模態分析分為實驗模態分析EMA（Experimental Modal Analysis）和工作模態分析OMA（Operational Modal Analysis），二者都可以得到模態參數，但有著本質的區別：不同的應用場合、測量方式與分析方法等。EMA需要同時測量激勵和響應，而OMA無須測量激勵或激勵無法測量得到，因而，OMA在激勵力無法測量的情況下具有獨特的優勢，可將“振動試驗”簡化為“響應測量”，可用于機械狀態監測與結構健康監測等方面。

傳統的實驗模態分析EMA通常在實驗室中進行測量分析，結構處于靜止狀態，通過使用額外的激勵設備，如力錘或激勵器等，去激勵結構以便使結構產生想要的響應。但當待測結構處于實際工作狀態時，一方面傳統的激勵方式變得困難，不易實現；另一方面，結構的行為也不同于實驗狀態。

結構處于工作狀態時，可能存在以下情況：1）結構出現非線性：非線性包括幾何非線性、邊界條件非線性和材料非線性等方面；2）確定結構的非線性，如飛行器在不同的飛行條件下需確定其非線性；3）在真實載荷作用下，結構會發生變化，如引起幾何變形從而引起剛度變化等；4）葉片渦動引起剛度變化；5）結構與氣動彈性力的相互作用，如顫振；6）處于工作狀態的結構受到支撐系統預載荷的作用；7）受環境因素的影響，如溫度、濕度的變化；8）受風載的影響；9）激勵力無法測量，如土木工程結構（橋梁、運動場館、大壩等）、運轉的設備等；10）結構健康監測與損傷檢測；11）環境試驗等等。

處于運行狀態下的結構會產生相應的響應，如果這時仍采用傳統的實驗模態進行測試（假設易于激勵）：使用額外的激勵設備對結構進行激勵，那么響應將是運行下的響應與額外激勵設備產生的響應的疊加，由于響應不是當前可測量的激勵引起的，那么相干將很差。另一方面，在運行狀態下，結構所處的狀態與實驗模態條件下的狀態是存在差異的。如果要測試結構在這些狀態下的模態參數，傳統的實驗模態已不適用。因此，需要另一種模態測試分析方法，即OMA分析。OMA利用結構處于運行狀態下的響應來提取模態參數，無須測量激勵力。

不管是EMA還是OMA，模態分析的最終目的是從測量數據中確定模態參數，頻率、阻尼和振型。EMA是從測量的頻響函數中確定這些參數，而OMA是從運行狀態的測量時域數據中來確定這些參數。對于EMA而言，需要測量輸入與輸出來確定系統的動態特性，但對于OMA而言，輸入是未知的，或者說是無法測量的，只能測量響應，由響應來確定系統的動態特性，如圖1所示。

圖1 “輸入-系統-輸出”模型

OMA測試時，結構受工作載荷或環境載荷的激勵，這樣的荷載是無法測量得到的，如設備運轉時的激勵力，土木工程結構受到附近交通、風載、大地脈動的激勵等，這些激勵多半是隨機的。因此，OMA測量的是結構在實際工作狀態下的實際響應，這個響應將是結構在工作狀態下的實際變形的精確反映，這樣測量得到的響應除了用于工作模態分析之外，還可用于工作變形分析（ODS）。

由于OMA僅測量響應，也稱為只有輸出（響應）的模態分析。在土木橋梁行業，工作模態分析又稱為環境激勵模態分析或稱為脈動法模態分析。對于EMA而言，通常在實驗室中測量頻響函數FRF，通過錘擊法、激振器法（包括正弦掃頻與步進正弦等激勵技術）或純模態測試技術獲得模態數據，然后采用時域或頻域的模態分析方法得到模態參數，在測試之前還可以通過預試驗分析來指導實驗模態分析。而OMA在結構運行現場進行測試，僅測量結構的響應，使用時域歷程，頻譜來確定模態參數。

EMA分析需要選擇模態參考點，同樣地，OMA分析也需選擇模態參考點，同樣需要遵循模態參考點的一般原則：避開模態節點。受測量硬件的限制，如通道數有限、傳感器數量有限等原因，那么，OMA測試時需要分批（多個run）進行測量，在測量過程中，作為模態參考點的響應測點始終固定不動。通常EMA測試能獲得前數階模態，如前10階模態，但OMA分析受運行參數的影響，只能獲得受運行載荷激勵起來的這些模態，如運行載荷只激起了3~5階模態，那么，從測量的響應數據中也只能分析出來這幾階模態。

