正弦振動和隨機振動?

本文轉自：http://www.zhendongshiyan.cn/zxzx/2017/0609/329.html

　　任何產品在運輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數就是隨機性質的振動(而不是正弦振動)。例如，宇航器和導彈在發射和助推階段的振動;火箭發動機的噪聲和氣動噪聲使結構產生的振動;飛機(特別是高速飛機)的大功率噴氣發動機的振動;飛機噪聲使飛機結構產生的振動和大氣湍流使機翼產生振動;飛機著陸和滑行時的振動;車輛在不平坦的道路上行駛時產生的振動;多變的海浪使船舶產生的振動等等都屬于隨機性質的振動。因此，隨機振動試驗才能更真實反映產品的耐振性能。

　　隨機振動和正弦振動相比，隨機振動的頻率域寬，而且有一個連續的頻譜，它能同時在所有頻率上對產品進行激勵，各種頻率的相互作用遠比用正弦振動僅對某些頻率或連續掃頻模擬上述振動的影響更嚴酷更真實和更有效。另外，用隨機振動來研究產品的動態特性和結構的傳遞函數比用正弦振動的方法更為簡單和優越。

　　隨機振動和正弦振動一樣能造成導線摩擦、緊固件松動、活動件卡死，從而破壞產品的連接、安裝和固定。當隨機振動激勵造成的應力過大時，會使結構產生裂紋和斷裂，特別在嚴重的共振狀態下更為顯著。長時間的隨機振動，由于交變應力所產生的累積損傷，會使結構產生疲勞破壞。隨機振動還會導致觸點接觸不良、帶電元件相互接觸或短路、焊點脫開、導線斷裂以及產生強電噪聲等。從而破壞產品的正常工作，使產品性能下降、失靈甚至失效。

　　為了能在試驗室內模擬產品在現場所經受到的實際隨機振動及其影響，工程技術人員為此付出了許多的努力。早在六十年代，國際上對隨機振動的研究就十分活躍。不僅在理論上有了重大突破，而且有了較完善的試驗方法和試驗設備。1962年美國軍標810中首先規定了隨機振動試驗方法。1964年英國國防部標準07-55中也提出了隨機振動試驗。1973年IEC公布了四個具有不同再現性寬帶模擬式隨機振動試驗方法，到上世紀90年代又公布了數字式隨機振動試驗方法。目前國內的隨機振動試驗已很普及，隨機振動試驗設備，特別是一般用途的隨機振動控制儀價格也不高。

　　1.隨機振動的描述

　　在隨機振動試驗中，由于振動的質點處于不規則的運動狀態，永遠不會精確的重復，對其進行一系列的測量，各次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預先知道，因此就不可能用簡單的周期函數和函數的組合來描述。

　　隨機過程最明顯的特點是非周期性，瞬時值無法預測;但并非無規律可言，而是表現出統計規律性。因此對隨機信號的研究，處理和分析必須用統計的方法來進行。對某一隨機過程，通常用下列四個方面的信息來描述它：

　　時域：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。

　　時差域：有自相關函數、互相關函數。

　　頻率域：有自功率譜密度、互功率譜密謀、頻率響應函數以及相干函數。

　　隨機過程有平衡的和非平穩的，有各態歷經的和非各態歷經的。有正態分布的和非正態分布的。在隨機振動試驗的范疇內，通常假定為平穩的、各態歷經的，并且是正態分布的。所以本文的敘述都是從這一假定出發的。

　　2.隨機過程

　　按功率譜譜密度頻譜的形狀，即按隨機過程的頻率結構，產品現場出現的隨機振動主要有下列形式：

　　(1) 寬帶隨機振動

　　寬帶隨機振動是指振動的能量分布在一個較寬的頻率范圍內的振動，一般運載工具,特別是空中運載工具，典型的是噴氣式飛機的振動，他們所產生的振動屬于寬帶隨機振動。

　　(2) 窄帶隨機振動

　　窄帶隨機振動是指振動的能量分布在一個較窄的頻率范圍內的振動，例如螺旋漿飛機由于螺旋漿葉轉動時所帶動的的旋轉壓力場將產生窄帶隨機振動，窄帶隨機的中心頻率是螺旋漿葉的通過頻率及其諧波(一般到4階)，其窄帶帶寬為其通過頻率(中心頻率)及其各次諧波的±5%(漂移)。

