電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(5) ——正弦振動(dòng)和掃頻

前文介紹了電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的一些基本概念和分類(lèi)，以及相關(guān)軟硬件系統(tǒng)。

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(1) —— 概述

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(2) —— 振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)類(lèi)型

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(3) ——振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文將開(kāi)始介紹具體的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，首先介紹最常見(jiàn)的振動(dòng)類(lèi)型——正弦振動(dòng)和掃頻。

正弦振動(dòng)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)主要目的是模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用等過(guò)程中經(jīng)受到的正弦振動(dòng)。通常正弦振動(dòng)主要由汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、飛機(jī)的槳葉和氣動(dòng)等旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩引起。

而現(xiàn)實(shí)中的振動(dòng)通常是隨機(jī)的，隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)振動(dòng)的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。但是由于多方面的原因，正弦振動(dòng)試驗(yàn)在各行各業(yè)仍然廣泛被采用，其原因主要包括：

通過(guò)正弦振動(dòng)試驗(yàn)，可有效獲取系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；

可模擬環(huán)境振動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)在正弦激勵(lì)下的承載能力；

歷史原因，包括之前設(shè)計(jì)和使用規(guī)范的繼承，試驗(yàn)設(shè)備和新規(guī)范的更新需要較長(zhǎng)的周期等。

總而言之，盡管正弦振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的驗(yàn)證是不充分和不全面的，但是正弦振動(dòng)在可見(jiàn)的未來(lái)是不會(huì)被取代的；而一些以正弦試驗(yàn)為主的行業(yè)，可能在未來(lái)會(huì)有更多形式的試驗(yàn)作為補(bǔ)充。

正弦振動(dòng)和仿真分析里的諧響應(yīng)分析對(duì)標(biāo)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的諧響應(yīng)分析(1) —— 諧響應(yīng)分析原理及應(yīng)用

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的諧響應(yīng)分析(2) —— 基于ANSYS的實(shí)現(xiàn)

正弦振動(dòng)的描述

正弦振動(dòng)通過(guò)頻率、振幅、相位可以完全描述，而對(duì)于我們只關(guān)心穩(wěn)態(tài)過(guò)程，相位信息是不需要的。

而事實(shí)上，正弦試驗(yàn)需要對(duì)連續(xù)頻率進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于無(wú)窮多個(gè)頻率進(jìn)行試驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的；此外，對(duì)于成百上千個(gè)正弦頻率激勵(lì)一個(gè)個(gè)試驗(yàn)也會(huì)花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間。實(shí)際的正弦試驗(yàn)大多數(shù)采用掃頻的技術(shù)，即正弦激勵(lì)每個(gè)時(shí)刻頻率都在變化；這種正弦試驗(yàn)還引入了試驗(yàn)時(shí)間，或者掃描速率這個(gè)概念；其時(shí)域上的曲線(xiàn)大致是這種形式。

在頻域上，有等幅值的，也有不等幅值的；由于振動(dòng)臺(tái)的限制，通常低頻由位移控制，高頻由加速度控制。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)中，需要確定頻率范圍、不同頻率下的振幅和掃描速率（與試驗(yàn)時(shí)間等同）。

頻率范圍和振幅都比較容易理解，這里簡(jiǎn)單介紹一下掃描速率。掃描一般分為頻率線(xiàn)性速率和對(duì)數(shù)速率2種形式；線(xiàn)性速率大約類(lèi)似x Hz/min這種形式，不過(guò)多做介紹；對(duì)數(shù)速率通常用倍頻程描述；對(duì)于頻率范圍比較廣的正弦試驗(yàn)，大多數(shù)采用對(duì)數(shù)速率。

很多設(shè)計(jì)師在正弦試驗(yàn)的時(shí)候，對(duì)倍頻程這個(gè)概念很困惑，這里簡(jiǎn)單介紹一下倍頻程的定義。

式中f1為當(dāng)前頻率，f0為基準(zhǔn)頻率，n就為倍頻程；由此可見(jiàn)，f1和f0之間并不是線(xiàn)性關(guān)系，而是和2n成線(xiàn)性關(guān)系，并且n可以為實(shí)數(shù)。如掃頻速度為每分鐘一個(gè)倍頻程/分(1 oct/min)，表示每分鐘頻率增加一倍；x oct/min，表示每分鐘頻率增加2x倍。掃描速率和試驗(yàn)時(shí)間是一個(gè)等價(jià)的概念，有關(guān)這些參數(shù)的計(jì)算，后續(xù)的系列文章將會(huì)有專(zhuān)門(mén)的介紹。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前，首先需要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，確定正弦振動(dòng)的試驗(yàn)類(lèi)型，通常包括：

特征掃頻，通常采用較小量級(jí)試驗(yàn)，目的是為了獲取系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；

常規(guī)正弦試驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)受的極端環(huán)境，開(kāi)展極限承載能力的試驗(yàn)；

定頻試驗(yàn)，在產(chǎn)品共振點(diǎn)進(jìn)行一定時(shí)間的耐振試驗(yàn)，考核產(chǎn)品抗共振能力；

確認(rèn)是在哪個(gè)階段開(kāi)展的試驗(yàn)，包括研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)等。

正弦試驗(yàn)需要確定頻率范圍、振幅、掃描速率；掃頻是頻率從高到低還是從低到高掃描，以及掃頻的次數(shù)等。其中，掃頻速率不僅影響試驗(yàn)的時(shí)間長(zhǎng)短，還會(huì)導(dǎo)致掃出的共振頻率有略微的偏移。

理想的試驗(yàn)曲線(xiàn)一般是一條或幾條折線(xiàn)描述，而實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程的控制曲線(xiàn)常常是這樣的。

由于振動(dòng)臺(tái)控制能力不是無(wú)限的，在系統(tǒng)共振點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)；在振動(dòng)臺(tái)介紹的那篇系列文章中，我們討論到，“通常對(duì)于給定的振動(dòng)譜，會(huì)設(shè)置一個(gè)容差限，其上下限作為允許的偏差，叫做上下報(bào)警限；原則上，認(rèn)為試驗(yàn)過(guò)程中，超出報(bào)警限的振動(dòng)激勵(lì)是不符合試驗(yàn)要求的；但是通常并不會(huì)要求的那么嚴(yán)格。”

此外，試驗(yàn)過(guò)程中，由于各方面的原因，可能還會(huì)采取下凹（也有叫做帶谷）、限幅等措施；其曲線(xiàn)大致是這樣的，其中畫(huà)紅圈的就是下凹的區(qū)間和幅度。

有關(guān)下凹和限幅等討論，將在后續(xù)系列文章一并開(kāi)展。

最后

本文介紹了振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中最常見(jiàn)的類(lèi)型——正弦振動(dòng)和掃頻，下文將對(duì)隨機(jī)振動(dòng)開(kāi)展介紹。