電子產品共振頻率檢測方法研究

張燦文，張 華

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

電子產品共振頻率檢測方法研究

張燦文，張 華

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

本文介紹了電子產品共振頻率檢測方法，主要有目測法、正弦掃描法、隨機振動法和模態分析法，并結合工程案例對幾種方法進行描述。

共振頻率；目測；正弦掃描；隨機振動；模態分析

引言

在現實生活中我們能看到形形色色的振動，有的可以直接應用，有的可以間接應用。篩分設備、輸送設備、粉碎設備以及家庭使用的微波爐等設備都是應用振動理論到實現生活的結果，振動技術普遍應用于機械、化學、力學、電磁學、光學及分子、原子物理學、工程技術等幾乎所有的科技領域。同時，振動也會帶來災害。尤其是發生共振時，會帶來極大的破壞。

1.振的產生與危害

什么是共振？共振是指一個物理系統在特定頻率下，以最大振幅做振動的情形。即系統受外界激勵，作強迫振動時，若外界激勵的頻率接近于系統頻率時，強迫振動的振幅可能達到非常大的值，這種現象叫共振。一個系統有無數個固有頻率，一般常研究低范圍的系統頻率。共振在聲學中叫“共鳴”，在電學中，振蕩電路的共振現象稱為“諧振”。從共振的特點來看，它不需要外部施加很大的作用力，而能自動進行能量的積累，如果不適當地利用或者避免它，共振會給我們的日常生活生產

帶來危害。最典型就是1940年11月7日那座舞動的塔科馬海峽大橋因大風的吹動引起橋梁的共振導致了大橋的坍塌；還有，當士兵以整齊的步伐通過橋梁時，當火車以額定的速度通過額定長度的鐵軌時，當大鐘被以固定的頻率和力度敲擊時共振悲劇瞬間發生；同時共振會對人體產生危害，相關部門規定要求用手工操作的各類振動機械的頻率必須大于20Hz，盡量避免振動源頻率與人體器官的固有頻率產生共振。共振同樣影響著電子產品的性能，當筆記本產生共振時，硬盤和內存位移達到極大，導致藍屏、螺絲松脫等現象，無法正常使用，這就要求設計時能避開共振頻率的破壞。以下就電子產品的共振頻率確定方法進行描述。

2.振頻率檢測

2.1.測法

目測法主要用于觀察運輸包裝件的危險頻率[1]。國際運輸安全協會標準ISTA-2A指出，少于68kg的包裝件可用彈跳振動試驗來考核包裝對樣品的保護性能。該標準規定了彈跳頻率的檢測方法，如：振動幅值25mm，從1Hz開始起振。在振動過程中觀察包裝件彈離振動臺面時的頻率和高度，若滿足要求則記錄該頻率為彈跳頻率，即危險頻率。目測法也可應用于要求觀測機械結構運動軌跡的場合，如紋波管、電路板的振動軌跡，再根據振動軌跡的最大振幅或結構變形來確定部件的危險頻率。利用頻閃儀能清晰地觀察到它們的振動狀況。它通過調節光的閃動頻率，使其與被測物的轉動或運動速度接近并同步時，被測物雖然在高速運動著，但看上去卻是緩慢運動或相對靜止的。這種視覺暫留現象，使人目測就能輕易觀測高速運動物體的運行狀況，從而能夠確定出被測物振幅的最大值及其對應的頻率。

2.2.弦掃描法

正弦掃描法和隨機振動法都是施加振動使產品作強迫振動，通過監測產品的振動響應，得出振動響應的FRF曲線，觀察分析FRF曲線來確定產品的自然頻率和共振頻率。使用正弦掃描法試驗時一般以低G值（例如0.5g1.0g）作為強迫力，由低頻往高頻依照一定的掃描率進行掃描。當激勵頻率與產品的自然頻率耦合時，從監測界面上看到產品振幅的變化，當振幅出現最大，產品振動劇烈時對應的頻率就是產品的自然頻率或共振頻率。一般結構對振動反應有一定的時間，低頻反應慢、高頻反應快，因此采用對數掃描率較為合適，避免因太快結構未能及時反應，信號虛弱無法辨識情況。

在進行共振頻率檢測試驗前必須先確定掃描的頻率范圍、器件的監測點和激勵量級大小。頻率范圍必須是產品在使用過程及運輸過程中主要會受到的頻率為主，在此范圍外的頻率可以忽略。以下就車載硬盤減震系統為例，對正弦掃描法檢測共振頻率進行說明。掃描時設定頻率范圍10-500Hz，掃描速率1Oct/min，激勵加速度為1g，經掃描得出頻譜響應。頻譜如圖1所示。

從響應曲線（紅色）和激勵曲線（白色）可看出車載硬盤在頻率430Hz附近時達到最大振幅，能量放大接近30倍，在低頻階段響應較為平緩，可認為該頻率是車載硬盤減震系統的共振頻率。

