《振動噪音科普專欄》要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA？

這個單元要來探討的主題是：要如何對一個結構進行「實驗模態分析」EMA？

 

如果對「實驗模態分析」EMA，這個主題還不熟悉，就建議先以「4W思維」來思考：

 

1.      What is EMA? 甚麼是EMA呢？

2.      Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢？

3.      What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢？

4.      How to do EMA? 要如何進行EMA呢？

 

What is EMA? 甚麼是EMA呢？就是Experimental Modal Analysis，「實驗模態分析」EMA。參閱圖片右上方兩個圖示，分別是EMA量測系統架構，和實際進行EMA量測的照片。

 

Why to do EMA? 為甚麼要進行EMA呢？就是想要知道一個結構的「振動模態」(vibration modes)，也就是要取得結構的「模態參數」(modal parameters)，包括：

 

1.      「自然頻率」natural frequencies

2.      「模態振型」mode shapes

3.      「模態阻尼比」modal damping ratios

 

注意，在3個「模態參數」的英文名詞，都有加上了”s”，也就是複數，因為，實際的結構，理論上會有無窮多個「振動模態」。當然，實務上會著重在低頻率、或是有興趣的頻率範圍之「振動模態」。

 

What goals for EMA? 進行EMA要得到甚麼、達到甚麼目的、目標呢？就是要以實驗方法，取得結構的「振動模態」，也就是3個「模態參數」。

 

How to do EMA? 要如何進行EMA呢？簡要步驟概述如下：

 

1.      選擇「驅動器」(actuator)及量測「感測器」(sensor)：參閱圖示，可以知道是採用「衝擊鎚」(impact hammer)當做激振源，而採用「加速度計」(accelerometer)量測結構的響應。關於EMA量測系統架構所需要的設備，我們再另闢單元討論。

2.      對結構進行「佈點規劃」(grid points planning)：如圖示的EMA量測照片，結構是振動試驗機中的音圈結構，參閱圖示中間下方的「佈點規劃」，總點數有168個點，分別在頂面圓、上下環、及每一個葉片上都有佈點。「佈點規劃」的Why & What goals? 就是要得到有興趣的頻率範圍之結構「振動模態」。而「佈點規劃」，需要決定其數量、量測方向等，特別是要取得結構的「模態振型」。關於進行EMA的「佈點規劃」，我們再另闢單元討論。

3.      量測一系列的FRF：針對所完成的「佈點規劃」，在每一個量測點，進行敲擊與量測，可以得到一系列的FRF。其中，FRF是Frequency Response Function「頻率響應函數」，也就是「輸出」除以「輸入」，在這裡是「加速度」除以「力」。而「一系列」是指對所有的佈點，都要量測，所以可以得到168個FRF，如圖示右下方，是其中一個量測點的FRF。FRF也是一種「頻譜」(spectrum)，圖示顯示最高頻率是3000 Hz，FRF有峰值所對應的頻率，就是「自然頻率」，就有其對應的「模態振型」及「模態阻尼比」。

4.      進行「曲線嵌合」(curve fitting)，取得「模態參數」：圖示右側中間，顯示此音圈結構的「第一個模態振型」以及其「自然頻率」。在所量的到3000 Hz頻率範圍內，FRF中所有的峰值，都可以得到對應的3個「模態參數」。

 

綜合一下這個單元的討論，要如何對一個結構進行「實驗模態分析」EMA？就建議以「4W思維」來思考，包括：

 

1.      What is EMA?

2.      Why to do EMA?

3.      What goals for EMA?

4.      How to do EMA?

 

針對如何進行「實驗模態分析」EMA？提出有4個簡要步驟：

 

1.      選擇「驅動器」及量測「感測器」。

2.      對結構進行「佈點規劃」。

3.      量測一系列的FRF。

4.      進行「曲線嵌合」，取得「模態參數」。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2022.04.23

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