4.3.8周期隨機激勵

考慮到偽隨機激勵的相關問題，一種稱為周期隨機激勵的激勵技術是對偽隨機激勵技術進行了進一步的改進獲得的。基本上，周期隨機激勵與偽隨機激勵是一樣的，只是每一個測量都產生一個新的輸入頻譜，為每一個測量平均處理創建一個新的時域信號。再次，這個信號被用來激勵系統，當采集自動量程后，系統將達到穩態響應。一旦實現這個目標，就只進行一次平均。這時，會生成另一個頻譜（與第一個頻譜不同），對它進行逆變換獲得一個時域信號。用這個時域信號激勵系統，重新開始處理，以獲得下一個平均的頻響函數。這樣，每一次測量都會用不同的信號激勵結構，然后進行平均，隨著平均次數的增加，非線性將會從測量中移除掉。對于偽隨機激勵，由于輸入激勵信號和輸出響應信號都滿足FFT處理的周期性要求，因此這個測量過程不需要窗函數。雖然從這種方法獲得了非常高質量的頻響函數，但是需要大量的時間和硬件來執行這種測量技術。

周期隨機激勵的基本測量過程如圖4-42所示。這里需要注意的是，對于第一次平均的數據集合重復使用相同的信號，如藍色突出顯示的一樣，但是第二次平均使用了一個不同的隨機信號，用紅色突出顯示：每次平均都使用一個不同的隨機信號。

圖4-42典型的周期隨機激勵的輸入力（頂）、輸出響應（中）和FRF（底）

4.3.9猝發隨機激勵

出于對偽隨機和周期隨機激勵技術的時間和成本的考慮，為了使高質量頻響函數測量變得可行，需要更容易實現的激勵技術。再次，意識到主要關注的是由于違背FFT處理的周期性要求而導致被測頻響函數失真，因此考慮在數據塊的一個樣本間隔內捕獲整個瞬態信號。一個提供巨大潛能的信號是猝發隨機信號。猝發隨機激勵已經成為當今實驗模態測試中更為流行的激勵信號之一。這種特殊的激勵技術提供了隨機、偽隨機和周期性隨機激勵的所有優點，并且沒有這些激勵技術的相關缺點。

猝發隨機信號形成如下：產生隨機激勵，但只輸出數據塊的一部分。這樣，在FFT分析儀的一個采樣間隔內就可以完全觀察到這個激勵信號，沒有必要使用窗函數，因為捕獲的信號不存在泄漏。此外，經常使用預觸發延遲，這樣能保證在捕獲數據的前幾個時間點中不會出現激勵信號。猝發隨機信號如圖4-43所示。

圖4-43典型的猝發隨機激勵的輸入力（頂）、輸出響應（中）和FRF（底）

倘若在FFT分析儀的一個采樣間隔內，能完全觀測到測量的響應，那么就不需要使用窗函數，因為捕獲的信號不存在泄漏。然而，一旦關閉激勵，結構響應將按指數衰減，衰減速率取決于結構的阻尼。如果結構響應在一個樣本間隔內沒有衰減到零，那么應該縮短這個猝發，以確保能在采樣間隔結束之前，響應衰減到零。可以通過指定數據塊的百分比來控制猝發隨機信號的作用時間。一般來說，大多數結構都可以實現這一點。

猝發隨機測量過程如圖4-44所示。對結構輸入激勵信號，監控響應，以確保響應在樣本間隔結束之前衰減到零。猝發時間長度可以調整，這樣就能實現在采樣結束之前響應衰減到零。在此期間，分析儀可以自動量程，從而達到最優的ADC設置。一旦實現了這一目標，就會為期望的平均結果開始進行平均。

圖4-44 左側為猝發隨機激勵的激勵力（上）和輸出響應（下），右側為相應的相干（上）和FRF（下）

由于這個基本激勵技術是一個隨機函數，隨機激勵能線性化數據中存在的任何輕微非線性的所有優點將會保留。此外，沒有任何隨機激勵的相關缺點，特別是隨機激勵的泄漏，因為信號的瞬態特性阻止了這種情況的發生。測量的時域數據的頻響函數和相干函數如圖所示，我們可以清楚地看到，測量的頻響函數和相干相對于先前隨機激勵顯示的測量結果有很大的改善。

4.3.10正弦快掃激勵

對于線性結構的模態測試而言，正弦快掃激勵已成為一種非常流行的激勵技術。本質上，正弦快掃非常類似于已使用多年的傳統的正弦掃頻測試，唯一的區別是，頻率范圍內的整個掃頻出現在FFT分析儀的一個采樣間隔內。由于輸入信號在一個數據塊內能完全觀測到，所以不違背FFT處理的周期性要求，不需要窗函數。基本的測量過程如圖4-45所示，注意到相同的信號被反復使用，這使得結構能夠達到穩態響應，這樣輸入和輸出都在采樣間隔內是周期性的，不需要窗函數。

圖4-45 典型的正弦快掃激勵的輸入力（頂）、輸出響應（中）和FRF（底）

這個信號對結構進行激勵，當分析儀自動量程后，系統響應將最終會達到穩態響應。因此，在一個采樣間隔內，輸出響應也完全可以觀測到，這樣這種激勵類型不需要窗函數。

正弦快掃提供了傳統正弦掃頻測試的所有優點，以及FFT處理速度。線性系統所得到的頻響函數是除數字步進正弦激勵之外最優的。另外，注意這個測量的相干，如圖4-46所示。對于識別非線性系統的特性而言，正弦快掃也是一種非常好的測試技術。

圖4-46左側為正弦快掃的激勵力（上）和輸出響應（下），右側為相應的相干（上）和FRF（下）

4.3.11數字步進正弦激勵

由于正弦掃頻測試的優良特性，開發了一種利用FFT分析儀速度的另一種激勵技術。這就是所謂的數字步進正弦。本質上，正弦波是在離散頻率下產生的，這與FFT分析儀在頻率分辨率上的數字值相等（頻率分辨率的整數倍）。

采用單頻正弦波激勵系統，并測量穩態響應。由于輸入頻率與FFT分析儀的一個離散譜線重合，因而測量的時域信號總是包含信號整數倍個周期，滿足FFT處理的周期性要求，測量過程如圖4-47所示。

圖4-47 典型的步進正弦激勵的輸入力（頂）、輸出響應（中）和FRF（底）

一旦達到可接受的測量，激勵信號就會數字步進到FFT分析儀的下一個可用的離散頻率。這個過程將重復進行，直到所有的離散頻率被測量到。

這個測試技術保留了正弦掃頻的所有優點，并結合了FFT分析處理的所有優點。顯然，要獲得一個頻率分辨率較好的寬頻帶的測試需要耗費大量的時間，但數據的精度和分辨率使其成為一項優異的測試技術。像正弦掃頻一樣，數字步進正弦對于描述系統的任何非線性特征都是極其適用的。如果所有的傳感器都安裝在結構上，采集數據的時間將不會太長。

注：翻譯自Peter Avitabile《Modal Testing - A Practitioner's Guide》