4.4通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比不同的激勵(lì)技術(shù)

一些比較常用的激勵(lì)技術(shù)被用于激勵(lì)一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，以獲得它的頻響函數(shù)。為了便于比較，本節(jié)給出了這些結(jié)果。具體地說(shuō)，在圖4-48所示的焊接結(jié)構(gòu)上采用了不加和加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃激勵(lì)。同時(shí)，用正弦快掃進(jìn)行線性檢驗(yàn)，以說(shuō)明結(jié)構(gòu)存在非線性的影響。這樣，就可以清楚地評(píng)估不同激勵(lì)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖4-48 用于測(cè)量比較的焊接結(jié)構(gòu)

在所有測(cè)量中，使用400Hz的頻率范圍，分辨率為800條譜線。通常，為了計(jì)算頻響函數(shù)H1估計(jì)，采用10次平均。顯示輸入和輸出的時(shí)間歷程，以及相應(yīng)的頻響函數(shù)和相干。

4.4.1不加窗的隨機(jī)激勵(lì)

圖4-49左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，輸入和輸出信號(hào)都是隨機(jī)特性，從時(shí)域數(shù)據(jù)不易于得到有用的信息。然而，在頻域中，頻響函數(shù)顯示了存在的幾階模態(tài)。頻響測(cè)量表明頻響函數(shù)有相當(dāng)大的變化。為了減少這種測(cè)量變化，需要更多次的平均。然而，即使過(guò)多的平均和重疊處理，變化也不能降低到可接受的水平。造成這種測(cè)量失真的主要原因是泄漏，這一直是隨機(jī)激勵(lì)技術(shù)的問(wèn)題。

圖4-49左側(cè)為隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.2加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)

圖4-50左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。使用漢寧窗，情況有所改善。查看時(shí)域結(jié)果，輸入和輸出信號(hào)本質(zhì)上仍是隨機(jī)特性，從時(shí)域數(shù)據(jù)不易于得到有用的信息，然而，可以清楚地看到漢寧窗對(duì)時(shí)域信號(hào)的影響。在頻域中，頻響函數(shù)顯示了存在的幾階模態(tài)。頻響測(cè)量表明頻響函數(shù)仍然有相當(dāng)多的變化。為了減少這種測(cè)量的變化，需要更多次的平均。需要注意的是，相干函數(shù)具有相當(dāng)?shù)偷闹担貏e是在共振峰處。即使使用了漢寧窗，為了將變化降低到可接受的水平，仍然需要過(guò)多的平均。同樣，這種測(cè)量失真的主要原因是泄漏。這將永遠(yuǎn)是隨機(jī)激勵(lì)技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題，即使應(yīng)用了漢寧窗。漢寧窗減少了大量的泄漏，但并沒有消除泄漏。

圖4-50 左側(cè)為加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.3不加窗的猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)

圖4-51左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的信號(hào)仍然不包含任何可以很容易看到的有用信息。然而，輸入和輸出信號(hào)現(xiàn)在都在時(shí)域數(shù)據(jù)塊的一個(gè)采樣間隔內(nèi)能完全觀測(cè)到。這種情況下，因?yàn)樾盘?hào)沒有違背基本的FFT處理周期性要求，不需要應(yīng)用窗函數(shù)。這將產(chǎn)生一種無(wú)泄漏的測(cè)量，數(shù)據(jù)不會(huì)因泄漏而失真。頻響函數(shù)比隨機(jī)激勵(lì)要好得多，其相干值顯著提高，特別是在共振峰處。此外，注意到共振峰比隨機(jī)激勵(lì)要尖銳得多，因?yàn)樾孤┖痛昂瘮?shù)往往會(huì)拖尾數(shù)據(jù)，造成比實(shí)際存在更高阻尼的假象。

圖4-51 左側(cè)為猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.4不加窗的正弦快掃激勵(lì)

圖4-52左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，正弦快掃的信號(hào)顯示了一些有用的信息。由于正弦快掃從低頻掃到高頻率在一個(gè)采樣間隔內(nèi)，時(shí)域響應(yīng)將包含高幅值部分，因?yàn)檎铱鞉邥?huì)掃過(guò)每一個(gè)共振頻率。同樣，輸入和輸出信號(hào)都在時(shí)域數(shù)據(jù)塊的一個(gè)采樣間隔內(nèi)能完全觀測(cè)到。這種情況下，因?yàn)樾盘?hào)沒有違背基本的FFT處理周期性要求，不需要應(yīng)用窗函數(shù)。這將產(chǎn)生一種無(wú)泄漏的測(cè)量，數(shù)據(jù)不會(huì)因泄漏而失真。頻響函數(shù)比隨機(jī)激勵(lì)要好得多，其相干值顯著提高，特別是在共振峰處。此外，注意到共振峰比隨機(jī)激勵(lì)要尖銳得多，因?yàn)樾孤┖痛昂瘮?shù)往往會(huì)拖尾數(shù)據(jù)，造成比實(shí)際存在更高阻尼的假象。