2.3.機振動法

除了正弦掃描法，還可以利用隨機振動來檢測產品的共振頻率。正弦掃描法在任意時刻只包含一種頻率的振動，而隨機振動法在任意時刻包含頻譜范圍內的各種頻率的振動，產品上所有的共振頻率都能同時激發出來。頻譜圖如圖2所示。

進行隨機振動法檢測共振頻率時，采用低量級的激勵源就能激發出產品的共振頻率，一般取0.001～0.01 g2/Hz功率譜密度。頻率分辨率精度影響著檢測結果的準確性，0.5～1.0Hz的精度可滿足要求，其它要求與正弦掃描法相同。以下就車載硬盤減震系統為例進行說明。檢測頻譜如圖3。

隨機振動設定頻率范圍10～1000Hz，采用汽車電子行業標準要求進行共振檢測。在高頻范圍400 ～1000 Hz，響應頻譜（紅色）能量有明顯的放大，在頻率大約460 Hz、800 Hz出現共振峰。與正弦掃描法所得結果相近。兩種結果的偏差是由于激勵方式不同所造成的。

2.4.態分析法

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，是系統辨別方法在功能振動領域中的應用。它能通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，包括固有頻率、阻尼比和模態振型。基本步驟可分為[2]：

1) 動態數據采集

通過對結構物施加一定動態激勵，采集各點的振動響應信號及激勵信號，根據力及響應信號，用各種參數識別方法獲取模態參數。激勵源可分為正弦掃描、隨機振動和脈沖響應，激勵方式可分為單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）和多輸入多輸出（MIMO）。

2) 建立結構模型

根據結構狀態和特征建立結構數學模型，作為計算及識別參數依據。可分為頻域模型、時域模型和混合模型。

3) 參數識別

利用識別方法得出結構模態參數模型，包括固有頻率、模態阻尼和各階模態的振型。

4) 振型動態再現

以動畫方式形象生動地再現幾何結構多自由度各階振動型態。

2.5.振頻率判斷

在檢測共振頻率過程中，往往會得出多個共振峰（如圖2），其對應的頻率不一定都是產品的固有頻率，需要結合共振幅頻特性和相頻特性來判斷。[3]

1)結合共振點幅頻特性判斷

幅頻特性曲線如圖4所示。

出現共振時，共振點幅值出現不少于2倍的放大，Q值（品質因子）越大，共振峰越尖銳。

2)結合共振點相頻特性判斷

相頻特性曲線如圖5所示。

隨著頻率的變化，監測點與激勵源相位差也發生變化。在共振頻率處監測點相位滯后激勵源90°，并在共振點前后相位差出現180°的突變。

結合以上兩點能準確判斷出共振頻率范圍。例如檢測頻譜如圖6、圖7，圖中顯示了傳遞函數（FRF）曲線與相位差曲線。在傳遞函數曲線出現了幾個共振峰，放大倍數超過3倍，但從相位關系看只有在120.0Hz和244.4Hz時相位差接近90°，而前后相位差變化明顯，可確定為共振頻率。

2.6.用場合

目測法適用于檢測包裝材料對產品的保護性能，能檢測出運輸過程中低頻對包裝的影響，同時也能直觀地觀察到振動環境下機械結構的運動狀況。正弦掃描法是檢測共振頻率的常用方法，對零器件、電路板、整機結構都適用。隨機振動法能在瞬間激發出產品上所有的固有頻率，但因固有頻率間的相互影響會給檢測結果帶來偏差。模態分析能系統全面地描述結構的振動特征，是了解產品結構性能的重要手段，常應用于軍品或航天工程研究分析，試驗成本相對較高。前三種方法的實現較簡便快捷，在試驗室和研究所已得到廣泛應用。模態分析技術復雜，對試驗要求相對較高，已成為一門學科。

3.束語

本文對共振頻率檢測方法進行了介紹，利用該方法能有效檢測出電子產品的共振頻率。對共振頻率進行駐留振動試驗能有效的發現產品問題，為提高產品的質量和可靠性提供依據。

[1] 電工電子產品環境試驗 第二部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）2008

[2] 傅志方 模態分析理論與應用 上海交通大學出版社 2000

[3] 顧海明，周勇軍 機械振動理論與應用，東南大學出版社，2007

Discussion on the Test Methods of Electronic Products Resonant Frequency

ZHANG Can-wen，ZHANG Hua
（Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection，Shenzhen 518055）

This paper introduced the electronic products resonant frequency test methods，including Ocular estimate, Sine scanning, Random vibration and Modal analysis method, and described these methods combined with project case.

resonant frequency；ocular estimate；sine scanning；random vibration；modal analysis

TN406

B

1004-7204（2012）03-0045-04

張燦文（1980-），男，廣東清遠人，工學學士，環境與可靠性試驗室工程師

張 華（1979-），男，江西萍鄉人，工學碩士，環境與可靠性試驗室工程師