振動試驗及其相關參數的分析

閆 凱，李艷琴，李丹丹

（1.濟寧半導體及顯示產品質量監督檢驗中心，濟寧 272000； 2.魯南煤化工研究院，濟寧 272000；3.山推工程機械股份有限公司，濟寧 272000）

引言

振動試驗模擬產品在實際使用和運輸中可能受到的振動影響，用來發現產品潛在的破壞性共振點、結合件的松脫、電路短路及斷續不穩等，尤其在新產品的研制階段，及時發現產品的失效點并及時進行改進[1]，保證產品可靠性達標。振動試驗比較常見的有確定性振動和不確定性振動兩種，正弦振動是確定性振動中最常用的一種試驗方法，隨機振動屬于不確定性振動。振動試驗廣泛應用于電子電工產品及元器件、航天、汽車及工程機械、土木建筑等工業領域[2]。

1 隨機振動試驗

不確定性振動是指物理量隨時間的變化規律無法用確定的數學關系式來表達，而只能用概率論和統計學的方法來描述的一類振動，隨機振動屬于不確定性振動。GB/T 2423.56-2006中規定：隨機振動試驗的嚴酷等一般由試驗頻率范圍、加速度譜密度值、加速度譜密度的譜型、試驗持續時間組成[3]。

在隨機振動試驗中往往采用頻率域和譜密度來進行描述，對加速度譜在頻率上進行積分得到的面積代表振動能量，對各個頻率分段內的面積平方求和然后開根號，得到加速度均方根值，一般用加速度均方根值來表示隨機振動試驗總能量的大小。如圖1所示，ASD表示加速度譜密度值，單位為g2/Hz，也可以用(m/S2)2/Hz表示，隨機振動的譜型一般為平直譜[4]。

以圖1中的第1段上升譜為例，倍頻程N計算公式：

斜率k計算公式：

每一頻率段所包絡圖形的面積分別用S1、S2、S3表示，則加速度總均方根值Grms:

2 正弦振動

正弦振動屬于確定性運動，運動量隨時間按正弦函數變化，亦稱簡諧振動。在正弦振動試驗中規定了“定頻試驗”和“掃頻試驗”兩種試驗方法，掃頻試驗又分線性掃頻和對數掃頻兩種方式[5]。

定頻正弦振動試驗，是指在固定頻率點上進行各種振動參數不同量級的試驗，主要用于耐共振頻率處理和耐預定頻率處理[6]。掃頻試驗是指而頻率在一定范圍內連續往復變化的試驗，頻率將按一定的規律發生變化，而振動量級是頻率的函數[7]。掃頻按照速率的變化方式又分為線性掃頻和對數掃頻。

2.1 正弦掃頻參數計算

線性掃頻,頻率變化是線性的，即單位時間掃過多少赫茲，單位是Hz/s或Hz/min，這種掃頻用于尋找共振頻率的試驗[8]。

式中，ν 為掃頻速率， f1為掃頻下限頻率， f2為掃頻上限頻率，t 為掃頻時間。

圖1

對數掃頻,頻率變化按對數變化，在相同時間掃過的頻率倍頻程數是相同的，倍頻程是指上限頻率 f2與下限頻率 f1之比等于2的n次方，即則稱 f2是 f1的n次倍頻程。如果每一頻帶的上限頻率比下限頻率高1倍，即頻率之比為這樣劃分的每一個頻程稱1倍頻程，簡稱倍頻程[9]。對數掃頻時低頻掃得慢，高頻掃得快，掃頻時，頻率隨時間按規律變化，即：

式中： f 為當前頻率， f1為掃頻下限頻率，k 為掃頻速率因數；t 為掃頻時間。試驗中如果掃頻速率是每分鐘一個倍頻程，則 k = ln2 ≈ 0.693[10]。一個掃頻循環的倍頻程數X 計算公式：

或：

應力循環數的估計值N：

SR ---掃頻速率，單位是倍頻程/分鐘（oct/min）。

掃頻持續時間T：

2.2 算題

正弦掃頻試驗，頻率范圍是1 Hz～100Hz，掃頻速率SR為每分鐘1個倍頻程。求其一個掃頻循環（f1→f2→f1）的倍頻程數、應力循環數和掃頻持續時間（結果取整數）。

解：由公式（6）得倍頻程數：

由公式（8）得應力循環數：

由公式（9）得掃頻持續時間：

3 結語

振動是驗證產品可靠性時經常采用的一種試驗方法，比較常用的是隨機振動和正弦振動，在產品的可靠性試驗中應用比較廣泛。振動試驗可以用來發現產品潛在的破壞性共振點，確定樣品的機械薄弱環節或特性降低情況，在產品的設計和研發階段起著重要的作用。隨著人們對產品質量要求的不斷提升，振動試驗發揮著越來越重要的作用。

[1]張巧壽，振動試驗系統現狀與發展 [J].航天技術與民品，2000,(8):36-39.

[2]倪振華.振動力學 [M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[3]GB/T 2423.56-2006/IEC 60068-2-64:2008,電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動（數字控制）和導則 [S].

[4]鄭志國，王宇峰.隨機振動中的參數介紹及計算方法 [J].電子產品可靠性及環境試驗，2009,27(5):45-48

[5]李德葆.工程振動試驗分析 [M].北京：清華大學出版社，2004.

[6]任興民.工程振動基礎 [M].北京：機械工業出版社，2006.

[7]錢蔡強，俞冬蘭.掃頻速率與倍頻程 [J].環境技術，1996,(5):33-34

[8]符瑜慧.振動試驗中主要參數的計算推導及應用 [J].環境技術，2010,(3):12-14.

[9]孫在利，楊志文.振動試驗中振動參數的設置方法研究 [J].船舶電子工程，2002,(5):62-63.

[10]GB/T 2423.10-2008/IEC 60068-2-6:1995,電子電工產品環境試驗第2部分：試驗方法試驗Fc：振動（正弦）[S].