EMA需要人工激勵，多半在實驗室中進行，外場試驗難以實現。由于需要使用激勵設備，因此，增加了投入成本。EMA一般在實驗室進行，不少應用情況的實驗室狀態與實際運行狀態可能有較大的不同。實驗室里易于進行部件級試驗，難完成大型系統的試驗，如土木工程結構等大型結構。而OMA無需人工激勵，節省了激勵設備投資，只測量結構響應，將“振動試驗”簡化為“響應測量”，并可用于機械狀態監測和結構健康監測，比如橋梁、大型體育場館的健康監測。從測試的角度來講，要比EMA測試簡單，即使結構處于工作狀態，也可以進行測試，不影響結構正常運行?？梢杂貌糠只蛉繙y點作為參考點，因此OMA具有MIMO特點，易于區分密集模態，適用于復雜結構。

在《計算模態怎么與試驗模態對比？》一文中，我們講到使用試驗模態的結果來修正有限元模型，通常從三個方面來考慮。即首進行部件級對比修正，然后進行裝配體對比修正，最后考慮了邊界條件的模型修正。前兩級對比修正都是自由邊界，最后一級才考慮邊界條件。因此，通常前兩級用實驗模態結構來進行修正，第三級用工作模態來進行修正。自由狀態的實驗模態結果可以用來修正材料參數，幾何模型等方面，而后續的工作模態修正可用來修正邊界條件、接觸關系和安裝剛度等方面。因此，在模型修正過程中，可結合實驗模態EMA和工作模態OMA來修正有限元模型。

通常大型結構采用常規的激勵手段不足以激起整個結構，還易于造成局部損傷，且需要中斷工作，因此，對大型結構采用常規激勵手段是困難的或不可實現的。因此，OMA采用結構實際工作時的工作載荷作為激勵或環境激勵作為激勵更符合實際情況與邊界條件，并且這種激勵方式隨手可得，費用低廉，且省時又安全，不影響結構的正常工作。如利用環境激勵測量橋梁的模態、利用海浪及風載對船舶進行激勵進行工作模態分析，如圖2所示。

圖2 利用海浪對船舶進行激勵

在早期，對一些土木工程結構進行OMA測試的過程中，通常采用一些非常規的激勵手段來激勵結構，如對采用火箭激勵、階躍激勵（使結構具有一定的位移，然后突然釋放）橋梁結構，如圖3所示為在橋梁下面懸吊重物，如船舶，然后突然釋放重物，使橋梁自由振動。

圖3 突然釋放吊重激勵

OMA測試時，由于結構受工作載荷的激勵或受環境載荷的激勵（風載、交通）等，而這些激勵通常是無法測量得到的，因此，在進行OMA模態分析時，理論假設這些激勵都是穩態的白噪聲，但實際情況不可能是理想的白噪聲，但這一假設仍然適用。有時結構除了受到工作載荷、環境激勵之外，為了增大結構響應，會隨機對結構施加脈沖激勵，但又不測量這個脈沖激勵力。

處于工作狀態的結構可能受到脈沖激勵、正弦掃頻激勵、升降速激勵、諧波激勵等。如采用升速激勵排氣系統，測量響應進行OMA分析。當結構受諧波激勵時，在響應信號中也會存在相應的諧波成分，如圖4所示。因此，當實際的激勵信號不一定近似白噪聲時，得到的模態分析結果，有些階模態是結構本身固有的，有些是激勵引起的強迫振動，需要進一步進行甄別。

圖4 激勵類型

通常OMA分析對象都是大型結構，如大型機械設備、風機、輪船、飛機、衛星、樓房、橋梁等大型結構，這些結構很難挪到實驗室中進行測量，只能在結構現場進行測試。結構龐大，測點數目必然不少，因而，通常需要分多批次進行測量，在分批測量的過程中將面臨著激勵不同、響應不同、模態不同等方面的影響。由于在現場進行測試，測試環境要比實驗室惡劣得多，也面臨更多的困難，如有些位置不可達，難以布置測點等。譬如測量風機塔筒的工作模態，只能在有限的可達位置處布置測點，并且塔筒垂直高度達7，80米，爬塔就是一項辛苦的工作。

另一方面，大型結構具有模態頻率低、模態密集的特點，因此，在測試需要考慮使用低頻性能更好的傳感器。由于分批測量時，結構所受的激勵不同，激起的模態也不同，這將導致給后續模態分析帶來影響，可能產生不清晰或不一致的穩態圖。由于現場測試，將導致信噪比不高，易受到噪聲的干擾，給分析帶來困難。