电子产品共振频率检测方法研究

张灿文，张 华

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

电子产品共振频率检测方法研究

张灿文，张 华

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

本文介绍了电子产品共振频率检测方法，主要有目测法、正弦扫描法、随机振动法和模态分析法，并结合工程案例对几种方法进行描述。

共振频率；目测；正弦扫描；随机振动；模态分析

引言

在现实生活中我们能看到形形色色的振动，有的可以直接应用，有的可以间接应用。筛分设备、输送设备、粉碎设备以及家庭使用的微波炉等设备都是应用振动理论到实现生活的结果，振动技术普遍应用于机械、化学、力学、电磁学、光学及分子、原子物理学、工程技术等几乎所有的科技领域。同时，振动也会带来灾害。尤其是发生共振时，会带来极大的破坏。

1.振的产生与危害

什么是共振？共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。即系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫共振。一个系统有无数个固有频率，一般常研究低范围的系统频率。共振在声学中叫“共鸣”，在电学中，振荡电路的共振现象称为“谐振”。从共振的特点来看，它不需要外部施加很大的作用力，而能自动进行能量的积累，如果不适当地利用或者避免它，共振会给我们的日常生活生产

带来危害。最典型就是1940年11月7日那座舞动的塔科马海峡大桥因大风的吹动引起桥梁的共振导致了大桥的坍塌；还有，当士兵以整齐的步伐通过桥梁时，当火车以额定的速度通过额定长度的铁轨时，当大钟被以固定的频率和力度敲击时共振悲剧瞬间发生；同时共振会对人体产生危害，相关部门规定要求用手工操作的各类振动机械的频率必须大于20Hz，尽量避免振动源频率与人体器官的固有频率产生共振。共振同样影响着电子产品的性能，当笔记本产生共振时，硬盘和内存位移达到极大，导致蓝屏、螺丝松脱等现象，无法正常使用，这就要求设计时能避开共振频率的破坏。以下就电子产品的共振频率确定方法进行描述。

2.振频率检测

2.1.测法

目测法主要用于观察运输包装件的危险频率[1]。国际运输安全协会标准ISTA-2A指出，少于68kg的包装件可用弹跳振动试验来考核包装对样品的保护性能。该标准规定了弹跳频率的检测方法，如：振动幅值25mm，从1Hz开始起振。在振动过程中观察包装件弹离振动台面时的频率和高度，若满足要求则记录该频率为弹跳频率，即危险频率。目测法也可应用于要求观测机械结构运动轨迹的场合，如纹波管、电路板的振动轨迹，再根据振动轨迹的最大振幅或结构变形来确定部件的危险频率。利用频闪仪能清晰地观察到它们的振动状况。它通过调节光的闪动频率，使其与被测物的转动或运动速度接近并同步时，被测物虽然在高速运动着，但看上去却是缓慢运动或相对静止的。这种视觉暂留现象，使人目测就能轻易观测高速运动物体的运行状况，从而能够确定出被测物振幅的最大值及其对应的频率。

2.2.弦扫描法

正弦扫描法和随机振动法都是施加振动使产品作强迫振动，通过监测产品的振动响应，得出振动响应的FRF曲线，观察分析FRF曲线来确定产品的自然频率和共振频率。使用正弦扫描法试验时一般以低G值（例如0.5g1.0g）作为强迫力，由低频往高频依照一定的扫描率进行扫描。当激励频率与产品的自然频率耦合时，从监测界面上看到产品振幅的变化，当振幅出现最大，产品振动剧烈时对应的频率就是产品的自然频率或共振频率。一般结构对振动反应有一定的时间，低频反应慢、高频反应快，因此采用对数扫描率较为合适，避免因太快结构未能及时反应，信号虚弱无法辨识情况。

在进行共振频率检测试验前必须先确定扫描的频率范围、器件的监测点和激励量级大小。频率范围必须是产品在使用过程及运输过程中主要会受到的频率为主，在此范围外的频率可以忽略。以下就车载硬盘减震系统为例，对正弦扫描法检测共振频率进行说明。扫描时设定频率范围10-500Hz，扫描速率1Oct/min，激励加速度为1g，经扫描得出频谱响应。频谱如图1所示。

