模态空间是Peter Avitabile教授发表的系列模态解读文章。Peter Avitabile教授是美国麻省大学洛威尔校区UMASS Lowell机械工程系结构动力学和声学系统实验室的副主任，以及模态分析和控制实验室的主任。Peter Avitabile教授以略带口语化、生动而又幽默的语言，在每篇文章中集中介绍试验模态分析的一个主题，是非常好的试验模态分析的入门文章。它涉及到了试验模态分析的方方面面，是模态试验新手的入门极佳材料，学习它有助于理解什么是试验模态，以及取得高质量的模态参数。
在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译，得到了Peter Avitabile教授的书面授权，Peter Avitabile教授拥有文章全部权利，北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译，请保留本段的描述信息。
模态空间系列（二十五）趣味解读模态世界--对于所做的不同类型模态试验，哪种窗最合适？
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对于所做的不同类型模态试验，哪种窗最合适？
那我们讨论一下这个问题。
2013年12月29日发布 ver 1.0
这个问题问得好。我们回顾一下常用的激励技术及其相关的窗函数。实际上，利用FFT的傅立叶变换含有一些必须首先考虑的限制条件。这些要求有助于搞清楚为何使用某种激励，什么窗是最适合的。
首先我们记住傅立叶变换定义为从-∞到+∞。只要测得了整个瞬态信号或者捕捉到了一段重复的信号，就可以满足FFT的要求。如果这不满足，那么称为泄漏的最为重要的信号处理问题会导致严重的后果。窗是加权函数，用来减少泄漏的影响 — 泄漏的影响永远不能完全消除。这真是个问题，必须解决。那么基于这个基本事实，我们来讨论用于试验模态测试的不同类型的激励信号，并解释这些激励的常用窗函数。
锤击试验是一种非常常见试验技术，经常用于模态试验。锤击试验总是引起某种瞬态响应，它是阻尼衰减正弦波形的叠加。它属于这种情况，整个瞬态事件可以捕捉得到，故而满足了FFT的要求，泄漏不再是个问题。但是对于大多数结构，特殊是小阻尼结构，在捕捉数据的样本记录阶段，指数衰减响应常常没有充分地衰减。那么这意味着或许不能满足FFT的要求。这种情况下，常常对数据施加指数窗，于是，将数据进行加权以更好地满足FFT的要求。图1显示了一个锤击时间脉冲，原始时域响应以及加指数窗后的时间响应。
响应进行了指数窗加权，因而这个信号更好地满足了FFT处理的要求。好似捕捉到了完整的信号 — 但是以窗函数为代价。施加指数窗的另外替代方案是或者调整测量带宽以允许捕捉更多的时间数据或者增加总的样本点数，其直接影响就是采集更多的时域数据。任何情况下，如果在样本时段的尾部，信号没有基本衰减到零，那么就有必要采取指数窗来减少泄漏的影响。
在很多数据采集系统中，还有个力窗，可以施加到激励的冲击阶段。这个力窗用于减少力锤激励通道可能存在的噪声影响。通常，这个窗设置为样本窗的大约10%，使得冲击脉冲位于这个单位增益窗内 — 时间记录的其余部分加权至零。力窗或许并不总是需要，但大多数数据采集系统都有。非常值得注意的是这个窗永远不该用在试图去掉双击的影响上，双击在锤击测试时可能存在。采取力窗去掉双击的第二次冲击的影响会使得输入力谱严重失真。
至此已经解释了冲击激励。我们来讨论试验模态测试中常用的激振器激励的窗函数注意事项。最为常用的是随机激励。随机激励带来的问题是在采样时段内永远不会有重复的信号。于是需要窗函数来减少泄漏的影响。
随机激励最常用的窗上汉宁窗。但是必须指出，使用窗函数，为此目的的任何窗，会对测量的数据产生影响 — 但是为了减少泄漏影响，使用窗函数是必要之恶。记住通过使用窗函数只能减少泄漏的影响 — 永远不能完全消除它。所有的窗总是会对测量的幅值产生影响，跟真实幅值比变小了，而且一般情况下有这样的影响，跟实际存在的阻尼相比较，好像具有更大的阻尼。从随机激励得到的典型输入-输出测量结果如图2所示，在测得的输入和响应通道中都施加了汉宁窗。使用汉宁窗会引起最大16%之多的幅值失真。当然这要比不加窗泄漏导致的失真更好些。
因为泄漏及加窗带来的失真等相关问题，发展了其他的激励技术，特别意在消除泄漏及加窗需要。诸如伪随机，周期随机，猝发随机，正弦扫频和数字步进正弦等激励技术都发展出来了。（在将来文章中将讨论所有这些技术。）今天模态试验最常用的激励是猝发随机，下面进行讨论。
