振動試驗技術綜述

劉宗華++劉天同++董達

摘 要：該文講述了振動試驗（正弦振動、隨機振動）的原理、參數識別、計算公式，重點講述了隨機振動試驗技術，包括試驗容差要求、振動條件疲勞等價關系以及振動控制理論、方法等。另外，還介紹了振動夾具的設計要求、測試方法等。

關鍵詞：隨機振動 試驗技術 振動控制

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動試驗是在實驗室條件下產生一個人工可控的振動環境，該環境模擬產品生命周期（制造/維修、運輸、工作、其它）內的使用振動環境，使產品經受與實際使用過程的振動環境相同或相似的振動激勵作用，考核產品在預期使用過程的振動環境作用下，能否達到設計所規定的各項技術要求，同時也是考核產品結構強度和可靠性的一個主要試驗方法。因此，振動試驗是產品可靠性試驗的重要組成部分。

1 正弦振動試驗

1.1 正弦振動試驗原理

振動變量是正弦函數形式的一種振動試驗。

振動函數為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動試驗方法

常用的正弦振動試驗分為：定頻振動和掃頻振動。

定頻振動是指頻率一定，振動加速度（或幅值）、試驗時間可變的正弦振動試驗。

掃頻振動即正弦掃描，指按規定振動量的正弦波，在試驗頻率范圍內，以某種規律連續改變振動頻率以激勵被試件。掃描時頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對數掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動試驗的峰值加速度要求

（1）振動環境：保證在規定頻率范圍內，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規定值的±10%。

（2）振動測量：保證在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上的正弦峰值測量數據，其偏差在振動量值的±5%之內。

（3）均方根加速度值：正弦振動均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機振動試驗

2.1 隨機振動定義

振動變量是一種隨機變化的振動試驗，在任意給定時刻，其瞬時值都不能精確預知。因此，隨機振動用統計的方法來進行描述，采用頻率域統計描述，即用功率譜密度函數來描述隨機信號在頻率域的統計特性。[2]

3 隨機振動試驗技術

3.1 試驗允差

隨機振動規定了加速度譜密度、頻率測量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻[3]規定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應不超過±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過允差的累積帶寬應限制在整個試驗頻率帶寬的5%以內。

文獻[4]規定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內，偏離允許達到±6 dB。

3.1.2 頻率測量

在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上頻率測量偏差應在±1.25%內。對于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應小于等于2.5 Hz；對于頻率大于25 Hz，分析帶寬應不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗驅動軸正交的兩個軸上的振動加速度應不大于試驗軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動試驗控制

在試驗室振動試驗中，試件一般通過適當的試驗夾具安裝在振動臺，試驗夾具與振動臺的組合用于模擬預期使用過程中平臺產生的振動環境，大多數情況下，振動使用條件所對應的振動控制點選擇在試件與試驗夾具的連接界面上，其代表了預期使用過程中平臺對裝備的振動環境激勵。在理想狀態情況下，即試件相對與振動臺和試驗夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗夾具連接界面的振動響應將與預期使用過程一致，可以認為試件經受了符合預期使用過程的振動環境考核。

當試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時，由于試件與振動臺、試驗夾具的動力耦合（共振或反共振）作用，試驗時振動環境的模擬結果往往偏離理想的試驗條件。這樣即使在試件與試驗夾具連接界面的振動控制點達到了規定的振動加速度試驗條件，試件上的振動響應也會與預期使用過程中裝備上的振動響應不一致，從而導致試件的過試驗或欠試驗。因此，在實驗室振動環境試驗中，需要采取適當的控制方法，以改善試件的過試驗或欠試驗，使得試驗結果更接近預期試驗情況。

振動試驗控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應控制以及開環波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對比及說明。

4 振動夾具設計

4.1 振動夾具設計要求

一個好的振動夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結構、加工工藝性、動態傳遞特性等多方面考慮。因此，振動夾具設計過程時，應考慮以下因素[1]。

（1）振動夾具能夠最大限度地模擬產品的真實安裝方式，既能方便地與振動臺面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動臺面最短距離要求，并且與振動臺面同軸。

（3）材料應選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結構優選選用對稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動臺面連接的固定點要求圓周對稱分布，同一個平面最少均布4個孔，孔的形狀做成埋頭帶臺肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結構設計時要設計傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點。

（6）在整個試驗頻段內，夾具的頻率響應特性應盡量平坦，其一階固有頻率應高于試驗最高頻率。如果，不能高于試驗最高頻率，則要求不能低于某個頻率值，并且在高于這個頻率時允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動夾具的橫向振動應盡量小，要求不大于軸向振動的30%。

