這個單元要來探討的主題是:如何繪圖呈現與解讀結構的「頻率響應函數」(frequency response
function, FRF)?
參閱圖示左上方,節錄自先前單元,#364:【如何求得結構的頻率響應函數?】。重點摘錄如下:
1. 「如何求得」:可以概分為「分析」與「實驗」,兩種方法。
2. 「結構」:任意的結構,當然都可以分別由「分析」與「實驗」,求得FRF「頻率響應函數」。
3. 「頻率響應函數」(frequency response function, FRF):基本定義:𝐅𝐑𝐅=𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭/𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭。𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭是輸出,𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭是輸入。當然需要明確的定義出𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭 輸出以及𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭 輸入參數。讀者可參考先前單元,#363:【頻率響應函數有哪些種類(Types of FRFs)?】。
左上方圖示摘錄的是頻率域(frequency domain)系統方塊圖–實驗分析,說明如下:
1. 𝒇𝒋 (𝒕)表示輸入的作用力:可以使用具有力感測器(force transducer)的衝擊槌(impact hammer),量測得到𝒇𝒋 (𝒕)敲擊外力時間波形。再透過FFT、PSD的信號分析,即可得到如圖示的𝑮𝒋𝒋 (𝒇) 外力自身功率頻譜(auto PSD)。
2. 𝒂𝒊 (𝒕)表示輸出的加速度響應:可以透過加速度規(accelerometer),黏貼在結構表面,量測到任意點的𝒂𝒊 (𝒕)加速度時間波形。再透過FFT、PSD的信號分析,即可得到如圖示的𝑮𝒊𝒊(𝒇) 加速度自身功率頻譜(auto PSD)。
3. 𝑯𝒊𝒋 (𝒇) = 𝑮𝒋𝒊 (𝒇)/𝑮𝒋𝒋(𝒇)
= FRF「頻率響應函數」:要注意,在實驗量測中,由於經過數位化處理(digitization),不能如理論分析,直接由傅立葉頻譜取得,必須由PSD功率頻譜,才能取得正確的FRF「頻率響應函數」。其中,𝑮𝒋𝒊 (𝒇)是輸入與輸出的交叉功率頻譜(cross PSD)。
其中的𝑯𝒊𝒋 (𝒇) =FRF「頻率響應函數」,最常看到的圖示是𝑯𝒊𝒋 (𝒇)的振幅圖|𝑯𝒊𝒋 (𝒇)|,本單元要詳細來看如何繪圖呈現與解讀結構的FRF。
繼續討論之前,先回顧先前單元,#223:【SDOF簡諧激振FRF系列(10):Receptance位移率、Mobility移動率、Accelerance加速率之FRF頻率響應函數的定義?有甚麼特性與差異?】。
參考圖示右上方,是「外力激振」「單自由度系統」實際結構的示意圖,一個質塊,懸吊在一個彈簧下面,彈簧的另一端是固定邊界,當質塊受到外力作用,質塊會有上下振盪的現象。
為了分析這個質塊-彈簧的「實際結構」(real structure),建構此系統「數學模型」(mathematical model),如示意圖。其中,
1.
「系統參數」(system parameters),就是:m、c、k,分別是質塊的「質量」(mass)、彈簧的「黏滯阻尼係數」(viscous damping coefficient)、彈簧的「彈簧常數」(spring constant)。
2.
「輸入」是f(t),為系統的外力,以及質塊本身的兩個「初始條件」(initial condition, IC),包括:「初始位移」(initial displacement) X0及「初始速度」(initial velocity) V0。
3.
