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《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,FRFFrequency 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「」。而「一系列」是指對所有的佈點,都要量測,所以可以得到168FRF,如圖示右下方,是其中一個量測點的FRFFRF也是一種「頻譜(spectrum),圖示顯示最高頻率是3000 HzFRF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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