4.2 振動夾具測試方法

（1）用正弦掃頻的試驗方法對夾具的傳遞特性進行測試，通過掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術要求。

（2）進行正弦掃頻測試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進行測試時，要求將控制傳感器置于振動夾具與振動臺面的固定點處，而監測傳感器置于振動夾具與試件的固定點或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測試完后，裝入配重體，選擇適當的控制方法，按試件振動條件要求進行振動圖譜的振動測試，以保證完全滿足試件在振動試驗中的試驗要求。

5 結語

振動試驗技術是一門專業性很強的技術學科，需要從試驗參數識別、試驗控制、振動分析、故障預測與診斷、試驗夾具設計等各個方面入手，加強這門試驗技術研究。

參考文獻

[1] 胡志強，法慶衍，洪寶林，等.隨機振動試驗應用技術[M].北京：中國計量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學環境試驗技術[M].力學環境試驗技術，西安：西北工業大學出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設備環境試驗方法 振動試驗》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環境與性能試驗方法》[Z].

摘 要：該文講述了振動試驗（正弦振動、隨機振動）的原理、參數識別、計算公式，重點講述了隨機振動試驗技術，包括試驗容差要求、振動條件疲勞等價關系以及振動控制理論、方法等。另外，還介紹了振動夾具的設計要求、測試方法等。

關鍵詞：隨機振動 試驗技術 振動控制

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動試驗是在實驗室條件下產生一個人工可控的振動環境，該環境模擬產品生命周期（制造/維修、運輸、工作、其它）內的使用振動環境，使產品經受與實際使用過程的振動環境相同或相似的振動激勵作用，考核產品在預期使用過程的振動環境作用下，能否達到設計所規定的各項技術要求，同時也是考核產品結構強度和可靠性的一個主要試驗方法。因此，振動試驗是產品可靠性試驗的重要組成部分。

1 正弦振動試驗

1.1 正弦振動試驗原理

振動變量是正弦函數形式的一種振動試驗。

振動函數為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動試驗方法

常用的正弦振動試驗分為：定頻振動和掃頻振動。

定頻振動是指頻率一定，振動加速度（或幅值）、試驗時間可變的正弦振動試驗。

掃頻振動即正弦掃描，指按規定振動量的正弦波，在試驗頻率范圍內，以某種規律連續改變振動頻率以激勵被試件。掃描時頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對數掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動試驗的峰值加速度要求

（1）振動環境：保證在規定頻率范圍內，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規定值的±10%。

（2）振動測量：保證在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上的正弦峰值測量數據，其偏差在振動量值的±5%之內。

（3）均方根加速度值：正弦振動均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機振動試驗

2.1 隨機振動定義

振動變量是一種隨機變化的振動試驗，在任意給定時刻，其瞬時值都不能精確預知。因此，隨機振動用統計的方法來進行描述，采用頻率域統計描述，即用功率譜密度函數來描述隨機信號在頻率域的統計特性。[2]

3 隨機振動試驗技術

3.1 試驗允差

隨機振動規定了加速度譜密度、頻率測量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻[3]規定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應不超過±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過允差的累積帶寬應限制在整個試驗頻率帶寬的5%以內。

文獻[4]規定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內，偏離允許達到±6 dB。

3.1.2 頻率測量

在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上頻率測量偏差應在±1.25%內。對于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應小于等于2.5 Hz；對于頻率大于25 Hz，分析帶寬應不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗驅動軸正交的兩個軸上的振動加速度應不大于試驗軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動試驗控制

在試驗室振動試驗中，試件一般通過適當的試驗夾具安裝在振動臺，試驗夾具與振動臺的組合用于模擬預期使用過程中平臺產生的振動環境，大多數情況下，振動使用條件所對應的振動控制點選擇在試件與試驗夾具的連接界面上，其代表了預期使用過程中平臺對裝備的振動環境激勵。在理想狀態情況下，即試件相對與振動臺和試驗夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗夾具連接界面的振動響應將與預期使用過程一致，可以認為試件經受了符合預期使用過程的振動環境考核。

當試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時，由于試件與振動臺、試驗夾具的動力耦合（共振或反共振）作用，試驗時振動環境的模擬結果往往偏離理想的試驗條件。這樣即使在試件與試驗夾具連接界面的振動控制點達到了規定的振動加速度試驗條件，試件上的振動響應也會與預期使用過程中裝備上的振動響應不一致，從而導致試件的過試驗或欠試驗。因此，在實驗室振動環境試驗中，需要采取適當的控制方法，以改善試件的過試驗或欠試驗，使得試驗結果更接近預期試驗情況。

振動試驗控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應控制以及開環波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對比及說明。

