1.3 纤维增强复合薄板振动特性的试验研究现状
1.3.1 纤维增强复合薄板振动测试技术概述
尽管目前工程界、学术界已对纤维增强复合薄板的振动问题，如固有特性、阻尼特性、动态响应及应力、复杂边界等问题开展了许多研究工作，但这些成果绝大多数以仿真研究为主，部分学者所做的试验研究工作也主要是考察复合结构的振动响应情况，或对提出的某种理论方法进行验证，并没有基于纤维增强复合薄板的结构特征，完整地、系统地、深入地研究其振动测试技术。下面从振动激励技术、振动响应测试技术和模态参数测试技术三个方面，分别进行概述，重点关注各种测试技术的优缺点，以便为设计和组配适合纤维增强复合薄板振动测试的实验系统提供选择依据，为研究和提高其固有频率、振型和阻尼、动响应和动应力的测试精度、测试效率等问题做好技术储备。
1.振动激励技术
随着现代仪器仪表技术、振动控制理论以及数据采集技术的不断发展，新型振动激励技术、激励设备也不断地被应用于结构的振动测试与研究中。按激励信号的类型，可以将振动激励技术概括为稳态正弦激振和宽频带激振两类，详细的分类如图1-4所示。其中，稳态正弦激振是20世纪60年代的主要激振方法，其优点是激振功率大、信噪比高、测试精度高，缺点是测试周期长，特别是对小阻尼的测试对象，每次激振频率的改变均需要较长的稳定时间，试验效率不高。随着以FFT为核心的信号处理技术的发展，20世纪70年代后广泛采用了测试效率更高的各种宽频带激振技术。包括脉冲、瞬态激振和纯随机、伪随机、周期随机激振都得到了迅速的发展。同时，还逐步出现了快速正弦扫频激励、步进正弦扫频激励等技术，非常适合检验结构系统的非线性特征。20世纪80年代后期，随着瞬态随机（Burst random）和周期性蜂鸣脉冲（Periodic chirp）激励方法的出现，使得激振技术又得到了进一步的发展，该激励方法结合了瞬态、随机、周期激振的优点，使宽频带激振技术带来的信号谱分析中的功率泄漏问题得到了较好的解决。
图1-4 振动激励信号的分类
另外，在对结构进行实际测试时，人们往往根据激励设备的类型与原理，将振动激励技术分为锤击激励、激振器激励、振动台激励、压电陶瓷激励、超声激励和激光激振等。其中，前三种激励技术已有半个多世纪的应用历史，而压电陶瓷则是最近一二十年来逐步发展起来的新型振动激励设备，声激励和激光激振技术一般被应用于以微小、轻质结构为主的特殊测试领域。下面对前四种激励技术的优缺点进行概述，为寻找适合复合薄板结构的振动激励技术，提供选择依据和评判参考。
（1）锤击激励技术 锤击激励技术自从20世纪80年代，就已经成为了解和改进结构动态特性的非常重要的途径，在工程上得到了广泛应用。锤击激励技术具有简便、经济、快捷等优点，而且无须预先安装调整，对试件附加质量、附加刚度或附加阻尼小。激振点和敲击力的方向也可以灵活选取，激励频段和激励精度一般都能满足工程测试的需求。缺点是：①激振力频率范围不易控制，仅适合于低频，对于高频模态则不易激发出来；②会引起结构的局部响应较大且衰减较快，导致全局模态不完整而局部模态占优；③由于振动能量分散，对于较大结构的信噪比不高，影响测试精度；④锤击有时可能连击和过载，造成结构不是单次激励，并引发非线性问题，降低测试精度。
（2）激振器激励技术 激振器激励技术是振动领域中广泛应用且较为成熟的一种技术，其避免了锤击激励时激振能量较低，受人为因素影响较多的缺点，激振频率和激励幅度都可以进行控制和调整，可以更加准确、可靠地为结构提供正弦、扫频、随机等激励信号。按照驱动方式的不同，激振器激励方法可分为机械式、电动式、电液式和电磁式激励等。机械式激振方法具有结构简单、振幅不随频率变化、成本低的优点。但由于机械结构所限，存在上限频率较低、调频装置复杂、有机械杂波、波形失真严重等问题。电动式激振方法具有线性好、波形失真度小以及容易控制等优点，是中、小型结构模态测试中主要使用的激励方式，激励频率范围一般为0～6000Hz，也有部分特制的电动式激振器的频率范围达到0～10kHz，甚至更高。然而，由于受固有磁饱和、功率损耗及发热等缺点的限制，不易获得较大的激振力。电液式激振方法具有激振力大、结构牢固、抗横向负荷能力强、可控性好等优点，但受电液伺服阀频宽的限制，难以实现高频激振。电磁式激振方法直接利用电磁力作为激振力，常用于非接触激振场合，容易实现随机激励，但波形失真大、不易进行振动控制，其上限频率为700Hz。
