实验背景

薄膜结构振动模态测试

薄膜结构的轻柔特点广泛应用于新型的航天空间结构和土木结构工程。但由于空气的影响，对地面实验状态中薄膜结构振动模态的测试结果和理论结果产生很大的差异，无法判断理论的准确性。所以设计本实验来研究真空状态下薄膜结构振动模态的必要性。本实验采用非接触扫描激光测振系统来测量。扫描式激光测振系统是力学实验研究中前沿尖端的振动测测试设备，其主要优势是非接触测量，可以实现工程应用中涉及到的高低温、真空环境等极端情况下的振动测量，同时避免了接触测量对被测结构的刚度以及附加惯性等影响而改变结构振动特性的测试结果，在航空航天、船舶海洋以及汽车等领域的工程研究中广泛应用。

由于扫描激光测振系统设备价格昂贵、操作要求高以及维护成本高等，需要专业技能较强的人员专门维护和操作，因此大多数学校不具备实验条件。真空设备操作复杂控制难度大，并具有很强的危险性。实验的高危险、高成本、长时间等特点，无法很好地组织学生进行线下教学。本实验项目很好地解决这些问题。

认识振动模态和学会振动模态的测量，是工程力学实验、动态测试技术课程必不可少的要求，利用激光测振实验涵盖课程的结构振动检测实验系统搭建、工程结构模态测量、振动信号模态提取分析等专业知识、以及结合测量和控制技术，填补了教学中对实践教学的缺失。

图1 模态测试原理

当被测膜结构在给定一定张力和真空条件下，利用激光测振系统测量膜面各点的振动信号，与激振器激励信号求取各测点的频响函数，通过集总平均方式得到总体频响函数，通过峰值拾取等方法拾取膜结构的各阶固有频率，并计算得到相应的模态振型。

图2 测试系统

图3 真空设备

图4 测试参数设置

图5 频响函数分析

图6 薄膜结构的固有频率和振动模态

图7 不同真空条件下薄膜结构的各阶固有频率的变化规律

激光测振系统及应用

PSV-500-1D 扫描式激光测振仪

可在距目标 0.125 米~50 米距离上测试，一次扫描完成从几个厘米小器件到数十米大结构的模态测量，测量点数可多达数十万点。用户无需建模，可在实物视频图像上快速、直接完成测量网格布置，并以每秒30点以上速度扫描，具有极高的工作效率。

扫描完毕后迅速以生动的三维动画或二维彩色图片等多种方式显示振型。该系统具有测量直观、高动态范围、高精度和高效率等技术优势，适应于物体的离面振动模态分析。

PSV-500性能参数
速度分辨率：好于 0.02μm/s/1Hz 带宽
频率范围：DC~25MHz
最大速度：±10m/s
工作距离：0.125m~50m
扫描点数：1~512×512 个
扫描角度：40°×50°,角度分辨率好于 0. 2°
扫描速度：每秒超过 30 个点
扫描对象：从小于 1 mm 到数十米结构均可
使用范围广泛,可测量从原子级微弱振动到百万 g 冲击
可升级成测量复杂结构三维振动特性的三维扫描式PSV-500-3D

PSV-500 的应用
汽车行业
-汽车刹车片、发动机等零部件的模态测试
-确定噪声来源和声频特性，提高 NVH 性能
航空航天工业
-航空发动机、涡轮叶片等模态测试
数据存储系统
-硬盘读写头的动态特性测试和振动分析
回转体的动态特性测试
-采用光学旋转解码器PSV-A-440对回转体进行跟踪采样，获取回转体的动态特性
机械设备、精密器件、大型结构等的整体及其零部件的振动状态测试
洗衣机、真空吸尘器、电动牙刷或电气工具的性能优化和质量控制
超声马达、超声波测试等
建筑物、桥梁或者其他大型户外构筑物等振动测试
声学领域
-小提琴等乐器的测试及振型优化
生物医药领域
-听力测试等

测试案例

太阳帆

航空发动机

起落架轮胎

微波真空器件控制栅网（直径10mm）

MEMS 压电马达定子（直径20mm）

叶轮的模态与疲劳分析

压电行波传输

风电电容器噪声控制

激光多普勒测振原理

激光多普勒测振仪原理:基于光学干涉和多普勒频移效应。其核心是一台高精度激光干涉仪和一台信号处理器。高精度激光干涉仪内的He-Ne激光器发出的偏振光(假设频率F₀)由分光棱镜分出两路，一路测量光，一路参考光。参考光通过声光调制器具有一定频移(F)，测量光被聚焦到被测物体表面，物体振动弓|起测量光的频移(f=2V/入) 。系统收集反射光并与参考光汇聚在传感器上，这样两束光在传感器表面产生干涉，干涉信号的频率为F₀+F+f,携带了被测物体的振动信息，信号处理器将多普勒频移信号转换为物体振动的速度和位移信号。
假设两束光强分别I₁和I₂的想干光束相互重叠，干涉条件:
I=I₁+I₂+2v ((I₁*I₂)cos[2π(f₁ -f₀)/)入]。传感器通过高通滤波，即可获得强度变化率f₁ -f₂即△f,在传感器表面产生干涉信号，而干涉信号的频率△f与频移效应有关。
多普勒频移: △f=2V/入，即△f与速度v成正比变化。
U = k*△f =2kV/入(k为常数)
令k'=2k/入，则v=k'U
k'为标定值(校准值)，当校准值k' = 1mm/s/v，测得速度值就是电压值。
结论: 输出电压与振动速度成正比，也就是说被测对象的振动信息可以用电压信号表示。

薄膜张拉机构

本实验的张拉结构装置

2008年北京奥运场馆水立方

水立方膜结构建筑采用ETFE膜材料设计，ETFE的中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物。ETFE膜材的厚度专通常小于0.20mm，是一种透属明膜材。

ETFE膜使用寿命至少为25-35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15-30米。

2010年上海世博会世博轴

世博轴是中国主入口和主轴线，地下地上各两层，为半敞开式建筑。世博轴是世博会一轴四馆五大永久建筑之一，是一个集商业、餐饮、娱乐、会展等服务于一体的大型商业、交通综合体。

世博轴的大面积的应用了PTFE这种新型的建筑材料，在全长1045米、宽约100米的世博轴上，有13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的膜布巧妙的构成了中国第一、世界罕见的索膜结构建筑，世博轴索膜结构采用的是连续张拉式的柔性结构体系，总长度约840米，最大跨度97米，膜面总投影面积约为6.1万平米，展开面积约为6.5万平米，单块膜最大展开面积约为1800平方，相当于一个足球场的面积，是当今世界强度最高的膜材，使用寿命达30年。该屋盖膜面面积、跨度都非常大，结构刚度小，对风载荷作用敏感，所以采用膜面加强方案，即采取增加谷索、稳定索、内桅杆共同承载的结构措施，以有效抵御载荷，提高结构的稳定性。