電子產(chǎn)品共振頻率檢測方法研究

張燦文，張 華

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

電子產(chǎn)品共振頻率檢測方法研究

張燦文，張 華

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

本文介紹了電子產(chǎn)品共振頻率檢測方法，主要有目測法、正弦掃描法、隨機(jī)振動法和模態(tài)分析法，并結(jié)合工程案例對幾種方法進(jìn)行描述。

共振頻率；目測；正弦掃描；隨機(jī)振動；模態(tài)分析

引言

在現(xiàn)實(shí)生活中我們能看到形形色色的振動，有的可以直接應(yīng)用，有的可以間接應(yīng)用。篩分設(shè)備、輸送設(shè)備、粉碎設(shè)備以及家庭使用的微波爐等設(shè)備都是應(yīng)用振動理論到實(shí)現(xiàn)生活的結(jié)果，振動技術(shù)普遍應(yīng)用于機(jī)械、化學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及分子、原子物理學(xué)、工程技術(shù)等幾乎所有的科技領(lǐng)域。同時，振動也會帶來災(zāi)害。尤其是發(fā)生共振時，會帶來極大的破壞。

1.振的產(chǎn)生與危害

什么是共振？共振是指一個物理系統(tǒng)在特定頻率下，以最大振幅做振動的情形。即系統(tǒng)受外界激勵，作強(qiáng)迫振動時，若外界激勵的頻率接近于系統(tǒng)頻率時，強(qiáng)迫振動的振幅可能達(dá)到非常大的值，這種現(xiàn)象叫共振。一個系統(tǒng)有無數(shù)個固有頻率，一般常研究低范圍的系統(tǒng)頻率。共振在聲學(xué)中叫“共鳴”，在電學(xué)中，振蕩電路的共振現(xiàn)象稱為“諧振”。從共振的特點(diǎn)來看，它不需要外部施加很大的作用力，而能自動進(jìn)行能量的積累，如果不適當(dāng)?shù)乩没蛘弑苊馑?，共振會給我們的日常生活生產(chǎn)

帶來危害。最典型就是1940年11月7日那座舞動的塔科馬海峽大橋因大風(fēng)的吹動引起橋梁的共振導(dǎo)致了大橋的坍塌；還有，當(dāng)士兵以整齊的步伐通過橋梁時，當(dāng)火車以額定的速度通過額定長度的鐵軌時，當(dāng)大鐘被以固定的頻率和力度敲擊時共振悲劇瞬間發(fā)生；同時共振會對人體產(chǎn)生危害，相關(guān)部門規(guī)定要求用手工操作的各類振動機(jī)械的頻率必須大于20Hz，盡量避免振動源頻率與人體器官的固有頻率產(chǎn)生共振。共振同樣影響著電子產(chǎn)品的性能，當(dāng)筆記本產(chǎn)生共振時，硬盤和內(nèi)存位移達(dá)到極大，導(dǎo)致藍(lán)屏、螺絲松脫等現(xiàn)象，無法正常使用，這就要求設(shè)計時能避開共振頻率的破壞。以下就電子產(chǎn)品的共振頻率確定方法進(jìn)行描述。

2.振頻率檢測

2.1.測法

目測法主要用于觀察運(yùn)輸包裝件的危險頻率[1]。國際運(yùn)輸安全協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ISTA-2A指出，少于68kg的包裝件可用彈跳振動試驗來考核包裝對樣品的保護(hù)性能。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了彈跳頻率的檢測方法，如：振動幅值25mm，從1Hz開始起振。在振動過程中觀察包裝件彈離振動臺面時的頻率和高度，若滿足要求則記錄該頻率為彈跳頻率，即危險頻率。目測法也可應(yīng)用于要求觀測機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動軌跡的場合，如紋波管、電路板的振動軌跡，再根據(jù)振動軌跡的最大振幅或結(jié)構(gòu)變形來確定部件的危險頻率。利用頻閃儀能清晰地觀察到它們的振動狀況。它通過調(diào)節(jié)光的閃動頻率，使其與被測物的轉(zhuǎn)動或運(yùn)動速度接近并同步時，被測物雖然在高速運(yùn)動著，但看上去卻是緩慢運(yùn)動或相對靜止的。這種視覺暫留現(xiàn)象，使人目測就能輕易觀測高速運(yùn)動物體的運(yùn)行狀況，從而能夠確定出被測物振幅的最大值及其對應(yīng)的頻率。