另外，不论何种激振器激励方法，其都需要通过力传感器来配合获得激振力信号，力传感器一般包括PE型（电荷式）和IEPE型（内置电荷放大器）两种形式，但两种力传感器的尺寸一般都不能制作得太小，自重通常达到30～50g（BK公司的8230型力传感器的重量为30.2g），这也造成了激振器激励时存在的一个主要缺陷：会在一定程度上破坏结构的动态性能，对试件带来附加质量、刚度以及附加阻尼的影响，特别是当测试对象为轻质、薄壁板类构件时，这种影响不能忽略。
（3）振动台激励技术 随着振动环境试验的迅速发展，振动台激励技术越来越引起广泛的重视和应用，它不仅应用于各类工程结构、产品的可靠性检验以及疲劳加速试验研究，而且还应用于结构固有特性和阻尼特性的测试环节。与激振器激励技术所采用的单一测点激励（或称作集中力激励）形式不同，振动台激励方法是一种惯性力激振，作用力分布于整个结构，使测试具有较好的信噪比，且没有任何附加质量和刚度的影响。本质上振动台激励技术所用的原理与激振器激励技术相同，因此很多书籍和文献将振动台与激振器两者归结为同一类型的激励设备，只是振动台可以提供更大的激励能量，采用了更精确的振动控制方法（一般都配置专用的功率放大器和控制器，通过控制振动台台面的加速度信号实现）。按照驱动方式的不同，振动台激励方法可分为机械式、电动式、电液式和气动式激励等，前三种激励方法的优缺点同激振器激励相同，这里不再赘述；振动台气动式激励方法则有别于其他激励方式，它利用振动台产生一种超高斯幅值分布的宽带随机振动，其激励频率最高可达10kHz以上，有效频带约为20～6000Hz，是近10年来出现的一种新型振动强化激励技术。国内到2007年为止仅引进了两台气动式振动台，西方国家对该类振动台的出口设置了诸多限制，目前该类技术也是国内部分学者的研究重点。
（4）压电陶瓷激励技术 20世纪60年代初，西方国家就开始了压电陶瓷微位移驱动器的研究，我国则是在1980年以后才对其进行研究和应用。压电陶瓷微位移驱动器常被制作成片状、圆形、圆环状或多层结构，但一般以片状结构型式居多，所以一般也称作压电陶瓷片。根据压电材料的逆压电效应，压电陶瓷片将会产生垂直方向和水平方向的变形，加载不同大小的电压和频率时，其会输出幅值不等的动态位移响应，若将其贴附于被测结构的表面，就可以实现对该结构的振动激励。由于体积小、重量轻、频响高、能耗低、不受磁场干扰等突出优点，压电陶瓷激励技术自20世纪80年代以来越来越受到广大科研工作者和工程技术人员的重视，特别在叶片、硬盘、薄壳等轻质构件以及MEMS微构件的高频激振方面，压电陶瓷激励技术在高频激振性能上相对于其他激励方式有着很大的技术优势。但由于压电陶瓷材料存在蠕变、迟滞等非线性特点，其制备工艺还存在一定的问题（如存在不能承受拉力和扭力的缺点），与其配套的驱动电源性能参数也会影响其激励性能，目前压电陶瓷激励技术还有许多有待改进和提高的环节。
2.振动响应测试技术
通常可以将振动测量分为接触测量与非接触测量两类如图1-5所示。其中，接触测量方法所用的传感器包括各种速度型、加速度型、电容型、电感型等传感器，后两种因受周围介质影响较大，目前已很少采用。一般采用蜂蜡、黏结剂、双面胶带以及永久性磁力座等安装方法将传感器布置到被测结构的测点上，但上述安装方式都会对振动测量精度和范围起到十分重要的影响。例如，常用的永久性磁铁固定传感器的方法会大幅度降低其安装共振频率，对于轻质、薄壁板构件造成一定的测试误差。另外，接触测量方式总会带给结构附加质量的影响，这对于要求精确获得薄板结构模态参数的试验研究有时是不能接受的。
图1-5 振动响应测量技术中常用的传感器
