常用的激励信号（二）

4.3.8周期随机激励

考虑到伪随机激励的相关问题，一种称为周期随机激励的激励技术是对伪随机激励技术进行了进一步的改进获得的。基本上，周期随机激励与伪随机激励是一样的，只是每一个测量都产生一个新的输入频谱，为每一个测量平均处理创建一个新的时域信号。再次，这个信号被用来激励系统，当采集自动量程后，系统将达到稳态响应。一旦实现这个目标，就只进行一次平均。这时，会生成另一个频谱（与第一个频谱不同），对它进行逆变换获得一个时域信号。用这个时域信号激励系统，重新开始处理，以获得下一个平均的频响函数。这样，每一次测量都会用不同的信号激励结构，然后进行平均，随着平均次数的增加，非线性将会从测量中移除掉。对于伪随机激励，由于输入激励信号和输出响应信号都满足FFT处理的周期性要求，因此这个测量过程不需要窗函数。虽然从这种方法获得了非常高质量的频响函数，但是需要大量的时间和硬件来执行这种测量技术。

周期随机激励的基本测量过程如图4-42所示。这里需要注意的是，对于第一次平均的数据集合重复使用相同的信号，如蓝色突出显示的一样，但是第二次平均使用了一个不同的随机信号，用红色突出显示：每次平均都使用一个不同的随机信号。

图4-42典型的周期随机激励的输入力（顶）、输出响应（中）和FRF（底）

4.3.9猝发随机激励

出于对伪随机和周期随机激励技术的时间和成本的考虑，为了使高质量频响函数测量变得可行，需要更容易实现的激励技术。再次，意识到主要关注的是由于违背FFT处理的周期性要求而导致被测频响函数失真，因此考虑在数据块的一个样本间隔内捕获整个瞬态信号。一个提供巨大潜能的信号是猝发随机信号。猝发随机激励已经成为当今实验模态测试中更为流行的激励信号之一。这种特殊的激励技术提供了随机、伪随机和周期性随机激励的所有优点，并且没有这些激励技术的相关缺点。

猝发随机信号形成如下：产生随机激励，但只输出数据块的一部分。这样，在FFT分析仪的一个采样间隔内就可以完全观察到这个激励信号，没有必要使用窗函数，因为捕获的信号不存在泄漏。此外，经常使用预触发延迟，这样能保证在捕获数据的前几个时间点中不会出现激励信号。猝发随机信号如图4-43所示。

图4-43典型的猝发随机激励的输入力（顶）、输出响应（中）和FRF（底）

倘若在FFT分析仪的一个采样间隔内，能完全观测到测量的响应，那么就不需要使用窗函数，因为捕获的信号不存在泄漏。然而，一旦关闭激励，结构响应将按指数衰减，衰减速率取决于结构的阻尼。如果结构响应在一个样本间隔内没有衰减到零，那么应该缩短这个猝发，以确保能在采样间隔结束之前，响应衰减到零。可以通过指定数据块的百分比来控制猝发随机信号的作用时间。一般来说，大多数结构都可以实现这一点。

猝发随机测量过程如图4-44所示。对结构输入激励信号，监控响应，以确保响应在样本间隔结束之前衰减到零。猝发时间长度可以调整，这样就能实现在采样结束之前响应衰减到零。在此期间，分析仪可以自动量程，从而达到最优的ADC设置。一旦实现了这一目标，就会为期望的平均结果开始进行平均。

图4-44 左侧为猝发随机激励的激励力（上）和输出响应（下），右侧为相应的相干（上）和FRF（下）

由于这个基本激励技术是一个随机函数，随机激励能线性化数据中存在的任何轻微非线性的所有优点将会保留。此外，没有任何随机激励的相关缺点，特别是随机激励的泄漏，因为信号的瞬态特性阻止了这种情况的发生。测量的时域数据的频响函数和相干函数如图所示，我们可以清楚地看到，测量的频响函数和相干相对于先前随机激励显示的测量结果有很大的改善。

4.3.10正弦快扫激励

对于线性结构的模态测试而言，正弦快扫激励已成为一种非常流行的激励技术。本质上，正弦快扫非常类似于已使用多年的传统的正弦扫频测试，唯一的区别是，频率范围内的整个扫频出现在FFT分析仪的一个采样间隔内。由于输入信号在一个数据块内能完全观测到，所以不违背FFT处理的周期性要求，不需要窗函数。基本的测量过程如图4-45所示，注意到相同的信号被反复使用，这使得结构能够达到稳态响应，这样输入和输出都在采样间隔内是周期性的，不需要窗函数。

图4-45 典型的正弦快扫激励的输入力（顶）、输出响应（中）和FRF（底）

这个信号对结构进行激励，当分析仪自动量程后，系统响应将最终会达到稳态响应。因此，在一个采样间隔内，输出响应也完全可以观测到，这样这种激励类型不需要窗函数。

正弦快扫提供了传统正弦扫频测试的所有优点，以及FFT处理速度。线性系统所得到的频响函数是除数字步进正弦激励之外最优的。另外，注意这个测量的相干，如图4-46所示。对于识别非线性系统的特性而言，正弦快扫也是一种非常好的测试技术。

图4-46左侧为正弦快扫的激励力（上）和输出响应（下），右侧为相应的相干（上）和FRF（下）

4.3.11数字步进正弦激励

由于正弦扫频测试的优良特性，开发了一种利用FFT分析仪速度的另一种激励技术。这就是所谓的数字步进正弦。本质上，正弦波是在离散频率下产生的，这与FFT分析仪在频率分辨率上的数字值相等（频率分辨率的整数倍）。

采用单频正弦波激励系统，并测量稳态响应。由于输入频率与FFT分析仪的一个离散谱线重合，因而测量的时域信号总是包含信号整数倍个周期，满足FFT处理的周期性要求，测量过程如图4-47所示。

图4-47 典型的步进正弦激励的输入力（顶）、输出响应（中）和FRF（底）

一旦达到可接受的测量，激励信号就会数字步进到FFT分析仪的下一个可用的离散频率。这个过程将重复进行，直到所有的离散频率被测量到。

这个测试技术保留了正弦扫频的所有优点，并结合了FFT分析处理的所有优点。显然，要获得一个频率分辨率较好的宽频带的测试需要耗费大量的时间，但数据的精度和分辨率使其成为一项优异的测试技术。像正弦扫频一样，数字步进正弦对于描述系统的任何非线性特征都是极其适用的。如果所有的传感器都安装在结构上，采集数据的时间将不会太长。

注：翻译自Peter Avitabile《Modal Testing - A Practitioner's Guide》