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1 引言

石油是世界上最主要的矿物资源之一，除了作为重要的燃料和润滑用途之外，还是一种基础原料，广泛应用于化工、医药、食品、纺织等领域。数据表明，我国深层和超深层油气资源达671亿吨油当量，约占全国油气资源总量的34%。但是，在深层寻找石油和天然气资源却是一个世界性的难题。

地震勘探作为一种重要的探测手段，在地质勘察和能源勘探等领域发挥着重要的作用，是研究地下地层结构及地质信息的主要勘探方法之一。其工作原理是通过人工激发地震波，采集地震波在地下岩层传播中反射到地面的地震波场特征，进而处理分析获取地下岩层物性和形态的勘探方法，被形象地比喻为“给地球做“CT”。

地震勘探

而震源作为地震数据采集的重要组成部分，直接关系着地震勘探的勘探效果，一直是高精度地震勘探的重要研究内容之一。震源激发装置主要由液压控制系统、振动器、激发振动平板和其它辅助装置组成。激发平板主要向地面传递动态力，若震源的动态力引起了激发平板的共振问题，导致可控震源在激发过程中激发振动平板与地表耦合状况也存在较大的差异，这种差异导致了信号在激发过程中的非均匀性，则会导致震源传递信号的畸变，降低分析信号的信噪比，对后续的石油勘测精度带来影响。与此同时，共振还会引起整个激发平板结构的疲劳损伤。因此对震源激发板进行模态测试分析，了解其振动的危险频率点，即结构的固有频率点，并基于此进行动力学参数优化，可为保障整个结构的平稳运行提供可靠的试验数据支持。

震源激发平板实物及几何示意图

2 模态试验分析

模态是机械结构的固有振动特性，每阶模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。通过模态分析掌握结构在某一特定的频率范围内各阶主要模态的特性，可预测结构在此频段内的实际振动响应及危害。

模态试验与分析技术可分为二类试验：模态分析（EMA）、工作模态分析（OMA）。其中试验模态分析按激励方式又可分为激振器激励和力锤激励，适用于结构输入输出可测情况下的模态测试分析；OMA采用自然激励、环境激励，适用于大型复杂结构在运行状态或者输入不可测但输出可测情况下的模态测试分析。模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：

1) 评价现有结构系统的动态特性；

2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；

3) 诊断及预报结构系统的故障；

4) 控制结构的辐射噪声；

5) 验证有限元结果，并修正有限元模型。

汉航NTS.LAB模态试验平台支持锤击法、激振器法、工作模态等测试方法，采集各个测点自由度的振动响应，用相应的识别方法获取结构的模态参数（频率、阻尼及振型）。

3震源激发平板模态测试案例分析

为了解决在地震勘探过程中震源激发平板在工作状态下诱发的共振问题，改进设计结构，提升其工作效率及寿命，某石油勘探单位与汉航协同合作，使用汉航NTS.LAB软件及Hunter MF系列硬件，开展了石油勘探可控震源车激发平板的试验研究。

3.1 测试过程

针对某款可控震源车的震源激发平板，其震源激励信号频率分布区间为1.5-120Hz，为了在其工作过程中避免共振的发生，需要通过试验的手段获取其模态参数（固有频率、振型、和阻尼），避免在此区间内出现固有模态频率。

为了获取激发平板真实的模态数据，本次试验直接在场外进行测试，将激发平板按照工作实际条件压在地面上，使用锤击法进行测试。该款可控震源车分别进行了两次试验测试，第一次测试激发平板改进前的结果，第二次测试激发平板改进后的结果（主要是激发平板倒角的变化、平面结构修改），两次传感器粘贴及试验条件均保持一致。

锤击法测试及几何建模

    部分结构平面及边缘倒角的结构修改

本次试验共建立38个节点，分别为上平板：1-6节点、下平板：7-18节点、中间柱体：21-40节点。考虑到结构的对称情况及实际安装条件，在上平板（节点1、2、3，测试平面法向方向）；下平板（节点10-13，测试平面法向方向）；中间柱体（24、34、29、39，测试平面法向方向）粘贴加速度传感器，均测试平面法向方向：平面对应坐标Z向响应，中间柱体对应坐标X方向响应。

NTS.LAB锤击法模态测试系统流程图

3.2结果分析

基于采集的FRF矩阵，在汉航NTS.LAB 模态分析模块中经过计算得到各阶的模态参数，并对比两次的试验结果，如下表所示。

表1 第一次模态试验结果（平板结构修改前）

前6阶振型

表2：第二次模态试验结果（平板结构修改后）

前6阶振型

从两次试验结果可以发现：

1. 未修改结构的震源激发板在120Hz以内存在两阶模态，分别为94.782Hz（表现为柱体局部模态）和119.597Hz（柱体和激发平板的整体模态），由于震源载荷的方向性（与激发平板振动方向一致），因此119.597Hz会引起较大的结构振动，需要进行结构优化。

2. 经过修改的激发平面经过测试后发现，在120Hz以内仅仅存在1阶固有频率，为113.414Hz，且其对应的振型均表现为柱体的局部模态（振型方向垂直于载荷方向）。由于震源激励载荷方向为板平面的法向方向，因此不会引起结构较大的共振响应，修改的结构起到了正向的效果。

3. 其它更高阶的模态参数，可用于有限元的模型修正，提高有限元模型的精度，用于进一步的响应分析。

4总结

基于汉航NTS.LAB模态分析平台，通过锤击法方式确定震源激发平板的模态参数（固有频率、阻尼和振型），两次试验结果证明修改后结构的模态参数发生了正向的变化：提高了其一阶固有频率，在载荷方向上避开了震源的工作激励频率，证明了结构修改的有效性。更高阶的模态参数结果还可以对激发平板结构的设计优化、有限元模型修正、故障诊断提供试验数据支撑。

汉航NTS.LAB EMA试验模态测试分析模块支持多种高精度模态参数识别分析算法，如最小二乘复指数法、多参考点最小二乘复频域法、最大似然估计MLE等分析算法，保证获得可靠的模态测试结果，为结构的模态参数识别提供可靠的试验结果，帮助工程师对产品的结构设计、故障诊断提供参考方向。