4 振動夾具設計

4.1 振動夾具設計要求

一個好的振動夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結構、加工工藝性、動態傳遞特性等多方面考慮。因此，振動夾具設計過程時，應考慮以下因素[1]。

（1）振動夾具能夠最大限度地模擬產品的真實安裝方式，既能方便地與振動臺面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動臺面最短距離要求，并且與振動臺面同軸。

（3）材料應選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結構優選選用對稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動臺面連接的固定點要求圓周對稱分布，同一個平面最少均布4個孔，孔的形狀做成埋頭帶臺肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結構設計時要設計傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點。

（6）在整個試驗頻段內，夾具的頻率響應特性應盡量平坦，其一階固有頻率應高于試驗最高頻率。如果，不能高于試驗最高頻率，則要求不能低于某個頻率值，并且在高于這個頻率時允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動夾具的橫向振動應盡量小，要求不大于軸向振動的30%。

4.2 振動夾具測試方法

（1）用正弦掃頻的試驗方法對夾具的傳遞特性進行測試，通過掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術要求。

（2）進行正弦掃頻測試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進行測試時，要求將控制傳感器置于振動夾具與振動臺面的固定點處，而監測傳感器置于振動夾具與試件的固定點或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測試完后，裝入配重體，選擇適當的控制方法，按試件振動條件要求進行振動圖譜的振動測試，以保證完全滿足試件在振動試驗中的試驗要求。

5 結語

振動試驗技術是一門專業性很強的技術學科，需要從試驗參數識別、試驗控制、振動分析、故障預測與診斷、試驗夾具設計等各個方面入手，加強這門試驗技術研究。

參考文獻

[1] 胡志強，法慶衍，洪寶林，等.隨機振動試驗應用技術[M].北京：中國計量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學環境試驗技術[M].力學環境試驗技術，西安：西北工業大學出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設備環境試驗方法 振動試驗》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環境與性能試驗方法》[Z].

摘 要：該文講述了振動試驗（正弦振動、隨機振動）的原理、參數識別、計算公式，重點講述了隨機振動試驗技術，包括試驗容差要求、振動條件疲勞等價關系以及振動控制理論、方法等。另外，還介紹了振動夾具的設計要求、測試方法等。

關鍵詞：隨機振動 試驗技術 振動控制

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振動試驗是在實驗室條件下產生一個人工可控的振動環境，該環境模擬產品生命周期（制造/維修、運輸、工作、其它）內的使用振動環境，使產品經受與實際使用過程的振動環境相同或相似的振動激勵作用，考核產品在預期使用過程的振動環境作用下，能否達到設計所規定的各項技術要求，同時也是考核產品結構強度和可靠性的一個主要試驗方法。因此，振動試驗是產品可靠性試驗的重要組成部分。

1 正弦振動試驗

1.1 正弦振動試驗原理

振動變量是正弦函數形式的一種振動試驗。

振動函數為：

（1）

為角速度（ω=2πf）；

為振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振動試驗方法

常用的正弦振動試驗分為：定頻振動和掃頻振動。

定頻振動是指頻率一定，振動加速度（或幅值）、試驗時間可變的正弦振動試驗。

掃頻振動即正弦掃描，指按規定振動量的正弦波，在試驗頻率范圍內，以某種規律連續改變振動頻率以激勵被試件。掃描時頻率變化率稱為掃描速率，掃描形式分為線性掃描和對數掃頻兩種。[1]

1.3 正弦振動試驗的峰值加速度要求

（1）振動環境：保證在規定頻率范圍內，控制傳感器上的正弦峰值加速度偏差不大于規定值的±10%。

（2）振動測量：保證在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上的正弦峰值測量數據，其偏差在振動量值的±5%之內。

（3）均方根加速度值：正弦振動均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 隨機振動試驗

2.1 隨機振動定義

振動變量是一種隨機變化的振動試驗，在任意給定時刻，其瞬時值都不能精確預知。因此，隨機振動用統計的方法來進行描述，采用頻率域統計描述，即用功率譜密度函數來描述隨機信號在頻率域的統計特性。[2]

3 隨機振動試驗技術

3.1 試驗允差

隨機振動規定了加速度譜密度、頻率測量、橫向加速度允差要求。

3.1.1 加速度譜密度

文獻[3]規定在任何情況下，控制傳感器上的加速度譜密度的允差應不超過±3 dB，500 Hz以上可以放寬到-6～+3 dB，但是超過允差的累積帶寬應限制在整個試驗頻率帶寬的5%以內。

文獻[4]規定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累積帶寬之內，偏離允許達到±6 dB。

3.1.2 頻率測量

在試驗頻率范圍內，振動測量系統提供傳感器安裝面上頻率測量偏差應在±1.25%內。對于頻率不大于25 Hz，分析帶寬應小于等于2.5 Hz；對于頻率大于25 Hz，分析帶寬應不大于5 Hz。

