模态分析的定义
模态分析，是获取结构固有振动特性的过程。一旦掌握这些特性，结构在特定激励下产生的所有复杂振动，均可表示为这些固有振动状态的叠加。因此，若已知固有振动状态，即可对结构的大部分振动行为进行预测。固有振动状态由振型、固有频率及对应阻尼共同定义。
结构的振动模态，既可以通过有限元(FE)模型等方式纯仿真得到，也可以通过对实测数据拟合数学模型推导得出，后者即称为试验模态分析。
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试验模态分析与模态测试
模态分析作为一种重要手段，通过频率、阻尼和振型这些固有特性，也就是结构的动态属性，来刻画振动结构的特征。标准试验模态测试系统包含传感设备(力传感器、加速度传感器、摄像设备、非接触式激光测振仪)、数据采集装置，以及用于监测、分析测量数据的计算机(DAQ)。
本文暂不涉及复杂数学推导，这份配套白皮书将讲解结构振动基础概念，以及求解结构动力学问题的常用数学方法。欢迎注册并免费下载白皮书。
如何确定模态分析中的固有频率？
本应用笔记将介绍如何借助先进的激光多普勒测振技术及适配的激励方法，快速、精准、非接触地测定零部件的固有频率与振动模态。文中还将探讨自动模态力锤与激振器，以实现动力学特性的可靠分析。
试验模态分析的应用
开展试验模态测试时，首先采集结构随频率变化的振动响应。激励信号需具备宽频特性，以激发所有目标固有频率。通常也会同步采集激励频谱，进而记录频响函数(FRFs)对应的响应与输入力数据。
测试装置需规范布置，规避环境及激励过程带来的干扰。常规做法是将被测结构悬挂于柔性橡胶绳，或放置在软性泡沫上，实现与外界解耦，再搭配模态力锤完成激励。
基于宽带压电激励的测量
本文以齿轮为例，对多种形式的力激励进行比较，旨在确定机械系统的传递导纳。其目标是分析和评估技术结构（如电动汽车传动系统）在高频范围内的声学特性。实验表明，采用宽带压电激励时，收集到的测量结果一致性更高，尤其是在高频段。
制动盘的试验模态分析
仿真模型的验证是激光测振仪的重要应用领域之一。为此，先将有限元模型的几何数据导入至测量系统的软件中，由系统内置的校准系统完成模型与实物之间的校准，导入的样品几何数据与其实际的几何数据之间的偏差，都将由软件内置的形貌测试程序来进行修正并更新至模型中，这种方法精确度高，还能节省大量时间。
边界条件，测试误差，可重复度
在MAN ENERGY SOLUTIONS，我们为海事部门提供系列综合发动机、螺旋桨、艉部设备和涡轮增压器。可靠性是我们行业（尤其是船舶业）关注的第一要务。在产品的研发阶段，我们使用德国Polytec公司的扫描式激光测振仪来获取测试数据，不断地对样件进行模态验证及模型优化，测试，直到部件可以进行量产。
激励力
人工激振是各種噪音與振動技術的基礎，涵蓋實驗模態分析、傳遞路徑分析、載荷識別、模擬模型相關性分析、混合建模等領域。結構激振可透過多種方式實現，從手動衝擊錘、自動化錘具，到外部支撐式振動台乃至自支撐式振動台皆可達成。
轻量化结构的试验模态分析
试验模态分析中的激励方式
开展振动测量与试验模态测试时，被测结构必须产生振动。电机、风扇等设备可自行运转产生振动，其余结构则需要外部施加激励。针对自振结构，可采用工作模态分析；外部激励结构则是试验模态分析的主要测试对象。
试验模态分析有多种外部激励方式，常用类型包括激振器激励、扬声器宽频噪声激励，以及手动/自动模态力锤激励。
试验模态分析常用激励信号：
SIMO和MIMO模态测试方法
常规测试采用 单输入多输出(SIMO)模式，也是最通用的测试配置：使用单一激励源，搭配多路响应通道，可外接多枚加速度传感器，也可借助扫描式激光多普勒测振仪(SLDV)，通过激光束扫掠构件表面采集数据。测试结果可直接导入曲线拟合软件，解算得到各阶模态参数。
多输入多输出(MIMO)模式适用于大阻尼大型结构，或单点激励无法激发全部模态的场景(如制动盘这类对称结构)。
模态测试是密集模态结构的一项常规测试。结构的不同模态可能具有几乎相同的共振频率。例如，板结构的特定弯曲模态可能与其扭转模态出现的频率几乎相同。这种“偶然”的频率简并在更复杂的几何和结构中也是常见的。
模态分析中，对密频耦合模态结构开展测试是一项常见工作。很多结构会存在谐振频率近乎一致的模态，例如板件的弯曲模态与扭转模态频率可能高度接近。这种 “偶然” 频率简并现象，在造型与构造复杂的结构中十分普遍。
而对于高对称设计的结构，模态耦合属于 “设计固有” 的特性。有限元（FE）仿真中，这类模态可被清晰区分，但在实际测试里，从测量数据中分离模态往往难度较大。
本应用笔记介绍一种全新方法：结合 ** 多输入多输出（MIMO）** 测试、三维扫描激光测振仪与两台自动模态力锤，实现密频模态分离。如需阅读完整文档，可进行订阅。
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试验模态分析(EMA)软件
工作变形作为试验模态测试的结果，可看作是特定的模态试验激励的结果。为了将这些测试结果与基于有限元模型的数值模态分析的计算结果进行比较，需要进行第二步操作，即曲线拟合。在纯测试结果中，模态仍可能发生耦合。机械系统的动力学特性可以描述为特征模态的叠加，一个模态被认为是一个单自由度(SDOF)。在曲线拟合中，有多种方法提取SDOF结果，典型的是基于奇异值分解(SVD)。
试验模态分析软件包(如PolyWave)可进行曲线拟合，并将EMA测试结果与FEA结果在MAC分析中进行比较。再将研究结果，如阻尼值、特征频率和特征向量，反馈到模型中更新有限元模型参数。
试验模态分析的测试解决方案
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对于形状复杂的大型结构，基于工业机器人的自动化测试能够显著减少测试时间和成本。
Polytec 在全球范围拥有如下结构测试中心——德国瓦尔德布隆，普利茅茨，美国密歇根，日本横滨，可进行测试服务。
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