a）加速度传感器 b）电涡流传感器 c）激光多普勒测振仪
非接触振动测量技术主要包括涡流测振、激光测振技术等。其中，电涡流传感器由于价格便宜、测量范围大、灵敏度相对较高而广泛应用于旋转机械振动监测领域。但其涡流效应需要探头与被测表面之间的距离较近（一般为2mm），只适合均质光滑的测量表面，且对被测结构的材质较为敏感，测试结果容易受到温度的影响，安装调整不方便，不适合用于非金属材料及结构的振动响应。
相对于涡流测振技术，激光测振领域比较常用的技术包括下面三种，分别为：激光多普勒测量技术、激光三角法测量技术、全息干涉测量技术和散斑法测量技术。下面详细比较它们各自的优缺点，为寻找适合复合薄板的非接触振动测量技术，提供选择依据和评判参考。
（1）激光多普勒测量技术 1842年奥地利物理学家多普勒观察木星卫星运动时发现光波频率偏移，后人将这一现象称为“多普勒效应”。20世纪70年代后，激光多普勒技术已从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域；国外厂商已经开始向市场提供比较完备的激光多普勒测振仪，其具有非接触测量、空间分辨率高、测量范围广、测量距离可调、抗电磁干扰强、动态响应快、对横向振动干扰不敏感等突出优点，且测试精度可达到纳米级，并适合高温、旋转态振动测量。但通常所用的激光多普勒测振仪只能实现结构的单点测量，这是它的主要劣势之一，虽然20世纪90年代后，市场上又出现了扫描式激光多普勒测振仪，但整个扫描过程中，需要假定结构的振动状态维持不变，不能实时获取非稳态结构的完整振动信息。
（2）激光三角法测量技术 激光三角法是光电检测技术的一种，由于该方法具有结构简单、测试速度快、精度可以达到0.01mm或更好、不受被测材料性质的限制、使用灵活方便等优点，在结构的振动测试方面也得到了一定程度的应用。但其测试精度对结构表面的粗糙度、反射率和倾角过于敏感，对测量环境要求也比较苛刻，且容易受到激光光源光强变化的影响。
（3）全息干涉法测量技术 早在1965年Powell和Stetson就将全息干涉测量技术应用于振动测试。全息干涉测量技术不仅记录了物体的振幅变化，而且记录了物体的相位变化，用全息干涉测量技术还可以对结构的振动进行非接触、全场、实时测量，这是全息干涉法测量振动的主要优点。但由于要用胶片做记录介质，需要经过冲洗等费时费力的化学过程，并且全息法在许多场合被认为太灵敏，它记录信息过多，记录介质的分辨率要求过高，操作过程复杂，因此很难在实践中推广应用。
（4）电子散斑法测量技术 电子散斑干涉测量技术是一种利用激光或相干光源对具有漫反射面的被测物体进行非接触全场量测试的技术，由于具有非接触、高精度和全场等优点，其在结构的振动测试中一直为人们所重视。但散斑照相法通常利用银盐干板做记录介质，不仅费时费力，操作过程复杂；而且干涉条纹图的处理极其费时，仪器的价格也非常昂贵，这些都导致了推广电子散斑法测量技术的困难。
3.模态参数测试技术
（1）试验模态测试技术 从20世纪60年代至今，试验模态测试技术吸取了振动理论、信号采集与处理技术、数理统计以及自动控制理论的研究思想，形成了一套独特的测试理论，主要从所测得的激励与响应信号中去辨识结构的模态参数，一般获取被测结构的固有频率、阻尼比和振型，必要时还能获得模态质量和模态刚度等参数。“试验模态”这个名词是在其原理提出许多年后才被使用的，名称的演变经历了不同的阶段，人们曾使用过“共振实验法”和“机械阻抗法”等名词来描述模态试验。重要里程碑是1947年Kennedy和Pancu的论文以及1963年Bishop和Gladwell的论文。20世纪80年代以来，出现了商业化模态分析软件，使得模态测试技术得到了更加广阔的应用。
