什么是工作模态OMA？

模态分析分为实验模态分析EMA（Experimental Modal Analysis）和工作模态分析OMA（Operational Modal Analysis），二者都可以得到模态参数，但有着本质的区别：不同的应用场合、测量方式与分析方法等。EMA需要同时测量激励和响应，而OMA无须测量激励或激励无法测量得到，因而，OMA在激励力无法测量的情况下具有独特的优势，可将“振动试验”简化为“响应测量”，可用于机械状态监测与结构健康监测等方面。

传统的实验模态分析EMA通常在实验室中进行测量分析，结构处于静止状态，通过使用额外的激励设备，如力锤或激励器等，去激励结构以便使结构产生想要的响应。但当待测结构处于实际工作状态时，一方面传统的激励方式变得困难，不易实现；另一方面，结构的行为也不同于实验状态。

结构处于工作状态时，可能存在以下情况：1）结构出现非线性：非线性包括几何非线性、边界条件非线性和材料非线性等方面；2）确定结构的非线性，如飞行器在不同的飞行条件下需确定其非线性；3）在真实载荷作用下，结构会发生变化，如引起几何变形从而引起刚度变化等；4）叶片涡动引起刚度变化；5）结构与气动弹性力的相互作用，如颤振；6）处于工作状态的结构受到支撑系统预载荷的作用；7）受环境因素的影响，如温度、湿度的变化；8）受风载的影响；9）激励力无法测量，如土木工程结构（桥梁、运动场馆、大坝等）、运转的设备等；10）结构健康监测与损伤检测；11）环境试验等等。

处于运行状态下的结构会产生相应的响应，如果这时仍采用传统的实验模态进行测试（假设易于激励）：使用额外的激励设备对结构进行激励，那么响应将是运行下的响应与额外激励设备产生的响应的叠加，由于响应不是当前可测量的激励引起的，那么相干将很差。另一方面，在运行状态下，结构所处的状态与实验模态条件下的状态是存在差异的。如果要测试结构在这些状态下的模态参数，传统的实验模态已不适用。因此，需要另一种模态测试分析方法，即OMA分析。OMA利用结构处于运行状态下的响应来提取模态参数，无须测量激励力。

不管是EMA还是OMA，模态分析的最终目的是从测量数据中确定模态参数，频率、阻尼和振型。EMA是从测量的频响函数中确定这些参数，而OMA是从运行状态的测量时域数据中来确定这些参数。对于EMA而言，需要测量输入与输出来确定系统的动态特性，但对于OMA而言，输入是未知的，或者说是无法测量的，只能测量响应，由响应来确定系统的动态特性，如图1所示。

图1 “输入-系统-输出”模型

OMA测试时，结构受工作载荷或环境载荷的激励，这样的荷载是无法测量得到的，如设备运转时的激励力，土木工程结构受到附近交通、风载、大地脉动的激励等，这些激励多半是随机的。因此，OMA测量的是结构在实际工作状态下的实际响应，这个响应将是结构在工作状态下的实际变形的精确反映，这样测量得到的响应除了用于工作模态分析之外，还可用于工作变形分析（ODS）。

由于OMA仅测量响应，也称为只有输出（响应）的模态分析。在土木桥梁行业，工作模态分析又称为环境激励模态分析或称为脉动法模态分析。对于EMA而言，通常在实验室中测量频响函数FRF，通过锤击法、激振器法（包括正弦扫频与步进正弦等激励技术）或纯模态测试技术获得模态数据，然后采用时域或频域的模态分析方法得到模态参数，在测试之前还可以通过预试验分析来指导实验模态分析。而OMA在结构运行现场进行测试，仅测量结构的响应，使用时域历程，频谱来确定模态参数。

EMA分析需要选择模态参考点，同样地，OMA分析也需选择模态参考点，同样需要遵循模态参考点的一般原则：避开模态节点。受测量硬件的限制，如通道数有限、传感器数量有限等原因，那么，OMA测试时需要分批（多个run）进行测量，在测量过程中，作为模态参考点的响应测点始终固定不动。通常EMA测试能获得前数阶模态，如前10阶模态，但OMA分析受运行参数的影响，只能获得受运行载荷激励起来的这些模态，如运行载荷只激起了3~5阶模态，那么，从测量的响应数据中也只能分析出来这几阶模态。

