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Qsource Qlws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-Tech SAM）和惯性激振器（Qsources Qlws）。

电动激振器 (LDS shaker)

模态力锤 (NV-Tech SAM)

惯性激振器 (Qsources Qlws)

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-Tech SAM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。

Qsource Qlws：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2 kHz（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250 Hz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，Qsources Qlws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。