试验模态测试技术发展到今天，已经成了结构振动与噪声测试、动态性能评价、故障诊断等领域必不可少的工具。虽然广大科研工作者对经典的试验模态测试技术进行了卓有成效的改进和提高，但面对复杂多变的应用领域和测试对象，该技术仍然存在不少缺点与问题。例如，必须同时获取结构的振动激励信号和响应信号，通过对两类信号组成的频响函数进行辨识，才能获取结构的模态参数，这对于一些体积、重量庞大的工程结构，存在难以激发结构振动的问题，或者需要特殊的设备去进行激振，大大增加了模态参数测试与辨识的成本和难度；且现有的时、频域模态识别方法，在如何识别密频模态，如何解决模态遗漏问题、如何有效地甄别和剔除虚假模态、噪声模态等方面还存在一定的问题。
（2）纯模态测试技术 纯模态测试技术是试验模态测试技术的一种特殊形式，其悠久的历史甚至超过了经典的试验模态测试技术。早在1950年，美国学者Lewis和Wrisley就首次对飞机结构开展了纯模态测试试验。其后Veubeke提出了纯模态测试的理论基础，Bishop又在20世纪60年代后对其进行了详细论述。随着试验设备和方法的不断发展，该技术在20世纪60年代中期就广泛应用于飞行器以及大型复杂结构的模态测试中。
纯模态测试技术对于结构模态参数的测试精度较高，对于在频率密集处产生的模态重叠或由于阻尼力耦合而产生的模态重叠也有较好的识别效果。特别是对于一些大型复杂结构，由于质量大、激振困难、模态密度高、非线性因素强，都必须采用纯模态的试验方法。但其测试效率低下，时间花费和设备投资都很大，往往需要多个激励设备同时对结构进行激振，每阶模态测试都需要不断地调整各个激励通道对应的激励力的幅度与相位，且较为依赖于手工操作和经验判断，使得试验周期拖得很长。
（3）正弦扫频测试技术 早在20世纪60年代，正弦扫频测试技术就已经成为解决各种机械和结构振动问题的重要手段。该技术在实际使用时，一般分为线性扫频和对数扫频两种形式，具有能量集中、扫频范围灵活、信噪比高、易于进行试验控制和监视简便等多项优点。因此，在振动测试领域，被当作有效获取结构部分模态参数的一种重要测试手段。如果能稳定控制正弦扫频的精度与速度，该方法在固有频率和阻尼参数的测试精度上，要优于脉冲锤击法或稳态随机法，但也存在下列缺点和问题：①只能用来获取结构的固有频率和阻尼参数，一般情况下不能使用该技术获取结构的模态振型；②为了避免测试误差，在测试固有频率时需要控制扫频速度，导致测试效率较低；③正弦扫频具有非稳态的信号特性，在对其进行频谱分析时，不能直接使用FFT变换技术，否则会导致一定的测试误差，且存在泄漏问题。
综上，只有深入了解纤维增强复合薄板的结构特征与振动特点，选取适合复合薄板结构的振动激励、响应测试以及模态测试技术，才能准确、高效地获取被测复合薄板的振动参数。特别是在实际研究中，由于不同激振方式和振动响应测量方式等，都会对轻质复合薄板的固有特性、阻尼特性产生影响。因此，有必要探索并寻找适合纤维增强复合薄板振动参数的先进测试方法，排除那些不能满足测试需求的实验手段或能力达不到测试要求的设备，并合理地设计与组配实验系统，提出规范的振动测试流程，尽可能提高测试效率。
1.3.2 纤维增强复合薄板振动测试研究现状
根据1.3.1节介绍的振动测试技术，国内外学者对纤维增强复合薄板结构的线性及非线性振动问题进行了诸多实验研究，已经取得了阶段性的研究成果。在国外，来自美国伊利诺伊大学的Schultz和空军材料研究所的Tsai在1968年首次对玻璃纤维/树脂复合悬臂板的阻尼进行了测试，在频率范围5～10kHz内，发现复合梁的阻尼具有频率依赖性，即在不同的激振频率下，复合梁结构表现出不同的阻尼值。经过与金属铝悬臂梁相比较，研究发现纤维方向分别为0°、22.5°、45°和90°的复合悬臂梁的阻尼值一般为1%左右，是金属悬臂梁阻尼值的5～30倍。Oh和Nayfeh测试了石墨纤维/树脂复合薄板在不同激振幅度和频率的振动响应，通过频谱分析发现高频低幅值的振动激励可导致复合结构系统产生低频高幅值的振动响应。Turvey等研究了不同边界条件下带孔的纤维增强复合薄板的振动问题，利用扫频测试方法获得固有频率，并利用抛沙法获得模态振型。Harras和Benamar对新型航空材料制成的Glare3复合薄板结构进行了测试，发现其模态振型在一定程度上具有振幅依赖性。