Возникающие здесь ошибки не только влияют на каждое отдельное измерение частотных характеристик, поскольку эти ошибки, как правило, «скрыты», их трудно обнаружить визуально, чего нельзя сказать об измерениях выходного сигнала (или вибрации).

Точные и надежные измерения силы непросты и требуют рассмотрения нескольких вопросов при подготовке к испытаниям. Для прецизионной модальных испытательний, в которых используется один или несколько шейкеров необходимо рассмотреть следующие вопросы:

• Выбор лучшего места для модального шейкера
• Сведение к минимуму взаимодействия между модальным шейкером и объектом испытаний (ОИ).
• Распределение и минимизация уровней динамической силы
• Обеспечение достаточного запаса энергии в низкочастотном диапазоне

Основываясь на многолетнем практическом опыте модальных испытаний, модальные шейкеры Brüel & Kjær, каждый из которых отличается высоким отношением силы к весу, были специально разработаны для решения этих проблем и обеспечения наилучших результатов модальных испытаний с самой быстрой настройкой. С синусоидальной силой от 100 до 1000 Н, перемещением до 50,8 мм, магниевой арматурой со сквозным отверстием для упрощения работы со стингерами из натяжной проволоки, которая устраняет необходимость внешнего механического предварительного натяжения, а также внедрение технологии редкоземельных магнитов.

В некоторых моделях эта линейка надежных модальных шейкеров может справиться даже с самыми требовательными модальными испытаниями. Опциональная встроенная электрическая система предварительного натяжения стингера обеспечивает полную свободу выбора положения и ориентации модального шейкера. Это позволяет использовать превосходную технологию натяжения стингера без необходимости внешнего механического предварительного натяжения.

Доступен широкий ассортимент принадлежностей для точных измерений и простой настройки. Сюда входят датчики силы, импедансные головки, боковые стойки для горизонтального позиционирования и набор стингеров. Также доступны стальные двухтактные стингеры, а также различные растяжки с различными способами крепления, в том числе новый быстроразъемный фитинг для быстрой сборки и разборки двухтактных стингеров.

Введение: Модальные испытания с помощью шейкеров

Из очень полезного, но «академического» метода, требующего не что иное, как экспертные знания, экспериментальный модальный анализ за последние два десятилетия превратился в обычный инструмент в наборе инструментов для анализа звука и вибрации, легко доступный для большинства инженеров-испытателей. Причину такого развития понять нетрудно. Появление ПК и разработка недорогих, удобных для пользователя программных пакетов для извлечения модальных параметров были основными причинами широкого использования в настоящее время экспериментального модального анализа.

Тем не менее, несмотря на широкое распространение в последнее время и достижения в технологии программного обеспечения, экспериментальный модальный анализ или модальные испытания остаются заведомо сложным приложениями, особенно в критических сферах, где первостепенное значение имеют высокая точность и надежность. Понимание и правильное применение строгих математических процессов, связанных с разработкой модальной модели, является непростой задачей без глубоких знаний структурной динамики.

В то же время экспериментатор сталкивается с тем, что модальное испытание явно предполагает идеальную физическую модель — стационарную, линейную, причинно-следственную и наблюдаемую. Однако большинство структур редко ведут себя идеально, и при любом стенде для  модальных испытаний приходится решать (или предвидеть) множество сопутствующих проблем. Типичные вопросы включают в себя, какую стратегию испытаний — один вход, один выход (SISO), один вход, несколько выходов (SIMO), несколько входов, один выход (MISO), несколько входов, несколько выходов (MIMO) — выбрать? Какой тип граничного условия следует искать? Какую технологию преобразователя и какой рабочий диапазон выбрать? Сколько преобразователей использовать и какой способ крепления применить? И, наконец, какой тип и сколько источников возбуждения оптимальны для данного типа испытаний?

Достижение функций частотной характеристики высочайшего качества

Для высокоточных модальных испытательний, где один или несколько шейкеров являются естественным выбором возбуждения, последний вопрос в сочетании с расположением и ориентацией модальных шейкеров имеют далеко идущие последствия.