3.1.3 橫向加速度

在任何頻率上，相互正交并與試驗驅動軸正交的兩個軸上的振動加速度應不大于試驗軸上的加速度的0.45倍（或加速度譜密度的0.2倍）。

3.2 振動試驗控制

在試驗室振動試驗中，試件一般通過適當的試驗夾具安裝在振動臺，試驗夾具與振動臺的組合用于模擬預期使用過程中平臺產生的振動環境，大多數情況下，振動使用條件所對應的振動控制點選擇在試件與試驗夾具的連接界面上，其代表了預期使用過程中平臺對裝備的振動環境激勵。在理想狀態情況下，即試件相對與振動臺和試驗夾具可以近似作為剛體處理，如果在試件與試驗夾具連接界面的振動響應將與預期使用過程一致，可以認為試件經受了符合預期使用過程的振動環境考核。

當試件的尺寸和重量較大，或固有頻率較低時，由于試件與振動臺、試驗夾具的動力耦合（共振或反共振）作用，試驗時振動環境的模擬結果往往偏離理想的試驗條件。這樣即使在試件與試驗夾具連接界面的振動控制點達到了規定的振動加速度試驗條件，試件上的振動響應也會與預期使用過程中裝備上的振動響應不一致，從而導致試件的過試驗或欠試驗。因此，在實驗室振動環境試驗中，需要采取適當的控制方法，以改善試件的過試驗或欠試驗，使得試驗結果更接近預期試驗情況。

振動試驗控制方法可分為四種：加速度輸入控制、力限控制、加速度限控制和加速度響應控制以及開環波形控制法。[3]

表1列舉了幾種控制方法的對比及說明。

4 振動夾具設計

4.1 振動夾具設計要求

一個好的振動夾具，它必須具有較好的綜合性能，包括結構、加工工藝性、動態傳遞特性等多方面考慮。因此，振動夾具設計過程時，應考慮以下因素[1]。

（1）振動夾具能夠最大限度地模擬產品的真實安裝方式，既能方便地與振動臺面連接，也能方便地與試件連接。

（2）盡量做到夾具與試件的組合中心到振動臺面最短距離要求，并且與振動臺面同軸。

（3）材料應選用比剛度大、阻尼大的材料，如：鋁鎂合金。

（4）結構優選選用對稱封閉形，如立方體、盒型、半球形和錐形等。夾具與振動臺面連接的固定點要求圓周對稱分布，同一個平面最少均布4個孔，孔的形狀做成埋頭帶臺肩的樣式。平底埋頭孔的深度大約為螺桿直徑的1.5～2倍，未被擴孔的部分不得小于15 mm，以保證夾具連接處有足夠的強度，避免螺栓的高頻共振。

（5）夾具的結構設計時要設計傳感器的安裝位置，傳感器安裝位置要求有足夠的剛度，并靠近夾具的固定點。

（6）在整個試驗頻段內，夾具的頻率響應特性應盡量平坦，其一階固有頻率應高于試驗最高頻率。如果，不能高于試驗最高頻率，則要求不能低于某個頻率值，并且在高于這個頻率時允許共振，但要限定放大因子及3 dB帶寬。

（7）振動夾具的橫向振動應盡量小，要求不大于軸向振動的30%。

4.2 振動夾具測試方法

（1）用正弦掃頻的試驗方法對夾具的傳遞特性進行測試，通過掃描曲線尋找其諧振頻率、傳遞放大因子以及3 dB帶寬，判斷其是否滿足技術要求。

（2）進行正弦掃頻測試要求。

①掃頻速率不大于1oct/min。

②進行測試時，要求將控制傳感器置于振動夾具與振動臺面的固定點處，而監測傳感器置于振動夾具與試件的固定點或分界面上，并且有較大剛度的地方。

③正弦掃描測試完后，裝入配重體，選擇適當的控制方法，按試件振動條件要求進行振動圖譜的振動測試，以保證完全滿足試件在振動試驗中的試驗要求。

5 結語

振動試驗技術是一門專業性很強的技術學科，需要從試驗參數識別、試驗控制、振動分析、故障預測與診斷、試驗夾具設計等各個方面入手，加強這門試驗技術研究。

參考文獻

[1] 胡志強，法慶衍，洪寶林，等.隨機振動試驗應用技術[M].北京：中國計量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力學環境試驗技術[M].力學環境試驗技術，西安：西北工業大學出版社，2003.

[3] 施榮明.GJB150.16A-2009《軍用設備環境試驗方法 振動試驗》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信環境與性能試驗方法》[Z].