圖4-52 左側(cè)為正弦快掃激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.5比較隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃

圖4-53顯示了隨機(jī)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的比較。猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃產(chǎn)生非常相似的結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)的共振峰定義很好，并且有很少的變化。將這兩個(gè)結(jié)果與隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量在共振峰處的阻尼比猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的大得多。同時(shí)，注意到在隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量的第一個(gè)頻率處出現(xiàn)了一個(gè)雙峰，這是由于泄漏造成的，將會(huì)仔細(xì)觀察這個(gè)。

圖4-53 比較加窗的隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的FRF

4.4.6比較共振峰處的隨機(jī)激勵(lì)和猝發(fā)隨機(jī)

讓我們比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的結(jié)果，如圖4-54和4-55所示。

圖4-54比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)的FRF和相干

圖4-55比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)重疊的FRF和相干

表面上看，左側(cè)兩個(gè)測(cè)量都是相同的，但仔細(xì)看右側(cè)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)峰值出現(xiàn)了一些失真。更仔細(xì)地觀察圖4-56，很明顯，頻響函數(shù)存在嚴(yán)重失真，尤其是在共振峰處。即使對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)使用了漢寧窗，但仍然有嚴(yán)重的泄漏影響。

圖4-56 放大第1階模態(tài)以表明隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的FRF差異

4.4.7使用正弦快掃做線性檢查

圖4-57所示的頻響函數(shù)是正弦快掃激勵(lì)采用不同大小的激勵(lì)力測(cè)量得到的，以證明系統(tǒng)的線性度。顯然存在非線性行為，但并不是所有的模態(tài)都同等地受到系統(tǒng)中存在的任何非線性的影響。有些模態(tài)由于力的增加而存在一些小變化，其他模態(tài)由于激勵(lì)力大小的增加顯示出一些細(xì)微的差異，而其他一些模態(tài)則顯示出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的顯著變化。

圖4-57 用正弦快掃做線性檢查（FRF）

4.4通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比不同的激勵(lì)技術(shù)

一些比較常用的激勵(lì)技術(shù)被用于激勵(lì)一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，以獲得它的頻響函數(shù)。為了便于比較，本節(jié)給出了這些結(jié)果。具體地說(shuō)，在圖4-48所示的焊接結(jié)構(gòu)上采用了不加和加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃激勵(lì)。同時(shí)，用正弦快掃進(jìn)行線性檢驗(yàn)，以說(shuō)明結(jié)構(gòu)存在非線性的影響。這樣，就可以清楚地評(píng)估不同激勵(lì)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖4-48 用于測(cè)量比較的焊接結(jié)構(gòu)

在所有測(cè)量中，使用400Hz的頻率范圍，分辨率為800條譜線。通常，為了計(jì)算頻響函數(shù)H1估計(jì)，采用10次平均。顯示輸入和輸出的時(shí)間歷程，以及相應(yīng)的頻響函數(shù)和相干。

4.4.1不加窗的隨機(jī)激勵(lì)

圖4-49左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，輸入和輸出信號(hào)都是隨機(jī)特性，從時(shí)域數(shù)據(jù)不易于得到有用的信息。然而，在頻域中，頻響函數(shù)顯示了存在的幾階模態(tài)。頻響測(cè)量表明頻響函數(shù)有相當(dāng)大的變化。為了減少這種測(cè)量變化，需要更多次的平均。然而，即使過(guò)多的平均和重疊處理，變化也不能降低到可接受的水平。造成這種測(cè)量失真的主要原因是泄漏，這一直是隨機(jī)激勵(lì)技術(shù)的問(wèn)題。

圖4-49左側(cè)為隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.2加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)

圖4-50左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。使用漢寧窗，情況有所改善。查看時(shí)域結(jié)果，輸入和輸出信號(hào)本質(zhì)上仍是隨機(jī)特性，從時(shí)域數(shù)據(jù)不易于得到有用的信息，然而，可以清楚地看到漢寧窗對(duì)時(shí)域信號(hào)的影響。在頻域中，頻響函數(shù)顯示了存在的幾階模態(tài)。頻響測(cè)量表明頻響函數(shù)仍然有相當(dāng)多的變化。為了減少這種測(cè)量的變化，需要更多次的平均。需要注意的是，相干函數(shù)具有相當(dāng)?shù)偷闹担貏e是在共振峰處。即使使用了漢寧窗，為了將變化降低到可接受的水平，仍然需要過(guò)多的平均。同樣，這種測(cè)量失真的主要原因是泄漏。這將永遠(yuǎn)是隨機(jī)激勵(lì)技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題，即使應(yīng)用了漢寧窗。漢寧窗減少了大量的泄漏，但并沒有消除泄漏。

