電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(7) ——沖擊試驗(yàn)

前文介紹了電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)概念，以及正弦振動(dòng)、掃頻和隨機(jī)振動(dòng)。

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)

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

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(6) ——隨機(jī)振動(dòng)

本文將介紹振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中的沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)

嚴(yán)格地說，沖擊并不屬于振動(dòng)的范疇；很多領(lǐng)域中，會(huì)把振動(dòng)和沖擊的要求在不同的大類中規(guī)定；如《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)中，將振動(dòng)放在GJB150.16中，而將通用的沖擊放在GJB150.18中（還有一些特殊的沖擊放在了其他部分中）。

然而，沖擊與振動(dòng)也有很多相似之處，并且兩種試驗(yàn)都是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行考核，系列文章也簡要對(duì)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

沖擊引起的原因有多種，比如車輛撞擊、飛機(jī)迫降、炮彈火箭發(fā)射、化學(xué)能爆炸、火工品點(diǎn)火、產(chǎn)品跌落等；沖擊試驗(yàn)主要目的是模擬產(chǎn)品經(jīng)受諸如上述各種形式的沖擊。

現(xiàn)實(shí)中沖擊的物理過程非常復(fù)雜，主要有一下特點(diǎn)：

• • 沖擊過程是一個(gè)瞬態(tài)過程，不具備穩(wěn)態(tài)特性；
  • 持續(xù)時(shí)間短，短時(shí)量級(jí)高；
  • 頻譜連續(xù)且頻率成分豐富。

沖擊試驗(yàn)是一種真實(shí)載荷簡化后的試驗(yàn)方法，反映產(chǎn)品的抗沖擊性能，主要有以下特點(diǎn)：

沖擊試驗(yàn)有多種形式，根據(jù)不同行業(yè)和要求進(jìn)行試驗(yàn)；

沖擊的瞬態(tài)峰值響應(yīng)，一般可以用隨時(shí)間的指數(shù)衰減函數(shù)包絡(luò)；

沖擊試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，需要充分評(píng)估后開展；

沖擊試驗(yàn)需要指定試驗(yàn)次數(shù)；

沖擊試驗(yàn)激勵(lì)曲線需要多次調(diào)試，往往需要較長時(shí)間；

沖擊試驗(yàn)也能獲取系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，不過一般不會(huì)采取這種方法；

有關(guān)沖擊及其分析案例可參見文章。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的反(響)應(yīng)譜分析(1) —— 反應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的反（響）應(yīng)譜分析（2）—— 響應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的時(shí)域分析(1) —— 單自由度系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的時(shí)域分析(2) —— 多自由度系統(tǒng)

沖擊的描述

現(xiàn)實(shí)中的沖擊非常復(fù)雜，也幾乎不可重現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)室條件下的沖擊試驗(yàn)，一般需要將實(shí)際載荷進(jìn)行處理，通常包括統(tǒng)計(jì)、包絡(luò)、頻譜等方法。

上圖是某實(shí)測沖擊信號(hào)的時(shí)域和頻域；可見完全的重現(xiàn)是非常困難；對(duì)于沖擊的描述主要有時(shí)域信號(hào)、沖擊響應(yīng)譜、能量譜密度和傅里葉譜幾種。

結(jié)合當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)水平，目前實(shí)驗(yàn)室主要的沖擊模擬包括：

• • 標(biāo)準(zhǔn)（經(jīng)典）的沖擊脈沖波形描述；
  • 沖擊響應(yīng)譜描述；
  • 在規(guī)定的沖擊試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)；
  • 實(shí)測數(shù)據(jù)，通過振動(dòng)臺(tái)復(fù)現(xiàn)；
  • 一些規(guī)定的動(dòng)作，如跌落等；
  • 其他特殊的沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)類型非常復(fù)雜，本文針對(duì)幾種常見的試驗(yàn)類型展開討論。

經(jīng)典沖擊脈沖波形

經(jīng)典沖擊脈沖波形是最經(jīng)典的沖擊試驗(yàn)方法。

這種方法基于給定時(shí)域下的沖擊波形，主要的試驗(yàn)參數(shù)包括：

• • 沖擊波形形式，一般有半正弦、后峰鋸齒和梯形等幾種；
  • 沖擊峰值加速度A；
  • 沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間D；
  • 沖擊次數(shù)。

其中，對(duì)于沖擊波形的加速度、持續(xù)時(shí)間、次數(shù)和控制容差要求，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出；對(duì)于大多數(shù)沖擊脈沖，標(biāo)準(zhǔn)給出在5-30ms。

