振動試驗技術與應用

洪翔

摘 要： 針對產品在實驗室模擬預期的振動環境，合理進行驗證試驗的要點進行概括和分析。本文首先介紹了振動試驗分類和實驗室實現原理，詳細分析了振動試驗的四種控制方法，對不同試驗條件怎樣選擇相應的控制方法給出了指導，然后對產品安裝提出了科學合理的要求，最后對振動試驗流程進行了梳理，明確了試驗過程中每個步驟的要點。

關鍵詞： 振動試驗；控制方法；安裝要求

1 引言

任何產品壽命期內的貯存、運輸和使用狀態均會受到各種氣候、力學和電磁環境的單獨、組合和綜合的作用，在這些環境作用下，可能會導致設備損壞或失效。對產品的環境適應性的驗證，主要是在實驗室，通過試驗模擬設備預期經歷的各種環境，考核其環境適應性，并通過驗證結果對產品加以改進，以達到提升產品質量和可靠性的目的。在這些驗證試驗中，力學類的振動試驗是大部分產品進行環境試驗必須開展的項目之一。振動試驗的目的是用于考核設備在預期的運輸、貯存和使用環境中的抗振能力。振動試驗結果通常用于產品結構設計，其技術性較強。

2 振動試驗分類

振動試驗分類主要有：正弦振動、隨機振動，以及正弦和隨機的組合振動。

2.1 正弦振動

正弦振動是一種周期性的振動，通常由動力裝置和作業機械的周期性旋轉或往復運動引起，周期振動是經過一定的時間后會精確重復的運動，周期振動最簡單的形式是簡諧運動，其時間歷程是正弦或余弦曲線，環境試驗中一般用正弦曲線來描述，又稱正弦振動。可見正弦振動是確定性運動，遵循確定的規律，完全可以從過去的狀態來確定未來任意指定時間的狀態，其頻率、速度、加速度、位移任意時刻均可預知。正弦振動的數學表達式見圖1：

2.2 隨機振動

隨機振動是一種非確定的振動，在隨機振動試驗中，由于振動的質點處于不規則的運動狀態，永遠不會精確的重復，對其進行一系列的測量，各次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預先知道，因此就不可能用簡單的周期函數和函數的組合來描述。圖2為典型的隨機振動時間歷程。

在使用環境中，產品經歷的振動絕大多數是隨機振動，在進行隨機振動時，在同一時刻，振動激勵包含所有頻率范圍的信號，能夠同時激起樣品的各種模態，樣品上的各種振動會相互耦合，會產生比在正弦振動單一頻率下嚴重得多的影響，所以隨機振動考核設備耐振能力更真實、有效。

3 振動試驗實驗室實現原理

在實驗室進行振動試驗，是通過振動試驗系統，模擬產品預期經歷的振動應力，并將振動應力施加于產品，實驗室模擬的振動應力是根據產品實際使用現場實測數據合成的振動譜。我們先對目前主要的振動試驗系統進行認識，實驗室的振動模擬設備通常有電動振動系統、機械振動系統、液壓振動系統，這三類振動系統主要性能比較見表1[1]。

在這三類振動系統中，目前實驗室使用較廣泛的是電動振動系統。電動振動系統由臺體、控制儀、功率放大器、振動傳感器組成，各部分通過連接形成閉環，振動系統圖見圖3。其實現原理是，先由控制儀根據控制譜條件，產生小功率驅動電信號，并將驅動電信號發送給功率放大器，經功率放大器放大后發送到振動臺體的驅動線圈，驅動振動臺運動，安裝于振動臺臺面的振動傳感器采集振動信號，再將振動信號反饋給控制儀，經控制儀解算，與標準譜對比，不斷調整驅動信號，并發送給功率放大器驅動振動臺運動，使實際控制譜在標準譜的容差范圍內。實驗室模擬振動條件，也就是標準譜是基于產品的實測振動。

在電動振動系統中，振動傳感器是極為重要的一個環節，作用是采集或監測振動信號，反饋給控制儀解算。目前使用最為廣泛的是壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器是一種以壓電材料為轉換元件的裝置，振動時通過感受同振動方向一致的壓力，產生電荷的變化，其電荷或電壓的輸出與加速度成正比，壓電加速度傳感器所輸出的電信號是很微弱的電荷，需通過控制儀的前置放大器放大才能被振動系統使用。

4 振動試驗控制方法

振動試驗控制方法直接關系到振動應力施加能否滿足試驗條件，控制方法的選擇取決于所要求的振動特性和平臺/裝備之間的動力耦合作用。主要有以下四種控制方法。

4.1 加速度輸入控制方法

加速度輸入控制方法是振動試驗使用最多的方法，用于平臺輸入振動環境的控制，控制加速度傳感器安裝在夾具與產品連接位置上，并盡量靠近產品，采集安裝處的振動信號，振動試驗系統通過加速度傳感器反饋信號與標準譜對比，并調整到規定試驗容差。其特點是在產品與振動臺體安裝和實際安裝情況一致時，可以很好的再現實際使用環境。

