如何解决电动振动台低频振动问题

李 威

（北京苏试创博环境可靠性技术有限公司，北京 102205）

如何解决电动振动台低频振动问题

李 威

（北京苏试创博环境可靠性技术有限公司，北京 102205）

振动台是力学环境实验室开展检测任务的核心设备，按照其获得能量的形式分为电动振动台、机械振动台和液压振动台，随着科学技术的发展已研制出激光振动台。目前用得较多的是电动振动台，原因是它的频率高、波形好、控制方便。主要针对电动振动台低频振动出现的问题进行分析和讨论。

振动；低频；噪声；相对位移

引言

产品在运输、贮存和使用过程中，有时会遇到很低的振动频率，例如车辆上使用的设备，车辆主要基波频率可能低到1.5Hz～4Hz；又比如在海运、风力发电、舰船等环境中，起点频率甚至达到1Hz；再如地震试验拍波频率为1Hz～35Hz等等。然而电动振动台低频端一般从5Hz～10Hz开始，虽然随着技术的发展使其低频端可达到2Hz～10Hz，可是加速度失真超差很大，达不到试验要求，此外电动振动台在低频还会受到噪声干扰导致试验无法起振或者起振后谐振峰值较多、振动台出现相对位移、台体产生共振等多方面的问题，所以如何解决低频振动问题是实验室检测人员必须要重视的。

1 正弦振动在低频阶段的问题

在正弦振动中，产品安装在平台实际振动的特点是频率愈高，加速度愈大，频率愈低，位移幅值愈大，就对产品的影响而言，低频主要受位移破坏，高频主要受加速度破坏。

1.1 噪声干扰

根据正弦振动公式：

式中：A-加速度（g），s-位移（单振幅mm），f-频率（Hz）。

电动振动台低频受位移限制，高频受加速度（推力）限制，水平台空载调试曲线见图1。

一般来说，在低频阶段，由于位移的限制，振动量级有时候会非常小，比如1Hz，振幅为10mm的时候，量级为0.04g，这种情况在海运、舰船环境中经常出现，例如GJB 4.7-83中扫频条件为1Hz～10Hz，位移幅值为0.25mm，此时起点1Hz的加速度为0.001g；GJB 150.16中规定安装在舰船上设备的振动量值如表1。

可以计算出起点量级基本上都低于0.05g；IEC 60086-2-6扫频条件为2Hz～13.2Hz，位移幅值为1mm，此时起点2Hz加速度为0.016g；IEC 61800-5-1中规定的扫频条件为10Hz～57Hz：0.057mm（0-p），此时10Hz时的量级为0.0228g。以上扫频条件的共同点都是起点频率低、量级小，甚至低于试验环境的噪声量级（0.05g～0.1g），往往造成无法起振。对于初次接触力学环境试验的人员来说，会从传感器、线路连接、参数设置等多方面进行排故，比如将台面增加控制点，可以适当降低控制带宽或者调大初始电压等。这样有时候能解决问题，但是大多时候，给试验工作带来了极大的不便。

解决噪声干扰问题可以从以下几个方面考虑：

1）利用电荷放大器

如果振动量级低于0.1g，传感器采集到的信号就会受到噪声的干扰而感应不到振动量级，噪声无法起振，此时可以利用电荷放大器调大传感器的灵敏度，直到能采集到振动为止（一般至少应调到500pC/g）。

2）选用大灵敏度传感器

目前，很多控制仪在设计方面已经脱离了电荷放大器，传感器的灵敏度无法改变，这时候应选用大灵敏度的传感器来进行，实验室至少应配备一些灵敏度为1000 pC/g左右的传感器专门用来开展低频、小量级振动的试验项目。

图1 DC-20000-200水平滑台空载特性曲线

表1 安装在舰船上设备的振动量值

3）减小噪声量级

在整个电动振动控制闭环系统中，噪声来源主要除了实验室的环境噪声，其次就是率放大器加上增益以后产生的噪声；所以在进行低频、小量级扫频时最好应保证临近该振动台的其他设备别进行大量级的随机振动试验，以免噪声干扰更大；在功放输出电压满足试验条件的要求下，尽量将增益加到最小，减小噪声的分贝（有些振动台增益越大噪声愈小）；此外还可以在功率放大器和控制仪之间连接一个隔离变压器，用来消除功放的噪声。

4）改变初始频率

电动振动台在低频阶段波形失真度大，很难满足试验要求，所以有些标准和规范就明确说明如果振动台下限频率到达不了1Hz，只要样品的固有频率不低于该振动台的最低频率，可以适当提高试验下限频率，但下限频率不能低于5Hz。因此如果以上方法均不能解决噪声干扰问题，在不影响试验结果的情况下，可以跟委托方协商将起点频率提高至3Hz～4Hz，保证试验能顺利进行。除此之外，还可以把上限频率作为扫频的起点频率，逆方向扫频，虽然上扫和下扫得出的共振频率有区别，不过在误差范围内都是有效的。

