模态空间—为何锤击信号看起来有些振荡？

2018-04-01 09:10:45· 来源：德国M十P国际公司北京代表处

有时候锤击信号如期望的一样光滑，但是大多数时候看起来像是在振荡，这是为什么？我们来看一些实测结果并讨论一下。

有时候锤击信号如期望的一样光滑，但是大多数时候看起来像是在振荡，这是为什么？
我们来看一些实测结果并讨论一下。

作者：Peter Avitabile
翻译：德国M+P国际公司北京代表处

在进行锤击试验时，力脉冲信号看起来很规则，形状像是半正弦波。在测试时间内，从零开始，接着是脉冲，然后回到零。

但是，在初始半正弦脉冲之后，力脉冲常常像是在零位上下振荡。问题是，这为什么会发生？应不应该发生？可能是双击吗？该加窗来减少它的影响吗？

嗯，这里要回答的内容很多，我不可能在这一篇文章中全部谈到。这个问题被称为“滤波器振荡”。我们从一些简单的试验开始，来说明这个常见的问题。用一些简单的例子和插图，就可以观察到并更好地理解这种效应。

在很多FFT分析仪上都能看到这个问题。为了试验和讨论，我将使用一个普通的BRAND XYZ FFT分析仪，利用一把力锤和一个响应加速度计，在一个典型结构上做一个典型试验。但是在这里仅仅讨论力输入，有些力脉冲很规则，形状就如同我们期望的在教科书中见到的那样。但一些其它试验结果中的力脉冲在脉冲尾部有振荡，好像是一个简单的单自由度系统的响应。这个问题常被称为“滤波器振荡”。这是因为模数转换器ADC前端的模拟抗混叠滤波器，由于其自身的固有频率可能受到力脉冲的激发，而产生一些响应。这就是实际所发生的事情。像大家所熟知的那样，力脉冲能激起不同的频率范围，取决于用来激励结构的锤头。

但是有一个问题。这种滤波器振荡在你的分析仪上可能明显，也可能不明显，取决于选择什么频率范围（带宽）。表面上看这好像不太合理，除非考虑FFT分析仪的内部实际工作方式。通常，FFT生产商使用不同的抗混叠滤波器——一个工作于低频，一个工作于高频。通常，如果测量较低的频率范围，则用低频滤波器，如果用软锤头，则不会引起明显的滤波器振荡。但是如果用稍微硬一点的锤头，则力激励中的高频成分就会激励低频抗混叠滤波器。滤波器受激励并产生动态响应，它在力脉冲上呈现为滤波器振荡。

接下来我们进行一些试验来说明这种滤波器振荡特性，并看一看设置不同的频率带宽对观察到的滤波器振荡可能会有怎样的影响。用一把冲击力锤，带四种不同的锤头，覆盖两种不同的频率范围。锤头包括一个非常软的红色空气气囊、一个中等硬度的蓝色塑料头、一个稍硬的白色塑料头和一个金属头，逐一用来锤击结构采集时域曲线。第一组试验频率带宽设置为400Hz，第二组带宽设置为1600Hz，下面两幅图显示出两个频率范围内的不同锤击结果，由上至下锤头从最软到最硬。

图1. 锤击，400Hz带宽图2. 锤击，1600Hz带宽

注意到随着锤头由软至硬，400Hz带宽具有更为明显的滤波器振荡。这是因为比较硬的锤头激起了更宽的频率范围，更有可能激起低频的模拟抗混滤波器的响应。

400Hz带宽与1600Hz带宽进行比较，滤波器振荡上有明显的变化——对1600Hz带宽，几乎没有任何振荡效应，其唯一的区别就是带宽选择。

在这一个FFT分析仪上，针对不同的带宽选项，使用了两组抗混叠滤波器。显然，在低频范围内用硬锤头时，滤波器振荡更为明显。这是因为硬锤头在高频具有更多的能量，激起了滤波器的动态特性。注意软锤头不能激起这种滤波器振荡。

通常，为了保证不发生滤波器振荡，软锤头是更好的选择。如果有振荡，那么选择更高的频率范围是很重要的，能够最小化滤波器振荡。这样，问题就解决了。

我希望这篇文章已经解释清楚了力的时域曲线上观察到的滤波器振荡问题。如果你有关于模态分析的任何其它问题，欢迎垂询。

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