EMA需要人工激励，多半在实验室中进行，外场试验难以实现。由于需要使用激励设备，因此，增加了投入成本。EMA一般在实验室进行，不少应用情况的实验室状态与实际运行状态可能有较大的不同。实验室里易于进行部件级试验，难完成大型系统的试验，如土木工程结构等大型结构。而OMA无需人工激励，节省了激励设备投资，只测量结构响应，将“振动试验”简化为“响应测量”，并可用于机械状态监测和结构健康监测，比如桥梁、大型体育场馆的健康监测。从测试的角度来讲，要比EMA测试简单，即使结构处于工作状态，也可以进行测试，不影响结构正常运行。可以用部分或全部测点作为参考点，因此OMA具有MIMO特点，易于区分密集模态，适用于复杂结构。

在《计算模态怎么与试验模态对比？》一文中，我们讲到使用试验模态的结果来修正有限元模型，通常从三个方面来考虑。即首进行部件级对比修正，然后进行装配体对比修正，最后考虑了边界条件的模型修正。前两级对比修正都是自由边界，最后一级才考虑边界条件。因此，通常前两级用实验模态结构来进行修正，第三级用工作模态来进行修正。自由状态的实验模态结果可以用来修正材料参数，几何模型等方面，而后续的工作模态修正可用来修正边界条件、接触关系和安装刚度等方面。因此，在模型修正过程中，可结合实验模态EMA和工作模态OMA来修正有限元模型。

通常大型结构采用常规的激励手段不足以激起整个结构，还易于造成局部损伤，且需要中断工作，因此，对大型结构采用常规激励手段是困难的或不可实现的。因此，OMA采用结构实际工作时的工作载荷作为激励或环境激励作为激励更符合实际情况与边界条件，并且这种激励方式随手可得，费用低廉，且省时又安全，不影响结构的正常工作。如利用环境激励测量桥梁的模态、利用海浪及风载对船舶进行激励进行工作模态分析，如图2所示。

图2 利用海浪对船舶进行激励

在早期，对一些土木工程结构进行OMA测试的过程中，通常采用一些非常规的激励手段来激励结构，如对采用火箭激励、阶跃激励（使结构具有一定的位移，然后突然释放）桥梁结构，如图3所示为在桥梁下面悬吊重物，如船舶，然后突然释放重物，使桥梁自由振动。

图3 突然释放吊重激励

OMA测试时，由于结构受工作载荷的激励或受环境载荷的激励（风载、交通）等，而这些激励通常是无法测量得到的，因此，在进行OMA模态分析时，理论假设这些激励都是稳态的白噪声，但实际情况不可能是理想的白噪声，但这一假设仍然适用。有时结构除了受到工作载荷、环境激励之外，为了增大结构响应，会随机对结构施加脉冲激励，但又不测量这个脉冲激励力。

处于工作状态的结构可能受到脉冲激励、正弦扫频激励、升降速激励、谐波激励等。如采用升速激励排气系统，测量响应进行OMA分析。当结构受谐波激励时，在响应信号中也会存在相应的谐波成分，如图4所示。因此，当实际的激励信号不一定近似白噪声时，得到的模态分析结果，有些阶模态是结构本身固有的，有些是激励引起的强迫振动，需要进一步进行甄别。

图4 激励类型

通常OMA分析对象都是大型结构，如大型机械设备、风机、轮船、飞机、卫星、楼房、桥梁等大型结构，这些结构很难挪到实验室中进行测量，只能在结构现场进行测试。结构庞大，测点数目必然不少，因而，通常需要分多批次进行测量，在分批测量的过程中将面临着激励不同、响应不同、模态不同等方面的影响。由于在现场进行测试，测试环境要比实验室恶劣得多，也面临更多的困难，如有些位置不可达，难以布置测点等。譬如测量风机塔筒的工作模态，只能在有限的可达位置处布置测点，并且塔筒垂直高度达7，80米，爬塔就是一项辛苦的工作。

另一方面，大型结构具有模态频率低、模态密集的特点，因此，在测试需要考虑使用低频性能更好的传感器。由于分批测量时，结构所受的激励不同，激起的模态也不同，这将导致给后续模态分析带来影响，可能产生不清晰或不一致的稳态图。由于现场测试，将导致信噪比不高，易受到噪声的干扰，给分析带来困难。