「輸出」是x(t),為系統質塊的位移響應。
針對外力激振的SDOF系統,可以定義出三種「頻率響應函數」FRF的表示式,統整如下:
1. Receptance「位移率」=「位移」/「外力」= 𝑯𝒙(𝒇) = 𝑿(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 𝟏 / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
2. Mobility「移動率」=「速度」/「外力」= 𝑯𝒗(𝒇) = 𝑽(𝒇) / 𝑭(𝒇) = 𝒊𝝎 / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
3. Accelerance「加速率」=「加速度」/「外力」= 𝑯𝒂(𝒇)= 𝑨(𝒇) / 𝑭(𝒇) = (−𝝎^𝟐) / [(𝒌−𝒎𝝎^𝟐 )+𝒊(𝝎𝒄)]。
其中,𝝎=𝟐𝝅𝒇,為外力的「激振頻率」,可以看出兩兩之間,相差了𝒊𝝎的倍數,因為複數 𝒊 的關係,就會有90度的相位角差,而(𝒊𝝎)^2等於(−𝝎^𝟐),則是相當於有180度相位角差。
知道了這個外力激振的SDOF系統,有這三種FRF「頻率響應函數」的背景知識。又由於EMA實務上的響應量測,通常採用加速度規,所以量測到的是Accelerance「加速率」= 「加速度」 / 「外力」= 𝑯𝒂(𝒇)。
以下列舉的實際數值案例,令「系統參數」:m = 1 (kg)、c =
1 (N/ m/s)、k = 39.48 (N/m),也就是m、c及k固定。由「系統參數」:m、c、k,可以推算得到「模態參數」:「自然頻率」𝒇𝒏 =1 (Hz),「阻尼比」𝝃 =0.0796。因為,0 < 𝝃 < 1,所以都是「次阻尼」狀態。
參閱圖示,顯示 Accelerance「加速率」的表達方式,因為FRF是複數(complex number),可以畫出其3組圖示,共有5個圖,如何解讀FRF,討論如下:
1. 「波德圖」(Bode plot):包含了「振幅」(amplitude)圖以及「相位角」(phase angle)圖,水平軸都是頻率,單位=Hz。垂直軸分別就是amplitude以及phase angle。在「振幅」(amplitude)圖:可以觀察到在激振頻率 𝒇 =1 (Hz),有一個峰值(peak),對應的就是此SDOF系統的「自然頻率」𝒇𝒏 =1 (Hz)。在「相位角」(phase angle)圖:在𝒇~=
𝒇𝒏時,其「相位角」會有180度的變化,而在𝒇=
𝒇𝒏時,剛好是在FRF所對應變化180度相位角的中間值,等於90度。
2. 「實數部」(real)圖以及「虛數部」(imaginary)圖:在「實數部」(real)圖:觀察「加速率」𝑯𝒂(𝒇),其「自然頻率」𝒇𝒏會出現在,通過「0點」的頻率。在「虛數部」(imaginary)圖:觀察𝑯𝒂(𝒇)「加速率」,其「自然頻率」𝒇𝒏會出現在,有最大「峰值」的頻率。
3. 「奈氏圖」(Nyquist
plot),或稱為「極座標圖」(polar plot):水平軸是「實數部」、垂直軸是「虛數部」, FRF的曲線圖,會形成一個「圓圈」,所以也有稱之為circle plot。在Accelerance「加速率」,「虛數部」最大值的頻率點,就是結構的「自然頻率」。
以上簡要的回顧先前單元,#223,說明了SDOF系統的三種「頻率響應函數」FRF的表示式,也繪製了圖示的表達方式以及解讀系統的𝒇𝒏「自然頻率」。
接著,就來觀察一個連續系統結構,實際上是一個矩形鋼板結構,實驗量測到的FRF「頻率響應函數」,就是Accelerance「加速率」,參閱左下方圖示,以下就依照主要的5種圖示,分別說明討論如下:
1. 「振幅」(amplitude)圖:可以觀到FRF曲線的峰值(peak)有4個,每一個peak所對應的頻率,就是結構的𝒇𝒏「自然頻率」,所以,在量測的頻率範圍,有4個「振動模態」(vibration modes)。注意:在此的「振幅」(amplitude)圖,垂直軸是以對數座標(logarithmic scale)呈現。
2. 「相位角」(phase angle)圖:在有「振動模態」的頻率區間,會有180度的相位角變化。而在FRF所對應變化180度相位角的中間值,等於90度,其對應的頻率會是:𝒇=
𝒇𝒏「自然頻率」。
3. 「實數部」(real)圖:結構的𝒇𝒏「自然頻率」,會出現在:通過「0點」的頻率。
4. 「虛數部」(imaginary)圖:結構的𝒇𝒏「自然頻率」,會出現在:有最大「峰值」的頻率。
5. 「奈氏圖」(Nyquist
plot),或稱為「極座標圖」(polar plot):可以觀察到有4個「圓圈」,對應的就是結構的4個「振動模態」。要區別哪一個「圓圈」是哪一個「振動模態」,就要繪製垂直軸是以線性座標(linear scale)呈現的「振幅」(amplitude)圖,每個「振動模態」的峰值大小,可以區別出對應的「振動模態」。每一個「圓圈」有最大振幅的頻率點,或是虛數部的峰值頻率,就可以取得𝒇=
𝒇𝒏「自然頻率」。
最後綜合這個單元的討論,如何繪圖呈現與解讀結構的FRF「頻率響應函數」,共有三組、5個重要圖示,彙整如下:
1. 「波德圖」(Bode plot):包含了「振幅」(amplitude)圖以及「相位角」(phase angle)圖。「振幅」(amplitude)圖。垂直軸,可以是以對數座標(logarithmic scale)呈現,或是以線性座標(linear
scale)呈現。
2. 「實數部」(real)圖以及「虛數部」(imaginary)圖。
3. 「奈氏圖」(Nyquist
plot),或稱為「極座標圖」(polar plot)。
另外,針對結構系統FRF「頻率響應函數」的Accelerance「加速率」,分別探討了兩個系統型式,包括:
1. 外力激振的SDOF系統:系統只有一個自由度(degree of freedom,
DOF),所以,只有一個「振動模態」(vibration modes)。
2. 矩形鋼板結構:在量測的頻率範圍,觀察到有4個「振動模態」(vibration modes)。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2024.04.05