　　(3) 寬帶+窄帶隨機振動

　　上面講的螺旋漿飛機，除窄帶隨機振動外，更主要的是各種振源引起的寬帶隨機振動，所以螺旋漿飛機的振動是寬帶+窄帶隨機振動。又如安裝在履帶車輛上使用的和通過履帶車輛運輸的產品，通常會經受到以寬帶為主+窄帶的隨機振動。寬帶隨機振動來自車輛的基本運動、支承系統、路面不平。窄帶隨機振動來自履帶拍擊地面的運動。

　　(4) 寬帶隨機振動+周期振動

　　寬帶隨機振動+周期振動是指在寬帶隨機振動上疊加正弦振動，直升飛機的振動往往是在寬帶隨機振動的基礎上疊加很高的正弦振動。寬帶隨機振動來自直升飛機的各種振源，正弦振動是由直升飛機的的旋轉部件產生的，如主旋翼、尾旋翼、發動機和變速箱的振動。

　　3.隨機振動試驗條件

　　隨機振動試驗的試驗條件(嚴酷等級)參數

　　隨機振動試驗的試驗條件(嚴酷等級)是由試驗頻率范圍(Hz)、功率譜密度(g2/Hz)、功率譜密度的頻譜、總均方根加速度(Grms)、試驗時間四個參數組成。

　　(1) 試驗頻率范圍

　　頻率范圍是指產品安裝平臺的振動對產品產生有效激勵的最高頻率和最低頻率之間的頻率。典型的低頻通常是取產品最低共振頻率的一半或其安裝平臺產生明顯振動的最低頻率;典型的高頻是產品最高共振頻率的兩倍或其安裝平臺產生明顯振動的最高頻率，或是可以有效地、機械地傳遞振動的最高頻率。通常認為機械傳遞的振動的最高頻率是取2000Hz，盡管實際上常常會更低。如果需要2000Hz以上的頻率，通常需要用噪聲來進行。

　　(2)功率譜譜密度(g2/Hz)和功率譜譜密度的頻譜

　　隨機振動是以定義在相關頻率范圍內的PSD功率譜密度(ASD加速度譜密度)及功率譜譜密度的頻譜的形式來表征。功率譜密度(加速度譜密度)是指單位頻率上的能量，功率譜譜密度的頻譜(加速度譜密度的頻譜)是指振動能量在整個頻率范圍內的分布。

　　(3)總均方根加速度(Grms)

　　大家在談到隨機振動試驗的試驗條件(嚴酷等級)時，通常或習慣會用總均方根加速度(Grms)來衡量隨機振動試驗條件的高低或嚴酷程度，嚴格來說是不對的，也就是用Grms值來規定振動條件是不對的，因為總均方根加速度(Grms)值是功率譜譜密度的頻譜在全頻段范圍內面積的積分，即方均根值，它不包含任何頻率信息。因此Grms值通常用來進行試驗誤差控制與檢測，以及根據試驗樣品的重量、體積、動態特性來選需多大推力(功率)的振動臺。

　　從上述的敘述可見，評價隨機振動試驗應力大小的真正判據應該是“在給定頻率范圍內的加速度譜密度高低，即看隨機振動試驗的加速度譜密度頻譜曲線，而不是看總均方根加速度(GrmsS值)的高低”。對這一點，無論是GJB150還是GJB899在給機載設備振動應力時，一般只給出加速度譜密度，從不給出出總均方根加速度(Grms值)。

　　(4)試驗時間

　　試驗時間就是進行隨機振動的持續時間，通常分為功能(性能)和強度(耐久)二種試驗時間。對空中運載工具及空中運載工具上使用的設備，耐久試驗的時間通常為功能試驗時間的1.6倍。

　　4.隨機振動試驗條件要求

　　與其它環境試驗項目一樣，對元器件和貨架產品(除特殊訂貨和特殊要求)，一般都采用標準中的系列化的試驗條件(嚴酷等級)，對軍品和新品應采用產品實際安裝平臺的振動條件。下面就以后者的事例此來說明隨機振動試驗的條件要求。

　　5.對試驗設備的要求

　　隨機振動試驗用的是統計特征參數，并且是通過這些特征參數產生所要求的隨機振動試驗時間歷程來對產品進行試驗的。隨機振動控制儀有一白噪聲發生器，在進行試驗前的隨機振動試驗設定時，按設定的頻率范圍(試驗要求的)給出該頻率范圍的白噪聲，然后按設定的功率譜密度的頻譜(試驗要求的)，使白噪聲在各頻率上的能量按功率譜密度的頻譜產生變化，即形成試驗要求的功率譜密度頻譜曲線。該曲線是頻域信號，它還必須通過控制儀的逆福里葉變換變成推動振動臺臺體運動的時域信號。應該說我們在現場感覺到的隨機振動是時域信號，其幅值是隨著時間不斷變化的，但該某時段的時域信號是無法代表產品在全壽命周期中所遇到的各種不同頻率范圍和不同振幅的隨機振動，所以必須將全壽命周期中所遇到的各種時域信號利用頻域的統計特征參數，將其轉變成頻域信號，即試驗規范中的：試驗頻率范圍(Hz)、功率譜密度(g2/Hz)、功率譜密度的頻譜。在進行試驗室隨機振動試驗時將頻率范圍(Hz)、功率譜密度(g2/Hz)、功率譜密度的頻譜輸入控制儀，然后由控制儀通過逆福里葉變換還原成現場振動的那種時間歷程來推動振動臺體運動。