根本问题是除非捕捉到了完整的瞬态信号或者一段重复的数据，否则会有泄漏。所有的专门激励技术都意图按照某种方法来满足FFT的要求。若其满足，则无泄漏，那么就无需施加任何窗权重函数。在猝发随机情况中，激励信号按照在采样时间段内开始、在采样时间段内结束的方式施加到结构上去。这直接表明FFT处理的基本要求完全得到满足；这个信号没有泄漏，无需加窗。典型情况是，采样的50%～80%猝发是可以定制的，由操作人员来指定。现在输入激励信号没有泄漏，但是响应通道有些必须的注意事项。
当激振器激励结束的时候，结构的响应没有立即停止。一般来讲，激振器激励停止后，在响应通道中可以看到有些指数衰减信号。（实际上激励信号停止后，在激励通道中也可以看到测得的一些力信号；这部分输入是必须测量的，作为输入激励函数的一部分。）一个典型的输入-输出猝发随机信号如同3所示。
只要在样本点测量时间段的尾部测得的响应基本上衰减到零，则捕捉到了完整的信号，就无需施加窗权重函数。但是如果情况并非如此，则需要进行某些调整。为了捕捉到完整的瞬态信号，那么或者可以减少激励猝发信号的长度，调整带宽来提供更多的时域数据或者提供更多的频谱线数，这些在根本上增大了捕捉到的时域样本点数。通常所有这些都会有助于确保在采集到的数据样本点中捕捉到了结构的全部响应。一般情况下，这种激励技术无需加窗。实际上这种激励技术的目的就是消除任何权重函数的施加。这就会得到没有泄漏的测量结果，它满足FFT处理的周期性要求。
好了，对于这些最为常用试验模态激励技术，我希望你理解哪种窗是最合适的。（在将来的文章中将讨论其他激励技术。）如果你有关于模态分析的任何其他问题，尽管问我好了。
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模态激励全新的解决方案-WaveHitMAX自动脉冲锤
实验模态分析中必不可少的一环就是模态激励，昊量光电最新推出的这款智能冲击锤的发明为结构动力学应用提供了机械激励的新途径。智能意味着设备内部处理信号。模态锤WaveHitMAX保证了测试对象的全自动、可重复和高精度激励，而没有双重打击。用户可以根据不同的阻尼/延迟时间，设置撞击次数、冲击力和撞击之间的延迟时间。所有的预置，如零点或冲击力搜索，都是由锤子自动完成的。用户不再需要手动调整。
针对全自动冲击锤的研制，WaveHitMAX采用包括整个运动控制的闭环控制方法解决了这一问题。
图1. 用于脉冲锤内部运动控制的传感器-执行器控制回路示意图
对新型冲脉冲锤WaveHitMAX的系统设计进行了改进，使传感器信号作为运动控制单元的主要输入参数。这样，脉冲锤的手臂可以向上移动到试件的命中点，在那里，通过力传感器信号中的特征变化检测到接触事件，手臂的移动方向可以反转。
与半自动冲击锤相比，WaveHitMAX自动脉冲锤具有新的功能。内部信号处理的优点有:
• 全自动单击
• 自动搜索用户自定义的冲击力
• 自动零点搜索
• 确认对质量保证的影响
• 更改锤头与测试对象之间的位置，无需重新设置
WaveHitMAX自动模态力锤可以通过以太网在Windows设备(PC或平板电脑)上通过包含的软件快速、轻松地操作。
自动模态脉冲锤特点：
• 自动零点搜索
• 可重复的单击激发
• 内部传感器评估和过程控制
• 自动搜索和调整冲击力
• 位置的变化是自动预测的
• 通过附件配置脉冲特性
• 通过远程控制或集成到客户系统中来触发功能
• 在德国设计和组装
• CE认证
1.确保单次激发
双重撞击激励可以在时域和频域检测到
2.丰富的配件支持
不同的传感器-尖端-配重的组合。
综述上文介绍WaveHitMAX - 第一款用于全自动冲击测试的智能脉冲锤，在全新的AI智能脉冲领域实现真正意义上的全自动智能脉冲锤！
如果您对WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/details-1495.html
关于Gfai tech
Gfai tech GmbH一直在生产和销售"德国制造"的声音和振动测量和分析创新产品超过15年。作为应用计算机科学促进会（GFai）的100%子公司，它始终以行业为导向和以应用为导向。
Gfai tech以第一台模块化和灵活的声学摄像机而闻名，用于声源的定位，可视化和分析。如今，该产品组合还包括实验模态分析的创新以及用于监测、分析和评估声学测量数据的完整软件解决方案。我们的测量解决方案应用于汽车、工业、空中交通、火车交通和研发领域的降噪、错误检测和声音设计。
上海昊量光电作为gfai tech公司在中国大陆地区独家的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。对于WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。
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