Вопреки тому, что думают многие экспериментаторы, измерение входного сигнала (силы) является одним из наиболее важных аспектов успешного модального испытания. Ошибки, возникающие здесь, будут не только влиять на каждое измерение функции частотной характеристики, но, что еще хуже, ошибки, как правило, будут скрытыми ошибками перемещения Что касается исходных данных, перед экспериментатором стоят и другие важные проблемы.

Взаимодействие шейкера и объекта испытаний

Эффективная механическая развязка испытуемой конструкции и модального шейкера сводит к минимуму «помехи» механического импеданса, вызванные возбудителем шейкером. На резонансных частотах, где впоследствии извлекаются модальные параметры, неизбежны спады силы, что снижает точность определения остатка (смещения формы моды).

Падение силы вызвано тем, что при резонансе конструкция становится очень податливой (высокие амплитуды колебаний при низких уровнях входной силы). Затем шейкер может использовать всю доступную энергию для ускорения своих собственных механических компонентов, не оставляя силы для приведения в движение испытуемой конструкции. Таким образом, к конструкции прикладывается очень небольшое усилие, и уровень сигнала силы может упасть до уровня нормального уровня шума в приборах.

Чем меньше масса подвижного элемента шейкера, тем меньше будет эта проблема.

Получение достоверных результатов измерения силы

Любой преобразователь силы в определенной степени чувствителен к нежелательным воздействиям окружающей среды, а также к изгибающим моментам и поперечным перемещениям. Существует множество причин боковых нагрузок и изгибающих моментов, которые необходимо учитывать при проведении модальных испытаний:

• Вращательное движение испытательной конструкции в месте расположения датчика силы
• Поступательное движение испытательной конструкции в любом направлении, кроме ведомой оси
• Вращательное или поступательное движение модального возбудителя на его стойке или подвесной системе, а также режимы изгиба стингера

Цель стингера (компонент, который соединяет модальный шейкер с датчиком силы/конструкцией) состоит в том, чтобы точно передавать осевые силы, а также изолировать и отделить датчик силы/импедансную головку от боковых нагрузок и изгибающих моментов. Соответственно, все современные современные конструкции стингеров основаны на концепции натяжной проволоки.

Тонкая металлическая (фортепианная) проволока будет иметь нулевое сжатие и незначительную жесткость на изгиб. Таким образом, испытательная установка натяжения проволоки используется таким образом, чтобы в проволоке было постоянное натяжение, на которое накладывалась колебательная сила (обычно импульсный сигнал, основанный на случайной выборке). Пьезоэлектрический преобразователь силы/головка импеданса по определению является активным преобразователем, который требует ввода динамической силы для получения выходного сигнала. Следовательно, постоянное напряжение не обеспечивает выходного сигнала входного преобразователя, и будет измеряться только колебательная часть сигнала.

На практике технология натяжения проволоки реализуется за счет использования конструкции модального шейкера и крепления шейкера со сквозными отверстиями, при этом шейкер может «скользить» по проволоке. Узел патрона, который прижимает шейкер к проволке в нужном положении, заменяет традиционный вибростол. В сочетании с боковой стойкой возбудителя концепция натяжной проволоки становится особенно простой и элегантной. Проволка проходит через шейкер, затем огибает шкив и соединяется с пружиной, закрепленной на основании стойки шейкера. Втулка с двойной резьбой, расположенная между пружиной и основанием, обеспечивает регулируемое предварительное натяжение.

Функция предварительного натяжения также может быть достигнута с помощью статического центрирующего устройства постоянного тока типа 1056 — опционального для усилителей мощности типов 2732 и 2720, но обязательного для типа 2721. Это позволяет использовать технологию стингера из рояльной проволоки без специального горизонтального крепления шейкера, как описано выше - особенно полезно, когда требуется установка в ограниченном пространстве или под наклоном.

Статическое центрирующее устройство постоянного тока типа 1056 имеет еще одно существенное преимущество при модальных испытаниях, а именно то, что оно позволяет испытательному образцу быть предварительно нагруженным. Многим конструкциям требуется точно контролируемая статическая предварительная нагрузка, чтобы компенсировать люфт в подшипниках, шестернях или соединениях. Неспособность применить такую ​​предварительную нагрузку часто добавляет существенные проблемы к алгоритму извлечения модальных параметров.

