正弦振动和随机振动​

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　　任何产品在运输和实际使用中所遇到的振动，绝大多数就是随机性质的振动(而不是正弦振动)。例如，宇航器和导弹在发射和助推阶段的振动;火箭发动机的噪声和气动噪声使结构产生的振动;飞机(特别是高速飞机)的大功率喷气发动机的振动;飞机噪声使飞机结构产生的振动和大气湍流使机翼产生振动;飞机着陆和滑行时的振动;车辆在不平坦的道路上行驶时产生的振动;多变的海浪使船舶产生的振动等等都属于随机性质的振动。因此，随机振动试验才能更真实反映产品的耐振性能。

　　随机振动和正弦振动相比，随机振动的频率域宽，而且有一个连续的频谱，它能同时在所有频率上对产品进行激励，各种频率的相互作用远比用正弦振动仅对某些频率或连续扫频模拟上述振动的影响更严酷更真实和更有效。另外，用随机振动来研究产品的动态特性和结构的传递函数比用正弦振动的方法更为简单和优越。

　　随机振动和正弦振动一样能造成导线摩擦、紧固件松动、活动件卡死，从而破坏产品的连接、安装和固定。当随机振动激励造成的应力过大时，会使结构产生裂纹和断裂，特别在严重的共振状态下更为显著。长时间的随机振动，由于交变应力所产生的累积损伤，会使结构产生疲劳破坏。随机振动还会导致触点接触不良、带电元件相互接触或短路、焊点脱开、导线断裂以及产生强电噪声等。从而破坏产品的正常工作，使产品性能下降、失灵甚至失效。

　　为了能在试验室内模拟产品在现场所经受到的实际随机振动及其影响，工程技术人员为此付出了许多的努力。早在六十年代，国际上对随机振动的研究就十分活跃。不仅在理论上有了重大突破，而且有了较完善的试验方法和试验设备。1962年美国军标810中首先规定了随机振动试验方法。1964年英国国防部标准07-55中也提出了随机振动试验。1973年IEC公布了四个具有不同再现性宽带模拟式随机振动试验方法，到上世纪90年代又公布了数字式随机振动试验方法。目前国内的随机振动试验已很普及，随机振动试验设备，特别是一般用途的随机振动控制仪价格也不高。

　　1.随机振动的描述

　　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。

　　随机过程最明显的特点是非周期性，瞬时值无法预测;但并非无规律可言，而是表现出统计规律性。因此对随机信号的研究，处理和分析必须用统计的方法来进行。对某一随机过程，通常用下列四个方面的信息来描述它：

　　时域：有平均值、均方值、均方根值、方差等。

　　幅值域：有概率分布、概率密度等。

　　时差域：有自相关函数、互相关函数。

　　频率域：有自功率谱密度、互功率谱密谋、频率响应函数以及相干函数。

　　随机过程有平衡的和非平稳的，有各态历经的和非各态历经的。有正态分布的和非正态分布的。在随机振动试验的范畴内，通常假定为平稳的、各态历经的，并且是正态分布的。所以本文的叙述都是从这一假定出发的。

　　2.随机过程

　　按功率谱谱密度频谱的形状，即按随机过程的频率结构，产品现场出现的随机振动主要有下列形式：

　　(1) 宽带随机振动

　　宽带随机振动是指振动的能量分布在一个较宽的频率范围内的振动，一般运载工具,特别是空中运载工具，典型的是喷气式飞机的振动，他们所产生的振动属于宽带随机振动。

　　(2) 窄带随机振动

　　窄带随机振动是指振动的能量分布在一个较窄的频率范围内的振动，例如螺旋浆飞机由于螺旋浆叶转动时所带动的的旋转压力场将产生窄带随机振动，窄带随机的中心频率是螺旋浆叶的通过频率及其谐波(一般到4阶)，其窄带带宽为其通过频率(中心频率)及其各次谐波的±5%(漂移)。

　　(3) 宽带+窄带随机振动

　　上面讲的螺旋浆飞机，除窄带随机振动外，更主要的是各种振源引起的宽带随机振动，所以螺旋浆飞机的振动是宽带+窄带随机振动。又如安装在履带车辆上使用的和通过履带车辆运输的产品，通常会经受到以宽带为主+窄带的随机振动。宽带随机振动来自车辆的基本运动、支承系统、路面不平。窄带随机振动来自履带拍击地面的运动。