由该类型材料构成的复合薄板，其第一阶振型对应的非线性频率要比线性结果增大32%左右。Tita等采用锤击法完成了不同纤维方向下复合薄板模态振型测试，发现虽然可以获得绝大部分振型，但由于复合薄壁结构件重量轻、壁厚薄，采用传统的接触式测振方式将不可避免造成实验误差。Kostopoulos和Koro-ntzis对［±45/0］S和［45］12碳纤维/树脂复合悬臂板的非线性刚度和阻尼系数也进行了实验测试，通过自由振动衰减法获得了小振幅激励情况下前四阶固有频率和阻尼参数，发现该类型复合结构的阻尼与激振频率存在明显的依赖关系，如图1-6所示。Chaudhuri等采用激振器对纤维复合薄板进行激励，并通过手动方式在其长、宽方向移动加速度传感器来获取固有频率和模态振型，研究发现由于激振、测振方式均存在附加刚度和质量的影响，上述测试结果在准确性上还存在一定问题。且如果测点数量较多，还需要不断地粘贴布置加速度传感器，导致测试效率低下。Mota等研究了具有各向异性特点的复合薄板振动测试技术，利用激振器和激光多普勒测振仪来获取频响函数，并通过模态识别方法获取了固有频率和振型结果，研究认为激光测振方式可以更加准确地获取轻质复合结构的振动信息。Matter等采用扬声器对复合薄板进行非接触激励，并测试获得了复合薄板在自由状态下的固有频率、阻尼比和模态振型。Zergoune等分析了纤维增强复合薄板的非线性振动问题，研究发现其第一阶振型曲率随着激励幅度的增大而显著增大，其振型节线更易于出现在纤维方向上，同时弯曲应力、长宽比等参数的变化也对模态振型有重要影响。Iriondo等同时对玻璃纤维/铝基复合薄板和自增强聚丙烯（Self-reinforced polypropylene）复合材料薄板的阻尼进行了测试，并通过半功率带宽法获得其阻尼系数。研究发现上述复合薄板的阻尼与激励频率密切相关，且通常会随着激励频率的增加而增大。Hui等对纤维增强复合薄板的非线性振动特性进行了测试，并获得了其在不同激振幅度下的频率响应曲线，如图1-7所示。研究发现由于基体材料的黏弹性效应影响，其固有频率和阻尼系数通常会随着外激振幅度的增加而发生改变，称为应变或振幅依赖性。
图1-6 ［±45/0］S和［45］12碳纤维/环氧树脂薄板的激励频率与阻尼系数的关系
图1-7 纤维/树脂复合材料薄板在不同激振幅度下的频率响应曲线
在国内，邹志明搭建了模态测试系统，获得了二维机织纤维复合薄板的频响函数，并提取了前五阶固有频率和模态振型，发现复合材料的制备工艺及测试传感器的附加质量对模态参数有着很大的影响。漆文凯等对自由和悬臂两种边界条件下的无损伤和有开孔损伤的T300/BMP316复合薄板开展了试验研究，获得了相应的固有频率和振型，并分析了开孔位置、开孔大小等损伤参数对其固有特性的影响规律。赵龙胜和宋福英使用力锤多点激励方法，获得了四边简支边界下纤维增强复合薄板的前三阶固有频率与振型结果，但由于敲击点数量较少，实际测试的模态振型和理论分析结果尚存在一定差异。杨云昭等对国产JHT300-3K和MT300-3K碳纤维梁结构的阻尼特性也进行了测试，研究发现增大铺层角度，损耗因子增大，且随着振动频率变化，在某一频率下存在最大的损耗因子。张伟教授团队针对碳纤维复合薄板也进行了非线性振动测试研究，在简支边界条件下利用电磁振动台以定幅、缓慢扫频的方式，通过对比在不同扫频方向获得的响应信号频谱及其发生跳跃现象对应的频率，来判断复合薄板结构的硬式、软式刚度非线性特征，初步确认了一套可行的非线性振动参数表征测试方法。
从上述研究现状可知，人们对纤维增强复合薄板开展线性振动测试工作的较多，针对其非线性振动问题开展测试研究的较少，相关测试结论还不是很明朗，也缺乏有效的数学模型来描述其表现出的非线性刚度和阻尼现象。另外，由于纤维增强复合材料各向异性的本质特点以及非线性跳跃现象的干扰，致使测试其宏观结构随频率和振幅变化的阻尼参数变得越发困难。这就需要在振动测试技术方面，对现有的方法进行改进，以便可以深入研究其非线性阻尼的变化规律。