从响应曲线（红色）和激励曲线（白色）可看出车载硬盘在频率430Hz附近时达到最大振幅，能量放大接近30倍，在低频阶段响应较为平缓，可认为该频率是车载硬盘减震系统的共振频率。

2.3.机振动法

除了正弦扫描法，还可以利用随机振动来检测产品的共振频率。正弦扫描法在任意时刻只包含一种频率的振动，而随机振动法在任意时刻包含频谱范围内的各种频率的振动，产品上所有的共振频率都能同时激发出来。频谱图如图2所示。

进行随机振动法检测共振频率时，采用低量级的激励源就能激发出产品的共振频率，一般取0.001～0.01 g2/Hz功率谱密度。频率分辨率精度影响着检测结果的准确性，0.5～1.0Hz的精度可满足要求，其它要求与正弦扫描法相同。以下就车载硬盘减震系统为例进行说明。检测频谱如图3。

随机振动设定频率范围10～1000Hz，采用汽车电子行业标准要求进行共振检测。在高频范围400 ～1000 Hz，响应频谱（红色）能量有明显的放大，在频率大约460 Hz、800 Hz出现共振峰。与正弦扫描法所得结果相近。两种结果的偏差是由于激励方式不同所造成的。

2.4.态分析法

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在功能振动领域中的应用。它能通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态振型。基本步骤可分为[2]：

1) 动态数据采集

通过对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激励信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励源可分为正弦扫描、随机振动和脉冲响应，激励方式可分为单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）和多输入多输出（MIMO）。

2) 建立结构模型

根据结构状态和特征建立结构数学模型，作为计算及识别参数依据。可分为频域模型、时域模型和混合模型。

3) 参数识别

利用识别方法得出结构模态参数模型，包括固有频率、模态阻尼和各阶模态的振型。

4) 振型动态再现

以动画方式形象生动地再现几何结构多自由度各阶振动型态。

2.5.振频率判断

在检测共振频率过程中，往往会得出多个共振峰（如图2），其对应的频率不一定都是产品的固有频率，需要结合共振幅频特性和相频特性来判断。[3]

1)结合共振点幅频特性判断

幅频特性曲线如图4所示。

出现共振时，共振点幅值出现不少于2倍的放大，Q值（品质因子）越大，共振峰越尖锐。

2)结合共振点相频特性判断

相频特性曲线如图5所示。

随着频率的变化，监测点与激励源相位差也发生变化。在共振频率处监测点相位滞后激励源90°，并在共振点前后相位差出现180°的突变。

结合以上两点能准确判断出共振频率范围。例如检测频谱如图6、图7，图中显示了传递函数（FRF）曲线与相位差曲线。在传递函数曲线出现了几个共振峰，放大倍数超过3倍，但从相位关系看只有在120.0Hz和244.4Hz时相位差接近90°，而前后相位差变化明显，可确定为共振频率。

2.6.用场合

目测法适用于检测包装材料对产品的保护性能，能检测出运输过程中低频对包装的影响，同时也能直观地观察到振动环境下机械结构的运动状况。正弦扫描法是检测共振频率的常用方法，对零器件、电路板、整机结构都适用。随机振动法能在瞬间激发出产品上所有的固有频率，但因固有频率间的相互影响会给检测结果带来偏差。模态分析能系统全面地描述结构的振动特征，是了解产品结构性能的重要手段，常应用于军品或航天工程研究分析，试验成本相对较高。前三种方法的实现较简便快捷，在试验室和研究所已得到广泛应用。模态分析技术复杂，对试验要求相对较高，已成为一门学科。

3.束语

本文对共振频率检测方法进行了介绍，利用该方法能有效检测出电子产品的共振频率。对共振频率进行驻留振动试验能有效的发现产品问题，为提高产品的质量和可靠性提供依据。

[1] 电工电子产品环境试验 第二部分：试验方法 试验Fc：振动（正弦）2008

[2] 傅志方 模态分析理论与应用 上海交通大学出版社 2000

[3] 顾海明，周勇军 机械振动理论与应用，东南大学出版社，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

张灿文（1980-），男，广东清远人，工学学士，环境与可靠性试验室工程师

张 华（1979-），男，江西萍乡人，工学硕士，环境与可靠性试验室工程师