模态空间—锤击法试验中输入力谱为什么会失真？

在锤击法试验中，力谱看起来有些失真，这是不是因为我的频谱分析仪有问题？
我们可以做个试验看看到底怎么回事。



作者：Peter Avitabile
翻译：倪昊；焦吉祥（德国m+p国际公司）


找出原因的唯一方法就是进行故障排查。但我们首先得明白正确的测量结果应该是什么样的。对于锤击法来说，力信号在时域上应该是一个时间很短的脉冲信号，而其频域应该是一段在某频段上相对平坦的曲线。频域曲线的带宽与时域脉冲信号的宽度直接相关，一般情况下，脉冲信号越短，其频域分布带宽就越宽，反之亦然，这是理想的情况。那么明白了以上内容之后，我们就可以到试验室来实际测试一下。（在这篇文章中，我会尝试重现之前一次试验中出现的问题，但由于测试硬件的不同会带来一些差异。）这次试验的实验对象是一个常规结构件，使用一把常规的力锤与一个安装在构件上的加速度传感器进行试验。

下图展示了激励与响应的时域信号（黑色曲线）。这两条曲线看起来很合理，锤击信号为一个尖锐脉冲，之后是一段相对平坦的接近于0的直线。衰减的响应信号也很合理，但为了减小泄漏效应，需要对其应用窗函数。

输入谱（下图中的蓝色曲线，标注为失真入谱的信号）也相对比较平坦。但有一点需要注意，其在低频段有很大的起伏，看起来不太正常，这与预期不同。也许这就是你问这个问题的原因，这需要我们仔细研究一下。



现在我们再回来看时域信号。首先要检查的是传感器信号是否正常，是否有电气接触不良、干扰等问题（例如检查导线、电池等等）。通常频谱分析仪可以设置为示波模式来观察信号是否正常，当信号没有问题的时候我们可以将其进行FFT处理。

时域信号看起来很正常，但我们要确认一下测量信号是否有加窗处理。从这台分析仪的设置参数来看，力信号应该是没有加窗的，但响应信号应该是需要加窗的。在许多分析仪中力信号与响应信号通道的标签是非常容易被混淆的，大部分情况下标签是正确的，但分析软件并不能准确识别通道是否应该加窗。

在这个例子中，输入信号被标记为不需要加任何窗——力通道的标签属性显示“仅响应窗（response only window）”。现在这个标签令我感到困惑，这个标签可能意味着“仅对响应通道加窗处理”，或者它还能表示其他意思？当然，我们应该翻开用户手册，阅读与这个特殊的窗设置有关的段落。但是很多时候，用户可能认为他了解所有的按钮/标签是什么意思，因为他熟悉早期用过的其他频谱分析仪，并且认为没有必要阅读用户手册。另一方面，用户手册有时候同样令人困惑，时常会有一种看了还不如不看的感觉。

所以，我通常采取一种非常简单的“排除法”来解决问题——修改一个参数，而其他参数保持不变。在锤击法试验中，首先要确保力传感器没有损坏，检查的最简单的方法是换用另一把力锤，以及电缆和信号调理仪。

第二步的检查是FFT采集系统的参数设置。力通道窗函数设置为“仅响应窗（response only window）”，响应窗函数同样可以改，但是我们的第一印象是该设置对输入力信号不会有任何影响。响应窗函数默认设置为汉宁窗，这显然是错误的；对于某些其他的测试，例如处理随机类型的信号，这可能是默认的设置。这里应该加的是矩形窗或指数窗。作为第一次检查，选择矩形窗（并且应该首先这么做，即使最后需要加指数窗）。现在响应信号看上去跟先前观察到的一样。

现在这样是不行的，因为先前加了汉宁窗。事实证明通常我们观察到的信号都是“不加窗”的信号，这是很多分析仪的默认设置——在某些分析仪上为了观察加窗的信号，必须专门进行设置。尽管响应信号明显受到加窗的影响，但很有趣的发现是，输入通道上的力谱看上去同样受响应通道上的窗函数的影响。观察输入力谱，如上图下部的曲线所示（显示为红色，标识为正确的力谱）。当改变响应窗时，输入通道上的力谱会如何改变呢？

分析仪坏了吗？你应当给制造商报告这个问题吗？实际上不用！在很多频谱分析仪上，通常对响应信号加窗。为了正确地计算输出与输入的比值，会将响应窗也同时加到力信号上（通常这么做是为了避免仅仅对输出响应加窗所导致的失真——有理论证明这是有道理的，但这里我们不需要讨论）。这里重要的问题是，在很多（但不是所有的）频谱分析仪上，响应窗不但加到了输出通道上而且加到了输入通道上。所以现在我们可以看出为什么最初的力谱失真了，也弄清楚“仅响应窗”到底是什么意思了。频谱分析仪的默认设置中对响应通道加汉宁窗，尽管被评估的通道仅仅是力通道，窗对于响应通道的影响也同等重要。

当利用频谱分析仪进行每一项测试的时候，你都需要非常仔细，要确认好清楚如何操作分析仪——很多分析仪具有很多不同的特点，并且不是所有的分析仪都完全一样。为了确定试验有效，可以像本文所做的那样，进行一些简单的检查，确保试验结果有意义。

希望我已经回答了这次关于锤击试验结果的疑问，如果您有其它关于模态分析的任何问题，欢迎垂询。

（作者备注：这篇文章中所描述的事件已经利用不同的分析仪硬件进行了复现，以说明在这些有趣的测试过程中到底看到了什么。这不是一个针对所用硬件的声明，而是一个注意事项，试验工程师需要认真理解他们专有的频谱分析仪功能。）