理論上的波形如上述所描述，然而細(xì)心的讀者可能發(fā)現(xiàn)，理論上的波形在振動(dòng)臺(tái)上是無法實(shí)現(xiàn)的。由于以上的沖擊波形都是加速度，并且全過程中加速度都大于零，導(dǎo)致速度和位移都是單調(diào)向上的，而振動(dòng)臺(tái)的位移不可能無限增大，因此實(shí)際的沖擊波形，在平穩(wěn)段，會(huì)出現(xiàn)一段小于零的波動(dòng)。

上面兩個(gè)圖是某次實(shí)際的半正弦波和梯形波。

沖擊試驗(yàn)還有一個(gè)特點(diǎn)是需要在試驗(yàn)前進(jìn)行大量的調(diào)試，以保證沖擊波形符合試驗(yàn)要求；如果被測物較大且質(zhì)心較高，可能會(huì)影響整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，有時(shí)還需要將模擬件或配重固定后調(diào)試。

沖擊響應(yīng)譜

相比經(jīng)典沖擊脈沖波形，沖擊響應(yīng)譜的沖擊試驗(yàn)是一種相對(duì)新的試驗(yàn)手段。

沖擊響應(yīng)譜曲線可通過統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)產(chǎn)品可能經(jīng)歷的沖擊載荷進(jìn)行包絡(luò)、平均等處理，得到一種蘊(yùn)含多種沖擊形式的特殊頻域曲線；隨著各行各業(yè)及技術(shù)的發(fā)展，沖擊響應(yīng)譜的試驗(yàn)方法應(yīng)用越來越廣泛。

沖擊響應(yīng)譜沖擊試驗(yàn)主要由頻率、譜值（需要指定阻尼比或品質(zhì)因子）、試驗(yàn)次數(shù)等描述。

沖擊響應(yīng)譜的調(diào)試比較復(fù)雜；有通過調(diào)整經(jīng)典沖擊脈沖波形，以匹配曲線的；也有通過專門的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)，生成復(fù)雜的沖擊曲線匹配曲線；這部分非常復(fù)雜，本文不做詳細(xì)介紹。

此外，由于沖擊和隨機(jī)振動(dòng)都具有寬帶連續(xù)譜特性，在某些場合下，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)可以覆蓋沖擊試驗(yàn)。

專用沖擊試驗(yàn)機(jī)

對(duì)一些特殊的沖擊環(huán)境，依據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)，有一些專門的沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

艦船沖擊試驗(yàn)是一類典型的例子；艦船在戰(zhàn)斗中可能經(jīng)受水下或空中爆炸等非接觸性的沖擊波；這類沖擊波對(duì)艦船本身并不造成致命傷害，但對(duì)艦船上裝備的電子設(shè)備可能帶來嚴(yán)重的影響；為了保證其持續(xù)戰(zhàn)斗能力，艦船上的電子設(shè)備需要具備抵抗這類沖擊的環(huán)境適應(yīng)能力。

這類沖擊非常復(fù)雜，其持續(xù)時(shí)間較一般的沖擊更長；對(duì)于這類沖擊試驗(yàn)，有專門的強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不同的被測設(shè)備選用合適類型的試驗(yàn)機(jī)，不同的沖擊量級(jí)采用不同的落錘高度或角度；而在條件不具備的情況下，國內(nèi)常用30ms半正弦波形模擬。

專用的沖擊試驗(yàn)機(jī)有多種，依據(jù)不同行業(yè)不同標(biāo)準(zhǔn)可開展相關(guān)的試驗(yàn)。

其他沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)的類型有很多種。

有些連續(xù)沖擊，如炮擊等，依據(jù)實(shí)測沖擊數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定算法和控制，在振動(dòng)臺(tái)上復(fù)現(xiàn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

還有一些跌落試驗(yàn)，采用實(shí)際產(chǎn)品在一定高度、角度和速度下進(jìn)行跌落試驗(yàn)。手機(jī)跌落試驗(yàn)是一種典型的跌落試驗(yàn)，對(duì)于場景區(qū)別，分為裸機(jī)試驗(yàn)和帶包裝試驗(yàn)。

海軍船舶類還有一種非常特殊的沖擊試驗(yàn)——艦船抗沖擊試驗(yàn)。艦船設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)主要包括實(shí)際艦船爆炸試驗(yàn)、虛擬沖擊試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)。其中虛擬沖擊試驗(yàn)主要指仿真分析，沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)上文已闡述。而實(shí)際艦船爆炸試驗(yàn)成本及其昂貴，需要使用真實(shí)型號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)；美軍軍艦服役按照慣例需要進(jìn)行這類測試，不僅對(duì)船體、設(shè)備進(jìn)行測試，船員也需要承受考核。此外，爆炸試驗(yàn)也有在浮動(dòng)平臺(tái)上開展的。

最后

本文介紹了振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中的沖擊試驗(yàn)，下文將對(duì)噪聲試驗(yàn)開展介紹。