　　(4) 宽带随机振动+周期振动

　　宽带随机振动+周期振动是指在宽带随机振动上叠加正弦振动，直升飞机的振动往往是在宽带随机振动的基础上叠加很高的正弦振动。宽带随机振动来自直升飞机的各种振源，正弦振动是由直升飞机的的旋转部件产生的，如主旋翼、尾旋翼、发动机和变速箱的振动。

　　3.随机振动试验条件

　　随机振动试验的试验条件(严酷等级)参数

　　随机振动试验的试验条件(严酷等级)是由试验频率范围(Hz)、功率谱密度(g2/Hz)、功率谱密度的频谱、总均方根加速度(Grms)、试验时间四个参数组成。

　　(1) 试验频率范围

　　频率范围是指产品安装平台的振动对产品产生有效激励的最高频率和最低频率之间的频率。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;典型的高频是产品最高共振频率的两倍或其安装平台产生明显振动的最高频率，或是可以有效地、机械地传递振动的最高频率。通常认为机械传递的振动的最高频率是取2000Hz，尽管实际上常常会更低。如果需要2000Hz以上的频率，通常需要用噪声来进行。

　　(2)功率谱谱密度(g2/Hz)和功率谱谱密度的频谱

　　随机振动是以定义在相关频率范围内的PSD功率谱密度(ASD加速度谱密度)及功率谱谱密度的频谱的形式来表征。功率谱密度(加速度谱密度)是指单位频率上的能量，功率谱谱密度的频谱(加速度谱密度的频谱)是指振动能量在整个频率范围内的分布。

　　(3)总均方根加速度(Grms)

　　大家在谈到随机振动试验的试验条件(严酷等级)时，通常或习惯会用总均方根加速度(Grms)来衡量随机振动试验条件的高低或严酷程度，严格来说是不对的，也就是用Grms值来规定振动条件是不对的，因为总均方根加速度(Grms)值是功率谱谱密度的频谱在全频段范围内面积的积分，即方均根值，它不包含任何频率信息。因此Grms值通常用来进行试验误差控制与检测，以及根据试验样品的重量、体积、动态特性来选需多大推力(功率)的振动台。

　　从上述的叙述可见，评价随机振动试验应力大小的真正判据应该是“在给定频率范围内的加速度谱密度高低，即看随机振动试验的加速度谱密度频谱曲线，而不是看总均方根加速度(GrmsS值)的高低”。对这一点，无论是GJB150还是GJB899在给机载设备振动应力时，一般只给出加速度谱密度，从不给出出总均方根加速度(Grms值)。

　　(4)试验时间

　　试验时间就是进行随机振动的持续时间，通常分为功能(性能)和强度(耐久)二种试验时间。对空中运载工具及空中运载工具上使用的设备，耐久试验的时间通常为功能试验时间的1.6倍。

　　4.随机振动试验条件要求

　　与其它环境试验项目一样，对元器件和货架产品(除特殊订货和特殊要求)，一般都采用标准中的系列化的试验条件(严酷等级)，对军品和新品应采用产品实际安装平台的振动条件。下面就以后者的事例此来说明随机振动试验的条件要求。

　　5.对试验设备的要求

　　随机振动试验用的是统计特征参数，并且是通过这些特征参数产生所要求的随机振动试验时间历程来对产品进行试验的。随机振动控制仪有一白噪声发生器，在进行试验前的随机振动试验设定时，按设定的频率范围(试验要求的)给出该频率范围的白噪声，然后按设定的功率谱密度的频谱(试验要求的)，使白噪声在各频率上的能量按功率谱密度的频谱产生变化，即形成试验要求的功率谱密度频谱曲线。该曲线是频域信号，它还必须通过控制仪的逆福里叶变换变成推动振动台台体运动的时域信号。应该说我们在现场感觉到的随机振动是时域信号，其幅值是随着时间不断变化的，但该某时段的时域信号是无法代表产品在全寿命周期中所遇到的各种不同频率范围和不同振幅的随机振动，所以必须将全寿命周期中所遇到的各种时域信号利用频域的统计特征参数，将其转变成频域信号，即试验规范中的：试验频率范围(Hz)、功率谱密度(g2/Hz)、功率谱密度的频谱。在进行试验室随机振动试验时将频率范围(Hz)、功率谱密度(g2/Hz)、功率谱密度的频谱输入控制仪，然后由控制仪通过逆福里叶变换还原成现场振动的那种时间历程来推动振动台体运动。