　　與正弦振動試驗一樣，對隨機振動試驗系統的要求，不是指振動試驗系統技術條件中的技術指標要求，而是指試驗臺裝上樣品(包括夾具)后進行試驗時，在固定點、檢測點和控制點上的要求。這些要求有：

　　(1)基本運動

　　與正弦振動試驗要求一樣，隨機振動臺體被激勵時，樣品各固定點應盡可能產生如圖13-1所示的同相并沿平行直線運動，并且試驗樣品各固定點的基本運動應具有大體相同的運動。

　　(2)瞬時加速度的分布

　　隨機臺對樣品激勵時，控制點上的瞬時加速度的分布應為標準正態分布(若各檢測點的運動很難達到完全相同時，則應采用多點控制)，如下圖13-11a所示。一般來說，實際得到的概率密度曲線與標準的標準正態分布曲線相比，其最大值不應超過10%，對大多數隨機試驗系統都能達到這一要求，對一些特別重要的試驗需要驗證。如果使用虛擬的控制點進行控制，所有用來構成加速度譜密度的控制點都應滿足此分布。

　　如果試驗頻率范圍內低頻段(如低于20Hz)的加速度譜密度很高時，其峰值位移可能會超過振動設備的能力(51mm峰峰值)，在這些情況下，有必要減少峰值因子到一個合適的量級，以便產生可接受的峰值位移。一般是減少(削波)到最大峰值與方均根值之比在2. 5倍到3倍之間，下圖13-11b是削波后的瞬時加速度的分布。可見峰值因子或者信號削波量級限制了寬帶隨機過程的瞬時值, 對于正態分布隨機振幅，如果采用2.5的峰值因子，則大約99%瞬時驅動信號直接施加于功率放大器。

　　6. 試驗程序

　　隨機振動試驗的試驗程序通常由預處理、初始檢測、初始響應檢查、均衡、功能試驗、耐久試驗、最后響應檢查、恢復、最后檢測等各步組成。其中初始與最后響應檢查、均衡、功能試驗、耐久試驗有別于其它力學環境試驗。

　　7.初始與最后響應檢查

　　初始與最后響應檢查是為了試驗樣品的動態特性，樣品和夾具的相互特性，以便試驗樣品能在隨機振動試驗設備動態范圍內(或合適位置上)合理控制試驗，對用模擬式控制的隨機臺(現幾乎沒有，但國標和IEC標準仍保留了該試驗方法)進行試驗時，試驗前首先需要通過響應檢查得出波峰幅值、波峰頻率、波谷幅值、波谷頻率、峰谷幅值比、峰谷頻率比等參數。響應檢查另一個目的是為了幫助分析和確定由隨機振動試驗引起的各種故障和疲勞破壞，其方法是通過記錄和比較在初始與最后響應檢查中所發現的機械共振和其它響應(如故障、性能超差等)現象的危險頻率所發生的變化來進行。初始與最后響應檢查一般采用正弦振動來進行，國標和IEC標準中對初始與最后響應檢查的振動量級為：13.6.2 均衡

　　由于隨機振動試驗比較復雜，為了避免試驗前的激勵對試驗樣品產生附加的影響，所以在隨機振動試驗前需要預調(預試驗)，即均衡。均衡就是補償試驗樣品(含夾具)的動態特性，也就是按規定的加速度譜密度的頻譜分配振動能量。均衡通常先在較低的量級上進行，使譜密度修正到容差范圍內，然后逐步向高能級上進行，直到達到所規定的并符合容差要求的譜密度。為了保證樣品不產生過試驗，均衡的時間通常是有限制的，國標和IEC的規定為：

　　小于規定等級的25%，無時間限制;

　　在規定等級的25%~50%，其均衡時間不超過規定試驗時間的1.5倍;

　　在規定等級的50%~100%，其均衡時間不超過規定試驗時間的10%;