2.2.弦掃描法

正弦掃描法和隨機(jī)振動法都是施加振動使產(chǎn)品作強(qiáng)迫振動，通過監(jiān)測產(chǎn)品的振動響應(yīng)，得出振動響應(yīng)的FRF曲線，觀察分析FRF曲線來確定產(chǎn)品的自然頻率和共振頻率。使用正弦掃描法試驗時一般以低G值（例如0.5g1.0g）作為強(qiáng)迫力，由低頻往高頻依照一定的掃描率進(jìn)行掃描。當(dāng)激勵頻率與產(chǎn)品的自然頻率耦合時，從監(jiān)測界面上看到產(chǎn)品振幅的變化，當(dāng)振幅出現(xiàn)最大，產(chǎn)品振動劇烈時對應(yīng)的頻率就是產(chǎn)品的自然頻率或共振頻率。一般結(jié)構(gòu)對振動反應(yīng)有一定的時間，低頻反應(yīng)慢、高頻反應(yīng)快，因此采用對數(shù)掃描率較為合適，避免因太快結(jié)構(gòu)未能及時反應(yīng)，信號虛弱無法辨識情況。

在進(jìn)行共振頻率檢測試驗前必須先確定掃描的頻率范圍、器件的監(jiān)測點(diǎn)和激勵量級大小。頻率范圍必須是產(chǎn)品在使用過程及運(yùn)輸過程中主要會受到的頻率為主，在此范圍外的頻率可以忽略。以下就車載硬盤減震系統(tǒng)為例，對正弦掃描法檢測共振頻率進(jìn)行說明。掃描時設(shè)定頻率范圍10-500Hz，掃描速率1Oct/min，激勵加速度為1g，經(jīng)掃描得出頻譜響應(yīng)。頻譜如圖1所示。

從響應(yīng)曲線（紅色）和激勵曲線（白色）可看出車載硬盤在頻率430Hz附近時達(dá)到最大振幅，能量放大接近30倍，在低頻階段響應(yīng)較為平緩，可認(rèn)為該頻率是車載硬盤減震系統(tǒng)的共振頻率。

2.3.機(jī)振動法

除了正弦掃描法，還可以利用隨機(jī)振動來檢測產(chǎn)品的共振頻率。正弦掃描法在任意時刻只包含一種頻率的振動，而隨機(jī)振動法在任意時刻包含頻譜范圍內(nèi)的各種頻率的振動，產(chǎn)品上所有的共振頻率都能同時激發(fā)出來。頻譜圖如圖2所示。

進(jìn)行隨機(jī)振動法檢測共振頻率時，采用低量級的激勵源就能激發(fā)出產(chǎn)品的共振頻率，一般取0.001～0.01 g2/Hz功率譜密度。頻率分辨率精度影響著檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，0.5～1.0Hz的精度可滿足要求，其它要求與正弦掃描法相同。以下就車載硬盤減震系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。檢測頻譜如圖3。

隨機(jī)振動設(shè)定頻率范圍10～1000Hz，采用汽車電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行共振檢測。在高頻范圍400 ～1000 Hz，響應(yīng)頻譜（紅色）能量有明顯的放大，在頻率大約460 Hz、800 Hz出現(xiàn)共振峰。與正弦掃描法所得結(jié)果相近。兩種結(jié)果的偏差是由于激勵方式不同所造成的。

2.4.態(tài)分析法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在功能振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。它能通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。基本步驟可分為[2]：

1) 動態(tài)數(shù)據(jù)采集

通過對結(jié)構(gòu)物施加一定動態(tài)激勵，采集各點(diǎn)的振動響應(yīng)信號及激勵信號，根據(jù)力及響應(yīng)信號，用各種參數(shù)識別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵源可分為正弦掃描、隨機(jī)振動和脈沖響應(yīng)，激勵方式可分為單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）和多輸入多輸出（MIMO）。