　　与正弦振动试验一样，对随机振动试验系统的要求，不是指振动试验系统技术条件中的技术指标要求，而是指试验台装上样品(包括夹具)后进行试验时，在固定点、检测点和控制点上的要求。这些要求有：

　　(1)基本运动

　　与正弦振动试验要求一样，随机振动台体被激励时，样品各固定点应尽可能产生如图13-1所示的同相并沿平行直线运动，并且试验样品各固定点的基本运动应具有大体相同的运动。

　　(2)瞬时加速度的分布

　　随机台对样品激励时，控制点上的瞬时加速度的分布应为标准正态分布(若各检测点的运动很难达到完全相同时，则应采用多点控制)，如下图13-11a所示。一般来说，实际得到的概率密度曲线与标准的标准正态分布曲线相比，其最大值不应超过10%，对大多数随机试验系统都能达到这一要求，对一些特别重要的试验需要验证。如果使用虚拟的控制点进行控制，所有用来构成加速度谱密度的控制点都应满足此分布。

　　如果试验频率范围内低频段(如低于20Hz)的加速度谱密度很高时，其峰值位移可能会超过振动设备的能力(51mm峰峰值)，在这些情况下，有必要减少峰值因子到一个合适的量级，以便产生可接受的峰值位移。一般是减少(削波)到最大峰值与方均根值之比在2. 5倍到3倍之间，下图13-11b是削波后的瞬时加速度的分布。可见峰值因子或者信号削波量级限制了宽带随机过程的瞬时值, 对于正态分布随机振幅，如果采用2.5的峰值因子，则大约99%瞬时驱动信号直接施加于功率放大器。

　　6. 试验程序

　　随机振动试验的试验程序通常由预处理、初始检测、初始响应检查、均衡、功能试验、耐久试验、最后响应检查、恢复、最后检测等各步组成。其中初始与最后响应检查、均衡、功能试验、耐久试验有别于其它力学环境试验。

　　7.初始与最后响应检查

　　初始与最后响应检查是为了试验样品的动态特性，样品和夹具的相互特性，以便试验样品能在随机振动试验设备动态范围内(或合适位置上)合理控制试验，对用模拟式控制的随机台(现几乎没有，但国标和IEC标准仍保留了该试验方法)进行试验时，试验前首先需要通过响应检查得出波峰幅值、波峰频率、波谷幅值、波谷频率、峰谷幅值比、峰谷频率比等参数。响应检查另一个目的是为了帮助分析和确定由随机振动试验引起的各种故障和疲劳破坏，其方法是通过记录和比较在初始与最后响应检查中所发现的机械共振和其它响应(如故障、性能超差等)现象的危险频率所发生的变化来进行。初始与最后响应检查一般采用正弦振动来进行，国标和IEC标准中对初始与最后响应检查的振动量级为：13.6.2 均衡

　　由于随机振动试验比较复杂，为了避免试验前的激励对试验样品产生附加的影响，所以在随机振动试验前需要预调(预试验)，即均衡。均衡就是补偿试验样品(含夹具)的动态特性，也就是按规定的加速度谱密度的频谱分配振动能量。均衡通常先在较低的量级上进行，使谱密度修正到容差范围内，然后逐步向高能级上进行，直到达到所规定的并符合容差要求的谱密度。为了保证样品不产生过试验，均衡的时间通常是有限制的，国标和IEC的规定为：

　　小于规定等级的25%，无时间限制;

　　在规定等级的25%~50%，其均衡时间不超过规定试验时间的1.5倍;

　　在规定等级的50%~100%，其均衡时间不超过规定试验时间的10%;

