振动试验技术与应用

洪翔

摘 要： 针对产品在实验室模拟预期的振动环境，合理进行验证试验的要点进行概括和分析。本文首先介绍了振动试验分类和实验室实现原理，详细分析了振动试验的四种控制方法，对不同试验条件怎样选择相应的控制方法给出了指导，然后对产品安装提出了科学合理的要求，最后对振动试验流程进行了梳理，明确了试验过程中每个步骤的要点。

关键词： 振动试验；控制方法；安装要求

1 引言

任何产品寿命期内的贮存、运输和使用状态均会受到各种气候、力学和电磁环境的单独、组合和综合的作用，在这些环境作用下，可能会导致设备损坏或失效。对产品的环境适应性的验证，主要是在实验室，通过试验模拟设备预期经历的各种环境，考核其环境适应性，并通过验证结果对产品加以改进，以达到提升产品质量和可靠性的目的。在这些验证试验中，力学类的振动试验是大部分产品进行环境试验必须开展的项目之一。振动试验的目的是用于考核设备在预期的运输、贮存和使用环境中的抗振能力。振动试验结果通常用于产品结构设计，其技术性较强。

2 振动试验分类

振动试验分类主要有：正弦振动、随机振动，以及正弦和随机的组合振动。

2.1 正弦振动

正弦振动是一种周期性的振动，通常由动力装置和作业机械的周期性旋转或往复运动引起，周期振动是经过一定的时间后会精确重复的运动，周期振动最简单的形式是简谐运动，其时间历程是正弦或余弦曲线，环境试验中一般用正弦曲线来描述，又称正弦振动。可见正弦振动是确定性运动，遵循确定的规律，完全可以从过去的状态来确定未来任意指定时间的状态，其频率、速度、加速度、位移任意时刻均可预知。正弦振动的数学表达式见图1：

2.2 随机振动

随机振动是一种非确定的振动，在随机振动试验中，由于振动的质点处于不规则的运动状态，永远不会精确的重复，对其进行一系列的测量，各次记录都不一样，所以没有任何固定的周期。在任何确定的时刻，其振幅、频率、相位都不能预先知道，因此就不可能用简单的周期函数和函数的组合来描述。图2为典型的随机振动时间历程。

在使用环境中，产品经历的振动绝大多数是随机振动，在进行随机振动时，在同一时刻，振动激励包含所有频率范围的信号，能够同时激起样品的各种模态，样品上的各种振动会相互耦合，会产生比在正弦振动单一频率下严重得多的影响，所以随机振动考核设备耐振能力更真实、有效。

3 振动试验实验室实现原理

在实验室进行振动试验，是通过振动试验系统，模拟产品预期经历的振动应力，并将振动应力施加于产品，实验室模拟的振动应力是根据产品实际使用现场实测数据合成的振动谱。我们先对目前主要的振动试验系统进行认识，实验室的振动模拟设备通常有电动振动系统、机械振动系统、液压振动系统，这三类振动系统主要性能比较见表1[1]。

在这三类振动系统中，目前实验室使用较广泛的是电动振动系统。电动振动系统由台体、控制仪、功率放大器、振动传感器组成，各部分通过连接形成闭环，振动系统图见图3。其实现原理是，先由控制仪根据控制谱条件，产生小功率驱动电信号，并将驱动电信号发送给功率放大器，经功率放大器放大后发送到振动台体的驱动线圈，驱动振动台运动，安装于振动台台面的振动传感器采集振动信号，再将振动信号反馈给控制仪，经控制仪解算，与标准谱对比，不断调整驱动信号，并发送给功率放大器驱动振动台运动，使实际控制谱在标准谱的容差范围内。实验室模拟振动条件，也就是标准谱是基于产品的实测振动。

在电动振动系统中，振动传感器是极为重要的一个环节，作用是采集或监测振动信号，反馈给控制仪解算。目前使用最为广泛的是压电式加速度传感器，压电式加速度传感器是一种以压电材料为转换元件的装置，振动时通过感受同振动方向一致的压力，产生电荷的变化，其电荷或电压的输出与加速度成正比，压电加速度传感器所输出的电信号是很微弱的电荷，需通过控制仪的前置放大器放大才能被振动系统使用。

4 振动试验控制方法

振动试验控制方法直接关系到振动应力施加能否满足试验条件，控制方法的選择取决于所要求的振动特性和平台/装备之间的动力耦合作用。主要有以下四种控制方法。

4.1 加速度输入控制方法

加速度输入控制方法是振动试验使用最多的方法，用于平台输入振动环境的控制，控制加速度传感器安装在夹具与产品连接位置上，并尽量靠近产品，采集安装处的振动信号，振动试验系统通过加速度传感器反馈信号与标准谱对比，并调整到规定试验容差。其特点是在产品与振动台体安装和实际安装情况一致时，可以很好的再现实际使用环境。