2) 建立結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，作為計算及識別參數(shù)依據(jù)?？煞譃轭l域模型、時域模型和混合模型。

3) 參數(shù)識別

利用識別方法得出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)模型，包括固有頻率、模態(tài)阻尼和各階模態(tài)的振型。

4) 振型動態(tài)再現(xiàn)

以動畫方式形象生動地再現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)多自由度各階振動型態(tài)。

2.5.振頻率判斷

在檢測共振頻率過程中，往往會得出多個共振峰（如圖2），其對應(yīng)的頻率不一定都是產(chǎn)品的固有頻率，需要結(jié)合共振幅頻特性和相頻特性來判斷。[3]

1)結(jié)合共振點(diǎn)幅頻特性判斷

幅頻特性曲線如圖4所示。

出現(xiàn)共振時，共振點(diǎn)幅值出現(xiàn)不少于2倍的放大，Q值（品質(zhì)因子）越大，共振峰越尖銳。

2)結(jié)合共振點(diǎn)相頻特性判斷

相頻特性曲線如圖5所示。

隨著頻率的變化，監(jiān)測點(diǎn)與激勵源相位差也發(fā)生變化。在共振頻率處監(jiān)測點(diǎn)相位滯后激勵源90°，并在共振點(diǎn)前后相位差出現(xiàn)180°的突變。

結(jié)合以上兩點(diǎn)能準(zhǔn)確判斷出共振頻率范圍。例如檢測頻譜如圖6、圖7，圖中顯示了傳遞函數(shù)（FRF）曲線與相位差曲線。在傳遞函數(shù)曲線出現(xiàn)了幾個共振峰，放大倍數(shù)超過3倍，但從相位關(guān)系看只有在120.0Hz和244.4Hz時相位差接近90°，而前后相位差變化明顯，可確定為共振頻率。

2.6.用場合

目測法適用于檢測包裝材料對產(chǎn)品的保護(hù)性能，能檢測出運(yùn)輸過程中低頻對包裝的影響，同時也能直觀地觀察到振動環(huán)境下機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動狀況。正弦掃描法是檢測共振頻率的常用方法，對零器件、電路板、整機(jī)結(jié)構(gòu)都適用。隨機(jī)振動法能在瞬間激發(fā)出產(chǎn)品上所有的固有頻率，但因固有頻率間的相互影響會給檢測結(jié)果帶來偏差。模態(tài)分析能系統(tǒng)全面地描述結(jié)構(gòu)的振動特征，是了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的重要手段，常應(yīng)用于軍品或航天工程研究分析，試驗成本相對較高。前三種方法的實(shí)現(xiàn)較簡便快捷，在試驗室和研究所已得到廣泛應(yīng)用。模態(tài)分析技術(shù)復(fù)雜，對試驗要求相對較高，已成為一門學(xué)科。

3.束語

本文對共振頻率檢測方法進(jìn)行了介紹，利用該方法能有效檢測出電子產(chǎn)品的共振頻率。對共振頻率進(jìn)行駐留振動試驗?zāi)苡行У陌l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性提供依據(jù)。

[1] 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 試驗Fc：振動（正弦）2008

[2] 傅志方 模態(tài)分析理論與應(yīng)用 上海交通大學(xué)出版社 2000

[3] 顧海明，周勇軍 機(jī)械振動理論與應(yīng)用，東南大學(xué)出版社，2007

Discussion on the Test Methods of Electronic Products Resonant Frequency

ZHANG Can-wen，ZHANG Hua
（Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection，Shenzhen 518055）

This paper introduced the electronic products resonant frequency test methods，including Ocular estimate, Sine scanning, Random vibration and Modal analysis method, and described these methods combined with project case.

resonant frequency；ocular estimate；sine scanning；random vibration；modal analysis

TN406

B

1004-7204（2012）03-0045-04

張燦文（1980-），男，廣東清遠(yuǎn)人，工學(xué)學(xué)士，環(huán)境與可靠性試驗室工程師

張 華（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工學(xué)碩士，環(huán)境與可靠性試驗室工程師