Уровни динамической силы

Есть несколько причин, по которым желательно возбуждать испытуемую конструкцию с минимально возможным уровнем силы более чем в одном месте ввода.

• Во-первых, слишком высокие уровни силы могут привести к нелинейному поведению конструкции.
• Во-вторых, более высокие уровни силы требуют более крупных шейкеров, которые по необходимости имеют более массивный якорь, что приводит к повышенному падению силы на резонансных частотах.
• В-третьих, большие и сложные структуры, которые проявляют локальные моды, обычно требуют ввода силы в нескольких распределенных местах, чтобы достаточно хорошо возбудить все моды.

В дополнение к вышесказанному, две моды, возникающие с одной и той же частотой, — ситуация, широко известная как «повторяющиеся корни», — могут возникать в определенных, в основном бисимметричных, структурах. Единственный способ получить допустимую модальную модель в такой ситуации — использовать модальную тестовую установку с несколькими входными данными (т. е. стратегию тестирования MISO или MIMO).

Выбор оптимального расположения шейкера 

Теоретически возбуждение в любом произвольном месте должно возбуждать все моды, кроме тех, которые имеют узловую линию в месте установки  шейкера. На практике, необходимо выбрать правильное расположение шейкера для данной моды. Это гораздо более требовательно, чем просто требование, аннуляциилинии узлов неудачных местоположений. Поэтому обычно необходимо оценить расположение шейкеров, прежде чем выбрать лучшее и наименьшее число. Этот процесс часто называют исследованием местоположения шейкера. Один из ключевых моментов — попробовать как можно больше мест расположения шейкеров.

Очевидно, что использование легкого модального шейкера является определенным преимуществом, поскольку его можно быстро и легко перемещать и устанавливать. Прочная и специальная боковая стойка шейкера, позволяющая легко позиционировать его с несколькими степенями свободы, является несомненным преимуществом.

Низкочастотные модальные испытания

Несмотря на то, что обычно предпочтительны меньшие и распределенные входные усилия, очевидно, что отношение сигнал/шум аппаратуры будет налагать ограничения на то, насколько далеко можно расширить этот принцип. Зная остаточный шум аппаратуры и зная (или, что более вероятно, предполагая) жесткость между заданным входом и выходом, можно легко рассчитать силу, необходимую для получения минимального уровня ускорения на определенной частоте.

Следуя хорошо известному соотношению квадрата частоты между виброперемещением и ускорением, сила, которая должна быть приложена для получения того же минимального уровня ускорения, возрастает экспоненциально с обратной частотой. На более низких частотах достижимый уровень входной силы одновременно определяется максимальным размахом перемещения шейкера.

Поскольку модальные испытания обычно проводятся на низких частотах (скажем, ниже 4 кГц), первостепенное значение имеет высокая способность перемещения модального шейкера. Де-факто отраслевой стандарт размаха перемещения обычных модальных шейкеров, по-видимому, колеблется в районе 2,54 см.

Качественные системы модальных шейкеров и экспертные знания

Очевидно, что аспекты входного сигнала (измерения силы) модального испытания, основанного на электромагнитных шейкеров, имеют первостепенное значение для успешного экспериментального модального анализа.

В линейке модальных шейкеров компания Brüel & Kjær применила комплексный подход к модальным испытаниям, чтобы обеспечить максимально возможное качество, точность и согласованность измерений АЧХ. Доступен полный ассортимент специальных принадлежностей, обеспечивающих непревзойденную степень высокоточного измерения и легкой настройки, включая датчики силы, датчики импеданса, боковые стойки для удобного горизонтального позиционирования, а также набор стингеров.

Модальные шейкеры B&K

• Номинальные усилия в диапазоне от 100 до 1000 Н 
• Полная линейка мощных согласованных усилителей мощности
• Легкие и прочные подвижные элементы из магния.
• Превосходное соотношение силы и веса благодаря уникальной конструкции, основанной на технологии редкоземельных магнитов.
• Перемещение от пика к пику до 50,8 мм для улучшения низкочастотных характеристик
• Широкий выбор аксессуаров, в том числе натяжные стержни и тросовые стингеры, цапфы и боковые стойки для шейкера.
• Способность легко встраивать стингеры с натяжной проволокой
• Электрические системы управления предварительным натяжением стингера