模态分析软件的选择
实验模态分析(简称EMA)是一种适用于众多结构振动分析情况的重要工具。模态分析软件的基本操作包括模态测试准备、FRF数据采集、模态参数识别和模态模型验证。EDM Modal是美国晶钻仪器公司（CI）对所有硬件实现的实时数据分析的PC软件。
模态实验准备事宜
在本技术说明中，重点讨论如何准备一个成功的模态测试以获取一组FRF信号的必要技术细节。
典型的模态测试准备会包括以下几个方面：
- 测量位置/方向(自由度):测量自由度是根据每个被测结构的尺寸创建的网格模型来设置的。每个测量信号都与一个唯一的测量自由度相关联。
- 传感器选择:传感器在获取高精度数据方面发挥着重要作用。传感器的选择需要与被测结构相匹配， 意味着尺寸和灵敏度应该与测试结构和测试量级的大小相匹配。
- 被测结构支撑:被测结构通常是使用弹性绳索悬挂，所谓的自由边界条件。有时被测结构也有可能已经安装在其运行环境中被测量。
模态测试准备
模态测试的目的是根据被测结构的网格模型来获取FRF信号。这一步至关重要，因为模态分析的成功很大程度上依赖于测量得到的FRF信号的质量。如果没有高质量的FRF数据，无论模态参数识别算法多么先进或者强大，都不可能获得可靠的模态参数。
从这个角度看，模态分析实际上依赖于测量精度。为了达到这个目标，需要仔细的测试、计划和执行。虽然参数识别起着相对较小的作用，但获得模态参数仍然至关重要。
被测结构网格
在开始数据采集之前，需要定义测量自由度。点的术语被用于定义被测结构的一个和每一个测量位置。在每个点上，有三个平移方向，X，Y和Z可以被测量，他们通常使用直角坐标系中的+或-，X，Y和Z坐标来描述。点数和方向的组合，例如+16Z被叫称做自由度。
实际使用时，在每个点上也都有转动自由度。由于它们的性质，这些转动自由度很难测量，通常也就不予以考虑。当传感器安装在相反方向时，可以将其标记为-X，-Y或者-Z。下图是一个圆柱体几何自由度的模型，每个点都有3个局部方向被标记。
在大多数情况下，被测结构都比这些简单模型要复杂得多。模态软件的几何编辑功能将使用组件处理这种类型的被测结构。每个组件都有自己的原点和定义的欧拉角。这允许组件利用其自身的局部直角坐标系来定义方向。
传感器选择
在运行各种类型的测试时，传感器在保证高质量的测量结果方面起着重要的作用。现在，大多数传感器都是IEPE型传感器。IEPE传感器的动态范围是限制FRF测量质量的一个因素，因此必须确保信噪比尽可能的高。IEPE传感器具有+/-5V的满量程电压，因此一个比较好的选用法则就是使传感器的最大电压高于0.5-1V之间。加速度计通常应具有高的灵敏度
，例如接近1000mV/g或500mV/g。
由于IEPE传感器有固定的测量范围，因此有必要在实验室设备中保留具有不同灵敏度的力传感器。有了这些多样性，就可以为每个测试选用合适灵敏度的力传感器。这同样也适用于力锤，配备有不同灵敏度和重量的力锤是很有帮助的。
另一个要考虑的选择是使用部分加速度计在结构上移动测量，而不是使用足够量固定的加速度计覆盖整个结构，直到所有的自由度都被测量到。这个选择通常受到实验室预算的限制，但应该清楚的是，为了得到高质量的结果，对许多结构有必要使用后一种方法。当使用移动加速度计方法时，结构可能会产生一些时间上的差异，这就是一个质量加载问题。
另外还有TEDS传感器可用，这是一种带有内置芯片的IEPE传感器，可以让测量系统读取每个传感器的型号、单位、灵敏度等等信息。
测试结构支撑n
测试前需要确定被测结构的支撑情况。这通常被称为测试边界条件。通常有两种可能的支持提供选择：自由状态条件，或实际安装。选择第一个选项自由边界条件的主要原因是最有可能得到好的测试结果。结构被自由支撑时，由激励引入到结构中的振动能量保持在实验结构中，直到它由于结构的阻尼而自然衰减。另一种情况下，当一个结构与它周围的世界相连时，大量的激励能量将会传递到周围的结构，这通常意味着获得良好的测试结果会更加困难。为了对结构的模态参数进行尽可能最好的估算，被测结构的支撑必需是自由-自由的。对于排除故障的情况，可以对结构在正常运行环境中进行模态分析。
自由-自由边界条件通常通过将测试结构悬挂在柔软的弹性绳索或者弹簧上来实现。根据测试结构的尺寸和重量，弹性绳索可以具有许多不同的尺寸和刚度。悬挂的弹性绳索应该足够的柔软，那么测试结构的质量和几何形状以及弹性绳的刚度产生的六个刚体模态应该不到被测结构的第一阶柔性模态的十分之一。
这在测试和悬挂细长的物体时尤为重要。一般来说，这些类型的结构通常应该垂直悬挂，使沿着物体长轴旋转的转动刚体模态变得足够低。对于细长结构水平悬挂，由于惯性距较小，因此转动刚体模态将呈现相对较高的频率。
在使用弹性绳索支撑被测结构时，应避免弹性绳索直接接触结构。这可能会增加结构的阻尼。相反，被测结构应该用普通的绳索或细钢丝绳直接悬挂，然后再连接到弹性绳上。
结束语
目前在振动测试行业，同时具有高通道数采能力、振动控制软件和模态分析软件的公司屈指可数，但CI公司做到了，用户仅仅需要购买同一套硬件，就能够完成数据采集、振动控制、模态分析和后处理的需求。
作者：美国晶钻仪器公司 Jeff Zhao
杭州锐达数字技术有限公司翻译