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《振動噪音科普專欄》EMA系列:典型之實驗模態分析EMA量測系統架構

 

這個單元要來探討的主題是:典型之實驗模態分析EMA量測系統架構?也是EMA系列的第2篇。

 

在前一個單元:#262要如何對一個結構進行實驗模態分析EMA】,有看過EMA量測系統架構,和實際進行EMA量測的照片,請參閱1的右側兩個圖示。這個單元要來看,如果要執行EMA,需要哪些基本設備呢?

 

首先,要有輸入的量測設備,也就是驅動器(actuator),常用的裝置如下:

 

1.          衝擊鎚(hammer) 力轉換器(force transducer):參閱1的右側的「衝擊鎚」示意圖,在其衝擊頭處,有一個「力轉換器」,也就是力的「感測器(sensor),可以量測到敲擊力,傳送到「頻譜分析儀(FFT analyzer)。讀者可參考單元:#193EMA系列:衝擊鎚的不同材質衝擊頭,對EMA有甚麼影響?

2.          振動產生器(shaker) 阻抗頭(impedance head):除了採用hammer外,也可以使用shaker,用以激振結構,並配合impedance head,可以同時量測敲擊力以及加速度響應。隨後要較詳細的說明。

 

其次,也需要有輸出的量測設備,也就是結構受激振後,量測結構響應的感測器(sensor),常用的裝置如下

 

1.          加速度計加速規(accelerometer):顧名思義,就是量測結構的加速度(acceleration)響應。

2.          速度計(vibrometer, velocimeter):在量測結構的速度(velocity)響應。

3.          位移計(displacement sensor):在量測結構的位移(displacement)響應。例如:渦電流位移計(Eddy current displacement sensor)雷射位移計(Laser displacement sensor)

 

接著,就是需要一部「頻譜分析儀(FFT analyzer),來接收敲擊力和加速度響應的信號,主要的功能概述如下:

 

1.          類比數位轉換(A/D converting)sensor取得的信號,都是「類比信號(analog signal),會經過「濾波(filtering)處理,也就是「反假像濾波器(Anti-Aliasing filter),簡稱AA filter,再「取樣(sampling),轉換得到「數位信號(digital signal)的「時間波形(time waveform)。讀者可參考單元:#104,【甚麼是類比數位轉換器(A/D Converter)】;#197甚麼是反假象濾波器(Anti-Aliasing Filter, AAF)】。

2.          快速傅立葉轉換(fast Fourier Transform, FFT):一部FFT analyzer最重要的功能,就是對time waveform,進行FFT,取得「頻譜(spectrum)。要經過「加權(weighting)或稱「窗函數(windowing)處理,以及「平均(averaging)處理,可以得到「傅立業頻譜(Fourier spectrum)以及「功率頻譜(power spectrum)。到這裡的分析,都是所謂的「單通道分析(single channel analysis)。讀者可參考單元:#109,【對一個信號進行頻譜分析的原理為何?】;#106典型的Window視窗加權函數有哪些?】;#108加速度頻譜,有幾種?】。

3.          頻率響應函數(frequency response function, FRF):對EMA來說,更重要的是要得到FRF,當然也有「關聯性函數(coherence),這就所謂的「跨通道分析(cross channel analysis)。讀者可參考單元:#214,【SDOF簡諧激振FRF系列(1):單自由度系統的頻率響應函數(FRF)是甚麼?】。

 

最後,需要一部個人電腦或筆電,能處理以下兩個功能:

 

1.          頻譜分析儀(FFT analyzer)軟體:搭配FFT analyzer的應用軟體。讀者可參閱聯盟網頁:【客制化振動噪音量測系統(Sound and Vibration Measurement System)

2.          模態分析(modal analysis)軟體:是要將量測得到結構的一系列FRF,進行「曲線嵌合(curve fitting)curve fitting就是「模態參數擷取方法(modal parameter extraction method)的簡單說法,目的在取得「模態參數(modal parameter),包括:「自然頻率(natural frequencies),「模態振型(mode shapes),以及,「模態阻尼比(modal damping ratios)

 

接下來,參閱2典型之實驗模態分析EMA量測系統架構,對應相關設備的實體照片,參閱2左上方的系統方塊圖(system block diagram),進行結構的EMA,需要有輸入(input)及輸出(output),才可以得到結構「系統(system)的資訊,分述如下:

 

1.      𝒇𝒋 (𝒕):代表輸入結構的外力之time waveform,如前述有兩種方式:(1) 採用hammer,如圖示是一支小型的「衝擊鎚」,當然有不同大小的hammer。敲擊時,可以量測得到注入結構的「外力」。同時,以accelerometer量測結構的「加速度」響應。(2) 採用shaker,必須有「信號產生器(signal generator),通常產生寬頻的隨機信號,透過「功率放大器(power amplifier),推動shaker,並以「推桿(push rod),連接結構,並激振結構振動。push rod和結構接觸的位置,會安裝「阻抗頭(impedance head),可以同步量測到該位置的外力」和「加速度」。

2.      𝒂𝒊 (𝒕):代表量測到的結構「加速度」響應,可以由獨立的accelerometer量測結構的「加速度」響應。

3.      𝑯𝒊𝒋 (𝒇):就是結構的FRF,由量測到的外力𝒇𝒋 (𝒕)和加速度𝒂𝒊 (𝒕),透過「頻譜分析儀」的分析處理,最重要的就是得到「頻率響應函數FRF。得到一系列的FRF,傳輸到個人電腦,透過「模態分析(modal analysis)軟體,可以取得3個「模態參數(modal parameters),包括:(1) 𝒇𝒓自然頻率(natural frequencies)(2) 𝝓𝒓模態振型(mode shapes),以及(3) 𝝃𝒓模態阻尼比(modal damping ratios)。其中,𝒓=𝟏,𝟐,…,理論上,𝒓 振動模態(vibration modes)的數量,會有無窮多個。實務上,就看實際關注的頻率範圍而定,以取得一定數量的vibration modes

 

綜合一下這個單元的討論,主要在瞭解:進行「實驗模態分析EMA,所需要的量測系統架構及其設備,而最基本的設備需求:

 

1.      輸入的「驅動器(actuator):「衝擊鎚(hammer) 力轉換器(force transducer)

2.      輸出的「感測器(sensor):「加速度計加速規(accelerometer)

3.      信號處理的「頻譜分析儀(FFT analyzer),以及對應的分析軟體。

4.      進行「曲線嵌合(curve fitting)的「模態分析(modal analysis)軟體。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.04.26


1、典型的實驗模態分析EMA量測系統架構 設備架構

2、典型的實驗模態分析EMA量測系統架構 設備實體照片