電子設備振動環(huán)境試驗(5) ——正弦振動和掃頻

前文介紹了電子設備振動環(huán)境試驗的一些基本概念和分類，以及相關軟硬件系統(tǒng)。

電子設備振動環(huán)境試驗(1) —— 概述

電子設備振動環(huán)境試驗(2) —— 振動環(huán)境試驗類型

電子設備振動環(huán)境試驗(3) ——振動臺試驗系統(tǒng)

電子設備振動環(huán)境試驗(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文將開始介紹具體的振動環(huán)境試驗，首先介紹最常見的振動類型——正弦振動和掃頻。

正弦振動

正弦振動試驗主要目的是模擬產品在運輸、存儲和使用等過程中經(jīng)受到的正弦振動。通常正弦振動主要由汽車的發(fā)動機、空調壓縮機、飛機的槳葉和氣動等旋轉、脈動、振蕩引起。

而現(xiàn)實中的振動通常是隨機的，隨著試驗技術的發(fā)展，隨機振動的應用已越來越廣泛。但是由于多方面的原因，正弦振動試驗在各行各業(yè)仍然廣泛被采用，其原因主要包括：

通過正弦振動試驗，可有效獲取系統(tǒng)的動力學特性；

可模擬環(huán)境振動，測試系統(tǒng)在正弦激勵下的承載能力；

歷史原因，包括之前設計和使用規(guī)范的繼承，試驗設備和新規(guī)范的更新需要較長的周期等。

總而言之，盡管正弦振動試驗對產品的驗證是不充分和不全面的，但是正弦振動在可見的未來是不會被取代的；而一些以正弦試驗為主的行業(yè)，可能在未來會有更多形式的試驗作為補充。

正弦振動和仿真分析里的諧響應分析對標。

結構動力學中的諧響應分析(1) —— 諧響應分析原理及應用

結構動力學中的諧響應分析(2) —— 基于ANSYS的實現(xiàn)

正弦振動的描述

正弦振動通過頻率、振幅、相位可以完全描述，而對于我們只關心穩(wěn)態(tài)過程，相位信息是不需要的。

而事實上，正弦試驗需要對連續(xù)頻率進行試驗；對于無窮多個頻率進行試驗是不可能實現(xiàn)的；此外，對于成百上千個正弦頻率激勵一個個試驗也會花費過多的時間。實際的正弦試驗大多數(shù)采用掃頻的技術，即正弦激勵每個時刻頻率都在變化；這種正弦試驗還引入了試驗時間，或者掃描速率這個概念；其時域上的曲線大致是這種形式。

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

正弦振動試驗參數(shù)

正弦振動試驗中，需要確定頻率范圍、不同頻率下的振幅和掃描速率（與試驗時間等同）。

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

很多設計師在正弦試驗的時候，對倍頻程這個概念很困惑，這里簡單介紹一下倍頻程的定義。

式中f1為當前頻率，f0為基準頻率，n就為倍頻程；由此可見，f1和f0之間并不是線性關系，而是和2n成線性關系，并且n可以為實數(shù)。如掃頻速度為每分鐘一個倍頻程/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。掃描速率和試驗時間是一個等價的概念，有關這些參數(shù)的計算，后續(xù)的系列文章將會有專門的介紹。

正弦振動試驗條件

試驗前，首先需要根據(jù)試驗目的，確定正弦振動的試驗類型，通常包括：

特征掃頻，通常采用較小量級試驗，目的是為了獲取系統(tǒng)的動力學特性；

常規(guī)正弦試驗，根據(jù)產品經(jīng)受的極端環(huán)境，開展極限承載能力的試驗；

定頻試驗，在產品共振點進行一定時間的耐振試驗，考核產品抗共振能力；

確認是在哪個階段開展的試驗，包括研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗等。

正弦試驗需要確定頻率范圍、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的時間長短，還會導致掃出的共振頻率有略微的偏移。

理想的試驗曲線一般是一條或幾條折線描述，而實際試驗過程的控制曲線常常是這樣的。

由于振動臺控制能力不是無限的，在系統(tǒng)共振點可能會出現(xiàn)一定波動；在振動臺介紹的那篇系列文章中，我們討論到，“通常對于給定的振動譜，會設置一個容差限，其上下限作為允許的偏差，叫做上下報警限；原則上，認為試驗過程中，超出報警限的振動激勵是不符合試驗要求的；但是通常并不會要求的那么嚴格?！?/p>

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

有關下凹和限幅等討論，將在后續(xù)系列文章一并開展。

最后

本文介紹了振動環(huán)境試驗中最常見的類型——正弦振動和掃頻，下文將對隨機振動開展介紹。