圖4-50 左側(cè)為加漢寧窗的隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.3不加窗的猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)

圖4-51左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的信號(hào)仍然不包含任何可以很容易看到的有用信息。然而，輸入和輸出信號(hào)現(xiàn)在都在時(shí)域數(shù)據(jù)塊的一個(gè)采樣間隔內(nèi)能完全觀測(cè)到。這種情況下，因?yàn)樾盘?hào)沒有違背基本的FFT處理周期性要求，不需要應(yīng)用窗函數(shù)。這將產(chǎn)生一種無(wú)泄漏的測(cè)量，數(shù)據(jù)不會(huì)因泄漏而失真。頻響函數(shù)比隨機(jī)激勵(lì)要好得多，其相干值顯著提高，特別是在共振峰處。此外，注意到共振峰比隨機(jī)激勵(lì)要尖銳得多，因?yàn)樾孤┖痛昂瘮?shù)往往會(huì)拖尾數(shù)據(jù)，造成比實(shí)際存在更高阻尼的假象。

圖4-51 左側(cè)為猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.4不加窗的正弦快掃激勵(lì)

圖4-52左側(cè)顯示了輸入/輸出的時(shí)間歷程，右側(cè)顯示相干/頻響函數(shù)。查看時(shí)域結(jié)果，正弦快掃的信號(hào)顯示了一些有用的信息。由于正弦快掃從低頻掃到高頻率在一個(gè)采樣間隔內(nèi)，時(shí)域響應(yīng)將包含高幅值部分，因?yàn)檎铱鞉邥?huì)掃過(guò)每一個(gè)共振頻率。同樣，輸入和輸出信號(hào)都在時(shí)域數(shù)據(jù)塊的一個(gè)采樣間隔內(nèi)能完全觀測(cè)到。這種情況下，因?yàn)樾盘?hào)沒有違背基本的FFT處理周期性要求，不需要應(yīng)用窗函數(shù)。這將產(chǎn)生一種無(wú)泄漏的測(cè)量，數(shù)據(jù)不會(huì)因泄漏而失真。頻響函數(shù)比隨機(jī)激勵(lì)要好得多，其相干值顯著提高，特別是在共振峰處。此外，注意到共振峰比隨機(jī)激勵(lì)要尖銳得多，因?yàn)樾孤┖痛昂瘮?shù)往往會(huì)拖尾數(shù)據(jù)，造成比實(shí)際存在更高阻尼的假象。

圖4-52 左側(cè)為正弦快掃激勵(lì)的激勵(lì)力（上）和輸出響應(yīng)（下），右側(cè)為相應(yīng)的相干（上）和FRF（下）

4.4.5比較隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃

圖4-53顯示了隨機(jī)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的比較。猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃產(chǎn)生非常相似的結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)的共振峰定義很好，并且有很少的變化。將這兩個(gè)結(jié)果與隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出，隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量在共振峰處的阻尼比猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的大得多。同時(shí)，注意到在隨機(jī)激勵(lì)測(cè)量的第一個(gè)頻率處出現(xiàn)了一個(gè)雙峰，這是由于泄漏造成的，將會(huì)仔細(xì)觀察這個(gè)。

圖4-53 比較加窗的隨機(jī)激勵(lì)、猝發(fā)隨機(jī)和正弦快掃的FRF

4.4.6比較共振峰處的隨機(jī)激勵(lì)和猝發(fā)隨機(jī)

讓我們比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的結(jié)果，如圖4-54和4-55所示。

圖4-54比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)的FRF和相干

圖4-55比較隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)重疊的FRF和相干

表面上看，左側(cè)兩個(gè)測(cè)量都是相同的，但仔細(xì)看右側(cè)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)峰值出現(xiàn)了一些失真。更仔細(xì)地觀察圖4-56，很明顯，頻響函數(shù)存在嚴(yán)重失真，尤其是在共振峰處。即使對(duì)隨機(jī)數(shù)據(jù)使用了漢寧窗，但仍然有嚴(yán)重的泄漏影響。

圖4-56 放大第1階模態(tài)以表明隨機(jī)和猝發(fā)隨機(jī)激勵(lì)的FRF差異

4.4.7使用正弦快掃做線性檢查

圖4-57所示的頻響函數(shù)是正弦快掃激勵(lì)采用不同大小的激勵(lì)力測(cè)量得到的，以證明系統(tǒng)的線性度。顯然存在非線性行為，但并不是所有的模態(tài)都同等地受到系統(tǒng)中存在的任何非線性的影響。有些模態(tài)由于力的增加而存在一些小變化，其他模態(tài)由于激勵(lì)力大小的增加顯示出一些細(xì)微的差異，而其他一些模態(tài)則顯示出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的顯著變化。

圖4-57 用正弦快掃做線性檢查（FRF）