05.08:為什麼力脈衝會出現振鈴現象?

2021-01-21 模態空間

有時錘擊力如預期一樣光順,但經常出現振蕩,為什麼?

讓我們考察一些測量並探討這個。

 

很多時候進行錘擊法測試時,力脈衝都是規則的半正弦脈衝形狀。錘擊力信號的時域波形首先從零開始,然後是脈衝,最後再返回到零。然而,很多時候力脈衝在半個正弦脈衝末端出現圍繞零值發生振蕩現象。為什麼會出現這種現象?是否可能是由連擊引起的?是否需要加窗函數以最小化這個影響?


要回答這個問題,需要涉及到很多方面,在這一篇文章中不可能全面覆蓋到這些方面。這個現象稱為「濾波器振鈴」。讓我們進行一些簡單的測量去說明這個經常出現的問題,僅僅通過一些簡單的測量,就可以觀測到這個效應,用這些簡單測量實例能更方便地理解與說明這個問題。


許多FFT分析儀,使用過程中都遇到過這個問題。在這兒進行的測量與討論,我打算使用通用的BRAND XYZ牌FFT分析儀。用力錘和響應加速度計對一個典型結構進行一次典型測量,然而,在這僅討論錘擊力。它們當中的一些力脈衝形狀非常規則,與我們在教科書裡看到的一樣。但是其他一些力脈衝在時域脈衝末端出現了振蕩現象,宛如單自由度系統的響應。這個現象經常被稱為「濾波器振鈴」現象。這是由位於模數轉化器(ADC)前端的模擬抗混疊濾波器引起的。力脈衝激起了模擬抗混疊濾波器本身的一些固有頻率的響應,而這些響應出現在力脈衝時域波形中,這是出現振鈴現象的真實原因。力脈衝激起不同的頻率範圍依賴於使用激勵結構的錘頭,這一點每個人都明白。


但是問題就出在這,依賴於選擇的頻率範圍(帶寬),可能導致使用的分析儀出現或者不出現濾波器振鈴現象。在考慮FFT分析儀內部工作原理之前,表面看來這似乎是不合理的。通常,FFT分析儀製造商在分析儀內部安裝了不同組數的抗混疊濾波器,一組為低頻工作,一組為高頻工作。如果你測量低頻帶,低頻濾波器就會工作。如果使用軟錘頭,那麼將不會顯著引起濾波器振鈴現象。但是如果使用稍微硬一點的錘頭,那麼錘頭激勵的上限頻率範圍可能將激起低頻的模擬抗混疊濾波器。濾波器本身被激勵,相應地將產生動力學響應特性,並在力脈衝波形中體現出來,這就是濾波器振鈴現象


因此,讓我們進行一些測試,用於說明濾波器振鈴特性,並且明白設置不同的頻率帶寬對觀測到的濾波器振鈴有何影響。在這將使用四種不同硬度的錘頭,設置兩組不同的頻率範圍。四種錘頭分別為非常軟的紅色氣囊錘頭、中等硬度的藍色塑料錘頭、較硬的白色塑料錘頭和金屬錘頭。每種情況下,錘頭錘擊結構便獲得一條時域力脈衝波形。在一組測試中,設置頻率帶寬為400Hz,另一組測試中,設置頻率帶寬為1600Hz。下圖中顯示為這兩組不同帶寬、不同錘頭錘擊得到的力脈衝時域波形。兩圖從頂部到底部,分別對應的錘頭由最軟到最硬。


注意到400Hz帶寬內,隨著錘頭從軟到硬,濾波器振鈴現象越來越明顯。這是因為越硬的錘頭能激起更寬的頻率範圍,這樣硬錘頭激起低頻抗混迭濾波器響應的可能性大大提高。比較400Hz和1600Hz的帶寬,濾波器振鈴有明顯的變化:1600Hz帶寬幾乎沒有任何濾波器振鈴現象。二者唯一不同之處是選擇的帶寬不同。

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