　　通常的做法是，先從-12dB開始，然后-9dB、-6dB、-3dB、到0dB，一步一步平穩上升直到規定的試驗量級0dB。上述試驗時間不能從規定的試驗時間中扣除。

　　隨機振動試驗的成敗及其再現性，在很大程度上取決于均衡與控制，與正弦振動試驗一樣，對小樣品或各固定點處的機械阻抗沒有顯著差別的樣品，通常都采用單點均衡與控制;多點均衡與控制主要用于大型和復雜的樣品，大型和復雜的樣品由于各固定點之間的距離大，而且需要復雜的裝夾，同時由于樣品和夾具的共振和反共振，使得傳遞特性有較大的動態范圍，再加上振動臺面的不均勻度等原因，用單點均衡與控制對整個被試系統很難有代表性。同時以單點控制施加給樣品的加速度譜密度和總方均根加速度及其容差，很難保證其它點上也是這樣，并都在容差范圍內。當采用多點均衡與控制時，由于將各點上的信號進行統計平均，提取最大值或最小值，從而建立起一個具有代表性的虛擬控制點，所以對整個系統更具有代表性，它能確保試驗所需的條件(嚴酷等級)，也保證了試驗的再現性。

　　無論是單點均衡與控制還是多均衡與控制，其控制點都必須選擇好。單點均衡與控制，可從四個檢測點中選擇最有代表性的一個檢測點作為控制點，其它三個點上的信號可以引出來作為檢測驗證用;對多點控制至少應將三個或三個以上的檢測點上的信號加以統計平均，或取最大值或最小值(通常是使最小值與所規定的譜密度相一致)作為均衡與控制信號。

　　8. 功能試驗和耐久(強度)試驗

　　功能試驗是考核產品在振動狀態下的工作能力，例如是否產生故障、失靈、性能下降等。功能試驗可在產品的正常工作狀態下進行，也可在最嚴酷的工作條件下進行，視試驗目的的不同而不同。功能試驗用的振動量級通常為所規定的全量級，但當樣品存在明顯非線性等情況時，也可在較低能級上進行。在功能試驗期間，所測量和記錄功能和性能指標應達到樣品所要求的功能和性能指標容差。

　　耐久(強度)試驗主要考核產品與其壽命相一致的結構強度和功能壽命，也就是保證在通常的使用和維修條件下所應達到的壽命。對非運載工具上使用的產品應稱振動強度試驗，因為對電子產品而言，主要是剛度問題，不是強度問題。特別對非運動狀態下使用的產品，只要通過振動強度試驗的考核就可以了，不會有疲勞問題，即耐久問題。即使在運載工具使用的產品，除對電子產品的結構重量要求非常苛刻(例如像要求運載工具本身那樣要求)，否則也不會有疲勞問題，因為電子產品的結構強度相對于運載工具都是很富有余的。在進行耐久(強度)試驗時，試驗樣品可在工作狀態下，或部分工作狀態下，或在不工作狀態下進行。做耐久(強度)試驗時，應測量和記錄樣品的性能，但試驗結束后的測量不能出現功能和性能下降現象。

　　功能試驗和耐久(強度)試驗與正弦振動試驗一樣，可以合在一起進行，也可分開來進行。無論是功能試驗還是耐久(強度)試驗，一般都在三個相互垂直的三個方向上進行，標準與規范上的要求往往是三個方向上振動量級相同，其實在許多情況下水平二個方向上振動量級都小于垂直方向，如果產品研制中需要降低水平二個方向上振動量級，則可產品技術規范與試驗大綱中作出規定。如不作特別規定，三個方向的試驗順序并不重要，可以視試驗的具體情況而定。

　　在功能試驗和耐久(強度)試驗期間，對一些特別重要的樣品或防止對試驗結果引起爭論，則應抽取瞬時加速度的時間歷程樣本，以對加速度譜密度進行驗證。對較長時間的試驗應試驗開始、中間、結束時都抽取樣本。在試驗過程中，若安裝和緊固發生了變化，則一定要抽取追加樣本，以觀察加速度譜密度是否發生了變化沒有。

　　9. 隨機推力與總方均根值的計算

　　隨機推力的計算

　　在隨機振動試驗前,首先要選用一合適的振動臺,因為隨機振動的試驗費高,而且推力愈大試驗價格愈高,而且這種試驗設備價格比不是線性關系,似乎是指數關系。所以首先要按被試產品重量、夾具重量、試驗要求的總方均根加速度、振動臺運動部件重量等計算出需多大推力的振動臺。

