光测振仪的测量光束在反射镜的帮助下被引导至目标样品上为了将微小粒子加速到极高速，将目标腔室抽真空至80毫巴。当载有粒子的弹壳进入靶室时，残余空气的摩擦使得弹壳脱落，分离出来的部分粒子云便可撞击到光伏元件。此处用来测试样品的压电陶瓷加速度计和超声波传感器，后续将在太空中使用。超越超声波传感器的性能极限：Polytec激光测振仪及信号处理加速度传感器和超声波传感器的机械设计限制了可测带宽。由于有时无法完全捕获高频信号，传感器的惯性以及与载波结构的物理连接等其它因素不可避免地会影响测量质量。为了不影响测量结果，我们同时使用四台Polytec激光测振仪，同时测量分布在样品正面和背面共四个测点的撞击信号。在冲击试验中，使用到反射镜将测振仪的激光束对准目标测量点。激光多普勒测振仪获取到的激光频移与被测表面的振动速度成正比。这种测量方法对频率基本不受限，甚至可以精确获取MHz的高频运动特性。因此，激光测振仪可以测量样品的瞬态信号，这远远超出传统传感器测量范围。对于冲击测试，激光测振仪有其特别优势：一方面，激光测振仪采用非接触式测量方法，对被测样品无任何附加质量影响，从而确保了测量数据的高度一致性；另一方面，可以通过靶室的观察窗口进行远程测量，非常方便及确保测试人员的安全。图3：光伏电池被若干个单独粒子击穿图4：光伏电池被粒子云击穿实验的核心目标在于探测并分析所谓的声发射现象，这些声发射以弹性超声波的形式在结构内部传播。这些发射就是我们熟知的兰姆波，是检测微粒引起的高速撞击的可靠指标。现有的结构损坏和老化效应也会通过类似的现象展现出来，因此结构的声发射测试可以用于掌握有关组件的健康状况。图5：使用Polytec信号处理软件来处理测量信号并与传感器信号进行对比。PSV功能强大且使用灵活，可用于优化测量参数设置当然，测试也会面临挑战。如在测试开始时，冲击信号的特性及所需的测量参数都是未知的，因此在每次测试之间都需要进行确定和调整。庆幸的是，Polytec分析软件的信号处理功能强大且使用灵活。通过结合频率变换、滤波和数值微分/积分等软件功能，可以对冲击信号进行分析并将其与已记录的传感器信号进行比对，以便成功优化测量参数设置。图6：被击穿的光伏电池和微粒子的细节图展望由波脉冲引起的撞击伴随着一系列复杂的物理过程：撞击发生后辐射出可见光、红外和微波光谱，接着凹坑中出现等离子体和次生粒子云（见视频截图），造成样品出现从微裂纹到完全穿孔不同程度的损坏。上面截图分别是：致密粒子云撞击过程；等离子体和次级粒子云从凹坑中释放出；光伏元件被完全击穿。为了可靠地检测到此类冲击事件的发生，必须了解这些现象引发的振动和结构声的模式。本次试验为创新探测算法做出了重大贡献，这些算法构成了SeRANIS飞行试验“结构事件监测”的核心。下一步，撞击测试的结果将用于鉴定合适的传感器和硬件组件。最后，将基于振动和超声波信号的检测和分类方法进行调整，以评估它们在实际工作环境下的适用性。已开发出的实验原型将在近地轨道进行至少两年的任务测试。作者：M.Sc.FabiovonCoburgUniversityoftheBundeswehrMunichInstituteofLightweightEngineeringM.Eng.DennisBerftApplicationServicesBusinessUnitVibrometryPolytecGmbH,Germany