　　通常的做法是，先从-12dB开始，然后-9dB、-6dB、-3dB、到0dB，一步一步平稳上升直到规定的试验量级0dB。上述试验时间不能从规定的试验时间中扣除。

　　随机振动试验的成败及其再现性，在很大程度上取决于均衡与控制，与正弦振动试验一样，对小样品或各固定点处的机械阻抗没有显著差别的样品，通常都采用单点均衡与控制;多点均衡与控制主要用于大型和复杂的样品，大型和复杂的样品由于各固定点之间的距离大，而且需要复杂的装夹，同时由于样品和夹具的共振和反共振，使得传递特性有较大的动态范围，再加上振动台面的不均匀度等原因，用单点均衡与控制对整个被试系统很难有代表性。同时以单点控制施加给样品的加速度谱密度和总方均根加速度及其容差，很难保证其它点上也是这样，并都在容差范围内。当采用多点均衡与控制时，由于将各点上的信号进行统计平均，提取最大值或最小值，从而建立起一个具有代表性的虚拟控制点，所以对整个系统更具有代表性，它能确保试验所需的条件(严酷等级)，也保证了试验的再现性。

　　无论是单点均衡与控制还是多均衡与控制，其控制点都必须选择好。单点均衡与控制，可从四个检测点中选择最有代表性的一个检测点作为控制点，其它三个点上的信号可以引出来作为检测验证用;对多点控制至少应将三个或三个以上的检测点上的信号加以统计平均，或取最大值或最小值(通常是使最小值与所规定的谱密度相一致)作为均衡与控制信号。

　　8. 功能试验和耐久(强度)试验

　　功能试验是考核产品在振动状态下的工作能力，例如是否产生故障、失灵、性能下降等。功能试验可在产品的正常工作状态下进行，也可在最严酷的工作条件下进行，视试验目的的不同而不同。功能试验用的振动量级通常为所规定的全量级，但当样品存在明显非线性等情况时，也可在较低能级上进行。在功能试验期间，所测量和记录功能和性能指标应达到样品所要求的功能和性能指标容差。

　　耐久(强度)试验主要考核产品与其寿命相一致的结构强度和功能寿命，也就是保证在通常的使用和维修条件下所应达到的寿命。对非运载工具上使用的产品应称振动强度试验，因为对电子产品而言，主要是刚度问题，不是强度问题。特别对非运动状态下使用的产品，只要通过振动强度试验的考核就可以了，不会有疲劳问题，即耐久问题。即使在运载工具使用的产品，除对电子产品的结构重量要求非常苛刻(例如像要求运载工具本身那样要求)，否则也不会有疲劳问题，因为电子产品的结构强度相对于运载工具都是很富有余的。在进行耐久(强度)试验时，试验样品可在工作状态下，或部分工作状态下，或在不工作状态下进行。做耐久(强度)试验时，应测量和记录样品的性能，但试验结束后的测量不能出现功能和性能下降现象。

　　功能试验和耐久(强度)试验与正弦振动试验一样，可以合在一起进行，也可分开来进行。无论是功能试验还是耐久(强度)试验，一般都在三个相互垂直的三个方向上进行，标准与规范上的要求往往是三个方向上振动量级相同，其实在许多情况下水平二个方向上振动量级都小于垂直方向，如果产品研制中需要降低水平二个方向上振动量级，则可产品技术规范与试验大纲中作出规定。如不作特别规定，三个方向的试验顺序并不重要，可以视试验的具体情况而定。

　　在功能试验和耐久(强度)试验期间，对一些特别重要的样品或防止对试验结果引起争论，则应抽取瞬时加速度的时间历程样本，以对加速度谱密度进行验证。对较长时间的试验应试验开始、中间、结束时都抽取样本。在试验过程中，若安装和紧固发生了变化，则一定要抽取追加样本，以观察加速度谱密度是否发生了变化没有。

　　9. 随机推力与总方均根值的计算

　　随机推力的计算

　　在随机振动试验前,首先要选用一合适的振动台,因为随机振动的试验费高,而且推力愈大试验价格愈高,而且这种试验设备价格比不是线性关系,似乎是指数关系。所以首先要按被试产品重量、夹具重量、试验要求的总方均根加速度、振动台运动部件重量等计算出需多大推力的振动台。

