激振器顶杆对振动测试结果的影响

问题：用激振器对一个简单的梁做模态测试，但结果似乎不对，问题在哪里呢？

在用激振器做实验模态分析时，如果在设置激振器和使用顶杆时不小心就可能会引起一些特别的问题。图1是用激振器对一个简单的悬臂梁做模态试验时的常见的安装示意图，激振器顶杆的作用就是仅在顶杆轴向方向给被测物体传递力，力传感器也是只测量这个方向的载荷。

顶杆的作用是是激振器沿着激振方向传递力给结构同时保证横向载荷最小，我们可以通过分离体图知道有多大的力通过附着点传递给结构，因而顶杆及激振器都不会影响被测结构的动态特性，至少理论上是这样的。这就假设顶杆是没有横向刚度因而不会对整个结构的动力学特性产生影响。这点很重要因为力传感器只是测量了沿轴向的载荷-如果有其它载荷(横向、力矩)，力传感器并不能测量这些载荷。

下面来描述一下测量的过程，按照图1的装置安装一个柔性较大的梁
，且用一根比较短的顶杆，短的顶杆可能使得顶杆的转动刚度更可能影响梁的模态。

图2为激振器测试中使用短的顶杆测得FRF，相对于测量中采用的柔性较大的梁，短杆的转动刚度可能会更加明显。测试结果的一阶和二阶模态与期望的基本符合，但是在梁的三阶弯曲模态时出现了两个峰值。FRF measurementswere obtained only for the structure under test but none on the stinger.

随后的实验表明这两个峰值是调制吸收的结果，实际上顶杆与FRF
第三个峰值对应的结构模态振型是同相位的，与FRF第四个峰值对应的结构模态振型是非同相位的。

力传感器仅仅测量了激振器沿着轴向传递给结构的载荷，而并没有测量由于梁的旋转而引起的转动刚度，但实际上顶杆相对于梁上的附着点作用好似一个旋转弹簧。

为了证明上面所述，再第二次测量中采用较长的顶杆，长的顶杆可以最小化测试中转动刚度对结构的影响。

图3为采用长的顶杆的FRF，这次的FRF更加干净(cleaner)而且与期望的梁模态振型一致，简单的进行模态分析可以看到前三阶模态对应于常规的悬臂梁的模态振型。

两种顶杆的前两阶模态很显然产生了一定的偏移，这可能是很多因素造成的如质量载荷、顶杆、测试设置等。第三个峰值也有显著的区别，产生主峰值分离，整体响应的幅值也产生了显著的下降，这在调制吸收理论中很常见。

图4为顶杆表现为系统的调制吸收作用时的期望振型。很显然当顶杆较短时，顶杆关于结构附着点的转动影响更加显著。如果顶杆与主结构有着相同的频率时，耦合作用将会产生如图2所示的FRFs。

很明显顶杆的长短在进行精确的测量FRF中占有重要的作用，如果顶杆太短，在测量响应中将会看到硬化的作用，对于这种情况，响应中常会看到调制吸收的影响。这种调制吸收的影响不可能在每次顶杆使用中都会出现，但在特定的测试设置中会发现。

图5为两种FRF测量的重叠图——一种是短顶杆，另一种是长顶杆。比较两种测量可以看到在测量的系统各阶模态上均有显著的不同。