印制板模态测试方法研究

安立宝 彭立晓

（天津航空机电有限公司，天津 300000）

振动试验是航空电子设备环境试验中的重要一项。电子设备在使用中由于振动因素而导致失效的占比达到27%以上[1]，绝大部分问题是产品内部元器件的脱落、管脚断裂以及元器件功能失效等，可见提高电子设备的抗振性能至关重要，应对印制板（Printed Circuit Board，PCB）的振动特性进行研究。印制板的模态特性决定了其在受到振动激励时的响应情况，所以在印制板设计阶段、试验验证阶段以及优化方案验证阶段，对印制板的模态测试必不可少。本文对不同试验目的下印制板模态试验方法进行研究。

1 试验准备

1.1 约束方式

在实验模态分析中，有将产品用橡皮自由悬挂或用泡沫垫起来和保持产品的原来的边界条件两种结构支撑方式。自由模态测试方法中，产品具有6个频率为零的刚体自由度。当刚体模态的频率小于第一阶振动模态的20%时，可以认为刚体模态不会对振动模态产生影响。保持产品原来的边界条件这种支撑方式，能够获得完整的数据。如果是为了建立或修正有限元模型，应该选择将产品用橡皮自由悬挂或用泡沫垫起来；如果是研究结构的减振技术，则应该尽可能模拟结构的实际安装状况，选择保持产品原来的边界条件[2]。

1.2 激励方式

激励方式要根据试验条件选择。单点激振技术是目前广泛采用的技术。采用单点激励技术中的锤击脉冲瞬态激励方法，即用带有力传感器的力锤敲击产品，给产品一个脉冲力，同时在需要测量的位置安装加速度计测量响应，将力信号和响应信号经放大器放大后输入动态信号分析仪中进行模态参数识别[3]。

印制板需要测点数量较多，且传感器质量对于结构特性的影响较大，故选择多点激励单点响应的测试方法。

1.3 测点选取

锤击法模态测试分为移动传感器法和移动力锤法。在锤击法模态分析中，敲击点和响应点的选择至关重要。为了避免传感器质量影响和减少试验次数，印制板选取移动力锤法进行试验[4]。选择印制板中一点作为参考点布置加速度传感器，而锤击点均匀分布于印制板整个面。此种情况下要获得高阶模态，需要比较密集的锤击点。

1.4 试验设备

为了减轻传感器质量对印制板的影响，选取质量较轻的单向加速度传感器（质量为1 g）进行测试。用锤击法进行测试，需要用到力锤进行激励。试验关注频率为2 000 Hz以内，故选取塑料锤头进行测试。

2 试验方法及结果

2.1 自由模态测试

将产品用橡皮绳吊起来，采用移动力锤法，将参考加速度传感器布置在图1中的6点位置。25个锤击点均匀分布，如图1所示。印制板的测试结果如表1所示，最终测试得到模态频率、模态阻尼和模态振型，如图2～图5所示。

图2 电路板模态振型（87.5 Hz）

图5 电路板模态振型（468.0 Hz）

表1 印制板自由模态测试结果

图1 自由模态测试

图3 电路板模态振型（152.0 Hz）

印制板的刚体模态为30.0 Hz，远远小于一阶模态87.5 Hz，说明试验约束条件满足要求。

通过振型可以看出：1阶、2阶为弯曲模态；4阶为2阶弯曲模态；3阶模态由于布点数量少，振型不明显。目前，布点数量可以满足仿真验证模型要求。

图4 电路板模态振型（281.0 Hz）

2.2 约束模态（锁紧安装方式）

将产品模拟真实安装状态进行安装，用锁紧条牢固安装在夹具上[5-8]。应用移动力锤法，将参考加速度传感器布置在图2中6点位置，锤击点共25个，均匀分布，如图6所示[9-10]。印制板约束模态测试结果如表2所示，测试得到模态频率、模态阻尼和模态振型，如图7～图10所示。

表2 印制板约束模态测试结果

图6 约束模态测试

图7 电路板模态振型（105 Hz）

图8 电路板模态振型（286 Hz）

图9 电路板模态振型（495 Hz）

图10 电路板模态振型（575 Hz）

3 结语

本文通过对电路板进行自由模态与约束模态测试，得到产品在自由与模拟实际约束状态下的模态频率、模态振型和模态阻尼。自由模态试验结果可以用于仿真数据验证模型，而约束模态试验结果可以用于产品研制试验和产品故障排除。通过模态测试，可为结构设计和修改提供参考。