4.2 力限控制方法

力限控制方法基本原理是實驗室使用試驗夾具進行產品安裝時，對應的機械阻抗和外場產品安裝情況不一致，這樣在產品共振頻率處會誘發出過大的響應，造成過試驗發生。因此，如能直接對夾具和產品之間的輸入力進行控制，就能回避機械阻抗不匹配的問題。它與加速度輸入控制方法相對應，主要用于平臺輸入力控制，控制時在夾具和產品中間安裝動態力傳感器，振動臺的運動通過力傳感器的反饋來控制。

4.3 加速度限控制方法

加速度限控制方法是一種輔助控制方法，它主要用于將產品規定位置的振動響應限制在某一量值之內，避免產品出現過大的響應的場合。加速度限制量值一般來自于外場實測響應數據，加速度限制點和外場測點應位于相同位置。加速度限控制方法一般和其他控制方法聯合使用，使用加速度限進行輔助控制時，在加速度控制譜對應的限制頻帶上一般會出現凹谷。

4.4 加速度響應控制方法

加速度響應控制方法與加速度輸入控制方法相對應，用于對產品上特定點的響應進行直接控制。使用振動輸入點進行試驗控制，并通過經驗來調節試驗量值，使產品上特定點的響應和預訂的試驗量級保持一致，這種方法對試驗人員的要求很高。如果產品上特定點足夠剛性，也可以直接使用產品上特定點作為控制點進行試驗控制。

5 振動試驗的安裝要求

在振動試驗中，產品是否能真正受到所規定的試驗條件的考核，對于不同的人、不同的地點（設備）或不同的時間所做的試驗，其是否具有高的再現性或滿意的不確度，在很大的程度上還取決于試驗時對樣品的安裝和固定。

5.1 振動試驗夾具

振動試驗夾具是產品與振動臺之間的構件，用于將產品安裝于振動臺，將振動臺的機械能量完全傳遞給試驗件。一個好的振動夾具必須滿足以下六點[2]，（1）在整個試驗頻率范圍內，夾具的頻響特性要平坦，一階頻率高于最高試驗頻率，大型夾具，一階頻率應高于試驗件一階固有頻率的3～5倍；（2）夾具與試驗件各連接點的響應要盡量一致，以確保試驗輸入的均勻性；（3）夾具的剛度/質量比要盡量大；（4）夾具的阻尼要盡量大；（5）夾具波形失真小；（6）應能模擬產品實際安裝狀態。滿足以上六點，才能稱之為合格的夾具。

5.2 試驗產品固定

試驗產品與夾具、或樣品與振動臺臺面點接觸的部分，在實際使用時，此處通常是固定樣品的地方。如果產品的實際安裝結構的一部分作夾具使用，則應取安裝結構和振動臺臺面點接觸的部分作固定點，可見固定點一定要選取在產品在實際使用時振動輸入的地方。有時振動試驗的目的不是為了考核產品經受環境應力的能力，而是要考核產品的內部結構強度，例如晶體管、集成電路的內強度試驗，此時固定點就要選擇在樣品的本體上，使激振力通過殼體傳到內部結構上。

5.3 傳感器安裝

振動傳感器有控制傳感器和監測傳感器。控制傳感器應安裝于產品夾具與振動臺臺面的連接點處，并盡量靠近試驗樣品，理論上有幾個連接點就應相應安裝幾個控制傳感器，以保證振動輸入的正確性，對于大型產品和夾具，更應如此。監測用傳感器安裝于產品需要監測振動量值的部位。

6 振動試驗實施過程

振動試驗主要按以下五個步驟和要求進行：（1）預處理，試驗前應對產品進行全面檢查，包括外觀、結構、性能檢查；（2）產品的安裝，先將試驗夾具與振動臺臺面用螺栓剛性連接。夾具重心與振動臺的軸線相重合，再將試驗樣品安裝在振動夾具的中心位置，并保證夾具和試驗樣品的安裝方式符合規定的振動軸向；（3）試驗應力施加，嚴格按照試驗條件，通過振動試驗系統對產品施加振動應力；（4）試驗后檢查，與試驗前檢查對應，發現產品的缺陷；（5）形成試驗報告，利用產品結論對產品改進設計，提升質量和可靠性。

7 結束語

振動試驗是一門技術要求較高的環境試驗，本文從振動試驗技術和應用方面做了詳細地闡述和分析，對于指導試驗現場開展振動試驗有較大的幫助。另外，振動試驗還包括標準、方法研究等方面，只有對這幾個方面都有了深入理解，才能準確做好振動試驗，達到高的再現性，為產品設計提供可靠的參考數據。

參考文獻

[1]GJB150A-2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].中國人民解放軍總裝備部.2009.

[2]常志剛.振動、沖擊試驗技術及試驗夾具設計技術講座資料[M].航空工業生產力促進中心.2013，13-25.