1.2 出现相对位移

低频起振除了噪声干扰外，另外一大难题就是振动台会产生相对位移。量级愈大相对位移愈大；样品愈重，相对位移亦愈大。比如利用正弦拍波模拟地震试验的时候，起点频率1Hz时加速度有时会达到0.1g～0.3g，此时位移幅值达到25mm～75mm，加上相对位移的存在，要求振动台的位移幅值必须达到80mm以上才能满足试验要求；又比如某运输条件：2Hz～5.5Hz，位移幅值12.3mm；5.5Hz～200Hz，加速度值1.5g，虽然试验严酷条件在振动台额定范围内，但在低频阶段振动台产生的相对位移就非常明显，因为相对位移的存在也会导致试验无法进行。尤其在进行重负载大位移试验时，由于隔振系统的作用，动圈和负载相对于台体会出现明显的相对运动，这时最大位移受下式限制：

位移 = 最大位移×(1-运动部件质量/振动台重量)×安全系数

比如相对于DC-20000-200振动台台体：

最大位移：51mm

安全系数：0.9

运动部件质量（动圈+台面+样品）：2000kg

振动台台体重量：10000kg

此时位移=51×(1-2000/10000)×0.9=36.7mm

因为相对位移的存在，所以在低频阶段，振动台的额定位移会大打折扣，而且对设备的损伤也比较大。因此在大型军工项目试验前，首先要估算设备的技术指标（频率范围、额定承载、额定位移、加速度等等）是否满足试验条件的要求，选择合适的设备。其次试验时控制方式宜采用最大值控制。另外在进行10Hz以下的振动试验而且负载很大时，造成最大位移发生困难时，必须将减震气囊的气充足，必要时可锁紧隔振机构，使台体和地基连接起来，防止台体产生过大位移；还必须要注意的是每隔10～30分钟要检查一次台面中心位置，调节空气阀的空气量，使台面始终处于恰当位置。

2 随机振动在低频阶段的问题

随机振动频率域宽，是一个连续的频谱，同时在所有频率上对产品进行激励。产品安装在平台上进行随机振动的频率范围，典型的低频通常是取产品最低共振频率的一半或其安装平台产生明显振动的最低频率，产品在运输的过程中可能会常常会经受很低的振动频率，比如在GJB 4857.23中规定的振动起点频率为1Hz，而且总均方根加速度非常小；GJB 150.16、GJB 150.16A中轮式车辆组合起点频率为5Hz，但是功率谱密度大，一般的电动振动台很难满足试验条件的要求。因此随机振动在低频的振动问题也是我们不能忽视的。

随机振动与正弦振动一样，在低频受噪声干扰和位移限制，位移计算公式如下：

式中：s-位移（双振幅mm），W1-功率谱密度（g2/ Hz），f-频率（Hz）。

由此可以看出起点在5Hz以下的，出现超位移的情况居多，比如GJB 150.16A组合轮式车振动环境5Hz时功率谱密度0.2366g2/Hz，此时振幅为23.2mm，但由于台体有相对运动，因此一般振幅为25.5mm的振动台满足不了该试验条件的要求，只有选择大位移（一般振幅为40mm以上）设备，如苏试生产的DL-4000-50电动振动台位移幅值为50mm就能解决以上问题。

另外虽然随机振动本身产生噪声，但也存在噪声干扰问题，尤其是起点频率低或者总均方根加速度小到0.5g以下的情况下，如果试验环境噪声过大，振动就容易受到干扰而无法起振，检测员在排除故障的时候要充分认识到这一点，避免给试验带来不必要的麻烦。此时必须要更换大灵敏的传感器作为控制亦或者停止产生噪声的试验项目，保证试验室环境满足试验的要求。

3 结束语

电动振动台标定一般从5Hz开始，但是实际过程中常常会遇到低于5Hz以下的振动，频率低、位移大的实际例子就好像坐电梯一样，其实受到的应力损伤是非常小的，往往可以忽略不记，但是很多时候为了满足标准规范的要求，低频必须参与振动。然而本文提到的低频干扰问题却会严重影响试验的顺利，所以本文主要通过工程经验来分析和判断并提出解决问题的方法（仅供参考），以保证测试数据的科学公正，在此基础上不断提高控制技术能力。

[1]GJB 150A-2009, 军用装备实验室环境试验方法[S].

[2]GB/T 2423, 电工电子产品环境试验[S].

[3] 季馨,王树荣.电子设备振动环境适应性设计[M].北京:电子工业出版社, 2012.

[4]卢兆明.道路车辆 电气及电子设备的环境试验方法和要求[M].北京：中国标准出版社, 2011.

李威（1988.6-），男，汉族，湖北荆州，本科，检测员，质量控制，环境试验与可靠性试验。

How to Solve the Low-frequency Vibration Problem of the Electric Vibration Table

LI Wei
（Beijing Sushi Chuangbo Environment Reliability Technical Co., Ltd., Beijing 102205）

Vibration table is the key equipment of mechanical environmental laboratory to carry out the test work. According to gaining energy, the vibration tables are divided into electric vibration table, mechanical vibration table and hydraulic vibration table. With the development of science and technology, the laser vibration table has been developed. At present, the electric vibration table is used most, because of their high frequency, good waveform and easy to control. This paper mainly analyzes and discusses the low-frequency vibration problem of the electric vibration table.

vibration; low-frequency; noise; relative displacement

V19

B

1004-7204（2015）01-0015-03