4.2 力限控制方法

力限控制方法基本原理是实验室使用试验夹具进行产品安装时，对应的机械阻抗和外场产品安装情况不一致，这样在产品共振频率处会诱发出过大的响应，造成过试验发生。因此，如能直接对夹具和产品之间的输入力进行控制，就能回避机械阻抗不匹配的问题。它与加速度输入控制方法相对应，主要用于平台输入力控制，控制时在夹具和产品中间安装动态力传感器，振动台的运动通过力传感器的反馈来控制。

4.3 加速度限控制方法

加速度限控制方法是一种辅助控制方法，它主要用于将产品规定位置的振动响应限制在某一量值之内，避免产品出现过大的响应的场合。加速度限制量值一般来自于外场实测响应数据，加速度限制点和外场测点应位于相同位置。加速度限控制方法一般和其他控制方法联合使用，使用加速度限进行辅助控制时，在加速度控制谱对应的限制频带上一般会出现凹谷。

4.4 加速度响应控制方法

加速度响应控制方法与加速度输入控制方法相对应，用于对产品上特定点的响应进行直接控制。使用振动输入点进行试验控制，并通过经验来调节试验量值，使产品上特定点的响应和预订的试验量级保持一致，这种方法对试验人员的要求很高。如果产品上特定点足够刚性，也可以直接使用产品上特定点作为控制点进行试验控制。

5 振动试验的安装要求

在振动试验中，产品是否能真正受到所规定的试验条件的考核，对于不同的人、不同的地点（设备）或不同的时间所做的试验，其是否具有高的再现性或满意的不确度，在很大的程度上还取决于试验时对样品的安装和固定。

5.1 振动试验夹具

振动试验夹具是产品与振动台之间的构件，用于将产品安装于振动台，将振动台的机械能量完全传递给试验件。一个好的振动夹具必须满足以下六点[2]，（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，一阶频率高于最高试验频率，大型夹具，一阶频率应高于试验件一阶固有频率的3～5倍；（2）夹具与试验件各连接点的响应要尽量一致，以确保试验输入的均匀性；（3）夹具的刚度/质量比要尽量大；（4）夹具的阻尼要尽量大；（5）夹具波形失真小；（6）应能模拟产品实际安装状态。满足以上六点，才能称之为合格的夹具。

5.2 试验产品固定

试验产品与夹具、或样品与振动台台面点接触的部分，在实际使用时，此处通常是固定样品的地方。如果产品的实际安装结构的一部分作夹具使用，则应取安装结构和振动台台面点接触的部分作固定点，可见固定点一定要选取在产品在实际使用时振动输入的地方。有时振动试验的目的不是为了考核产品经受环境应力的能力，而是要考核产品的内部结构强度，例如晶体管、集成电路的内强度试验，此时固定点就要选择在样品的本体上，使激振力通过壳体传到内部结构上。

5.3 传感器安装

振动传感器有控制传感器和监测传感器。控制传感器应安装于产品夹具与振动台台面的连接点处，并尽量靠近试验样品，理论上有几个连接点就应相应安装几个控制传感器，以保证振动输入的正确性，对于大型产品和夹具，更应如此。监测用传感器安装于产品需要监测振动量值的部位。

6 振动试验实施过程

振动试验主要按以下五个步骤和要求进行：（1）预处理，试验前应对产品进行全面检查，包括外观、结构、性能检查；（2）产品的安装，先将试验夹具与振动台台面用螺栓刚性连接。夹具重心与振动台的轴线相重合，再将试验样品安装在振动夹具的中心位置，并保證夹具和试验样品的安装方式符合规定的振动轴向；（3）试验应力施加，严格按照试验条件，通过振动试验系统对产品施加振动应力；（4）试验后检查，与试验前检查对应，发现产品的缺陷；（5）形成试验报告，利用产品结论对产品改进设计，提升质量和可靠性。

7 结束语

振动试验是一门技术要求较高的环境试验，本文从振动试验技术和应用方面做了详细地阐述和分析，对于指导试验现场开展振动试验有较大的帮助。另外，振动试验还包括标准、方法研究等方面，只有对这几个方面都有了深入理解，才能准确做好振动试验，达到高的再现性，为产品设计提供可靠的参考数据。

参考文献

[1]GJB150A-2009，军用装备实验室环境试验方法[S].中国人民解放军总装备部.2009.

[2]常志刚.振动、冲击试验技术及试验夹具设计技术讲座资料[M].航空工业生产力促进中心.2013，13-25.