　　总方均根加速度的计算

　　随机振动试验的总方均根加速度是加速度功率谱谱密度曲线下总面积的开方。

　　正弦拍频振动

　　10. 试验目的、影响机理、失效模式

　　产品在运输、储存、使用过程中会经受到地震、爆炸、颤振现象或机械振动等所引起的短持续时间的脉冲震荡力的作用，图14-1中的振动时间历程就是在歼击机上实测到的振动时间历程。那些在使用环境中安装在易受到随机或多频激励的结构上的产品，在这种短持续

　　11. 正弦拍频振动的描述

　　所谓正弦拍频是指用一较低的正弦波调制的某一频率的连续正弦波，一个正弦拍频的持续时间为调制频率的半个周期，如下图14-2所示。用正弦拍频振动试验方法进行试验时，样品在固定频率上用若干预定的正弦拍频振动激励。

　　12. 正弦拍频振动试验条件

　　正弦拍频振试试验只有IEC和国标有此试验方法，美军标和国军标没有这种试验方法。正弦拍频振动试验条件(试验严酷等级)由试验频率、试验量值、正弦拍频中的循环数、正弦拍频的个数等参数组合确定。同其它经典试验方法一样，如果有产品安装平台环境条件数据就用产品安装平台的数据，如果没有，或是可用多种场合的货架产品，可以根据下面给出的条件通过工程判断来确定时间历程振动试验的条件。

　　13.试验频率

　　试验频率是指激励样品的频率，正弦拍频振试验的频率是由预定频率(含共振频率)、或由振动响应检查得出的危险频率二种，或两种频率同时兼有.当在振动响应检查中未发现危险频率时,可在所规定的试验频率范围以不大于二分之一倍频程为一频率点的频率上进行试验。由上述可见，在未规定预定频率的情况下，要确定试验的频率，首先要确定振动响应检查的频率范围。例如地震时，地面振动的频率一般在1-33Hz的范围内，但本方法考虑的是地震通过建筑物至产品安装结构传递时，在其自然频率上产生的拍频振动对产品的影响，所以振动响应检查的频率范围，将视产品的具体情况不完全与之相同。国标和IEC标准中用于正弦拍频振试验试验频率可从下表14-1中选取一个下限频率f1和选取一个上限频率f2来构成试验频率范围，也可从下表14-1中选取一个推荐的振动响应检查的试验频率范围。

　　14. 试验目的、影响机理、失效模式

　　产品在运输、贮存和使用期间可能会经常受到短持续时间的随机形式的动态应力作用，如地震、爆炸以及在运载工具上使用或通过运输工具运输时产品中就会所产生这些应力，这些力的特性和样品的阻尼(描述系统中各种机理产生的能量损失，阻尼取决于许多参数，如系统结构、振动模态、材料等)往往会使样品的振动响应达不到稳态条件，属非平稳随机振动范畴。

　　这种力既不同于一般的平稳随机振动，又不同于简单的正弦振动。这种振动会导致产品的结构破坏，性能下降，工作不稳定，甚至工作中断。根据我国某单位90年代对机载(歼击机)、车载电子设备的安装平台振动环境条件的实测和数据处理过程统计，这种波形占全部所测时间历程数据的比例约为8%到10%。

　　研究这种时间历程产生的原因，对产品的影响机理，以及试验室的模拟技术。在试验室采用时间历程法来模拟这种振动形式，并分析其对电子产品的影响，借以提高电子产品抗御这种非稳态振动的能力，应作为我们今后开展环境试验设备和环境试验技术研究的任务之一。为了国际贸易的需要，参与国际市场竞争，特别是便于产品的进出口，我们也应重视该这种试验技术和标准的研究与应用。

　　本试验的目的是规定一个时间历程振动方法来确定样品经受(抗御)规定严酷等级瞬时振动的能力。并以此来确定样品的功能、性能及薄弱环节，并用这些信息结合产品的技术规范等来确定产品是否符合设计指标要求，是否被接收。

　　与其它方法相比，时间历程试验避免了过试验的倾向。这是因为该方法尽可能真实地重现或密切地代表了实际环境，对由于采用太保守的试验方法(这是当前在制定和确定经典试验方法的环境试验条件时普遍存在的)而由此而产生过应力或疲劳的可能性将大大减少。

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