　　總方均根加速度的計算

　　隨機振動試驗的總方均根加速度是加速度功率譜譜密度曲線下總面積的開方。

　　正弦拍頻振動

　　10. 試驗目的、影響機理、失效模式

　　產品在運輸、儲存、使用過程中會經受到地震、爆炸、顫振現象或機械振動等所引起的短持續時間的脈沖震蕩力的作用，圖14-1中的振動時間歷程就是在殲擊機上實測到的振動時間歷程。那些在使用環境中安裝在易受到隨機或多頻激勵的結構上的產品，在這種短持續

　　11. 正弦拍頻振動的描述

　　所謂正弦拍頻是指用一較低的正弦波調制的某一頻率的連續正弦波，一個正弦拍頻的持續時間為調制頻率的半個周期，如下圖14-2所示。用正弦拍頻振動試驗方法進行試驗時，樣品在固定頻率上用若干預定的正弦拍頻振動激勵。

　　12. 正弦拍頻振動試驗條件

　　正弦拍頻振試試驗只有IEC和國標有此試驗方法，美軍標和國軍標沒有這種試驗方法。正弦拍頻振動試驗條件(試驗嚴酷等級)由試驗頻率、試驗量值、正弦拍頻中的循環數、正弦拍頻的個數等參數組合確定。同其它經典試驗方法一樣，如果有產品安裝平臺環境條件數據就用產品安裝平臺的數據，如果沒有，或是可用多種場合的貨架產品，可以根據下面給出的條件通過工程判斷來確定時間歷程振動試驗的條件。

　　13.試驗頻率

　　試驗頻率是指激勵樣品的頻率，正弦拍頻振試驗的頻率是由預定頻率(含共振頻率)、或由振動響應檢查得出的危險頻率二種，或兩種頻率同時兼有.當在振動響應檢查中未發現危險頻率時,可在所規定的試驗頻率范圍以不大于二分之一倍頻程為一頻率點的頻率上進行試驗。由上述可見，在未規定預定頻率的情況下，要確定試驗的頻率，首先要確定振動響應檢查的頻率范圍。例如地震時，地面振動的頻率一般在1-33Hz的范圍內，但本方法考慮的是地震通過建筑物至產品安裝結構傳遞時，在其自然頻率上產生的拍頻振動對產品的影響，所以振動響應檢查的頻率范圍，將視產品的具體情況不完全與之相同。國標和IEC標準中用于正弦拍頻振試驗試驗頻率可從下表14-1中選取一個下限頻率f1和選取一個上限頻率f2來構成試驗頻率范圍，也可從下表14-1中選取一個推薦的振動響應檢查的試驗頻率范圍。

　　14. 試驗目的、影響機理、失效模式

　　產品在運輸、貯存和使用期間可能會經常受到短持續時間的隨機形式的動態應力作用，如地震、爆炸以及在運載工具上使用或通過運輸工具運輸時產品中就會所產生這些應力，這些力的特性和樣品的阻尼(描述系統中各種機理產生的能量損失，阻尼取決于許多參數，如系統結構、振動模態、材料等)往往會使樣品的振動響應達不到穩態條件，屬非平穩隨機振動范疇。

　　這種力既不同于一般的平穩隨機振動，又不同于簡單的正弦振動。這種振動會導致產品的結構破壞，性能下降，工作不穩定，甚至工作中斷。根據我國某單位90年代對機載(殲擊機)、車載電子設備的安裝平臺振動環境條件的實測和數據處理過程統計，這種波形占全部所測時間歷程數據的比例約為8%到10%。

　　研究這種時間歷程產生的原因，對產品的影響機理，以及試驗室的模擬技術。在試驗室采用時間歷程法來模擬這種振動形式，并分析其對電子產品的影響，借以提高電子產品抗御這種非穩態振動的能力，應作為我們今后開展環境試驗設備和環境試驗技術研究的任務之一。為了國際貿易的需要，參與國際市場競爭，特別是便于產品的進出口，我們也應重視該這種試驗技術和標準的研究與應用。

　　本試驗的目的是規定一個時間歷程振動方法來確定樣品經受(抗御)規定嚴酷等級瞬時振動的能力。并以此來確定樣品的功能、性能及薄弱環節，并用這些信息結合產品的技術規范等來確定產品是否符合設計指標要求，是否被接收。

　　與其它方法相比，時間歷程試驗避免了過試驗的傾向。這是因為該方法盡可能真實地重現或密切地代表了實際環境，對由于采用太保守的試驗方法(這是當前在制定和確定經典試驗方法的環境試驗條件時普遍存在的)而由此而產生過應力或疲勞的可能性將大大減少。

本文連接：http://www.zhendongshiyan.cn/zxzx/2017/0609/329.html