震动振动试验仪及标准

1 什么是振动振动是指带质量的物体做往复运动的状态。比如，通过观察振幅比较大的秋千或者单摆运动便可理解。运动通过眼睛观察不到的话，有时候可以通过手去接触来感知。振动状态下，一秒以内往返运动的次数我们称为频率。※我们身边的振动①汽车行驶中的振动对汽车部品的故障发生和寿命影响的试验。最近几年，电动汽车的振动试验越来越多。发动机、汽车音响、安全气囊冲击、NVH、etc.。②铁道交通振动对列车部品等故障影响的试验。列车搭载电子设备、轨道附近的设备（信号切换机、ATC）、etc.。③运输行业卡车、轮船等的运输中，产品是否故障、损伤、外包装擦伤等的试验。④飞机发动机产生的振动，受到气流的振动、起飞降落受到的振动和冲击，会不会发生故障等以及耐久性确认。⑤地震确认部件、房屋、建筑物等的耐震性。2 振动的种类※正弦波振动（简谐振动）正弦定频试验频率一定的正弦振动。振动的最基本波形。频率扫描试验（sweep）频率一定间隔的变化。线性扫描、对数扫描。等幅扫描不等幅扫描SOS（sine on sine）※随机振动没有规则性的波形，无法预测性，但在一定的振动时间内含有各种频率正弦分量。● 正态分布随机试验● 非正态分布随机试验● 正弦+随机(SOR，sine on random)● 随机+随机(ROR，random on random)※冲击短时间内施加大脉冲形状的加速度波形试验。半正弦波（halfsine wave）半正矢波形（haversine wave）梯形波（trapezoidal wave）锯齿波（sawtooth wave）三角波（triangle wave）※拍波（sinebeat）※实测波形再现以上介绍的是几种常见的振动试验波形，对于初学者来说，只要记住各种波形即可，以后会每个试验波形进行详述。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。

随机（random）振动试验条件内容介绍如上图，随机振动没有周期性，其波形在时间轴上无法数式化表示，一般，振幅的概率密度函数近似符合正态分布（Normal Distribution)。假定：随机振动试验是平稳的各态历经（ergodic process）的正态分布。离开了这个假定，随机振动试验无从谈起。另外，初入者还要理解一个频谱的概念，随机振动基本上都是在频域范围内展开的。其波形，通过傅里叶变换，可以理解成是由无数的正弦波合成而来。将各个正弦波的频率和幅值用坐标表示的话，就得到其频谱图,如下二图。一般，随机振动都是有无数正弦波构成的，其频谱图为一条曲线，而不是下二图中间断性表示的。理解频谱图以后，经过一系列的数学计算、傅里叶变换、解析等，得到随机振动的功率谱密度，即PSD（power spectrum density），功率谱密度是随机试验中使用的一种谱，用通过在中心频率设置的窄幅过滤器的加速度信号平方的平均值的单位频率值表示。也称为加速度谱密度（acceleration spectral density，ASD），单位(m/s2)2/Hz。PSD单位用G2/Hz，两者之间的关系如下：1G2/Hz =(9.81m/s2)2/Hz = 96.236(m/s2)2/Hz有了PSD（或ASD）我们才可以进行随机振动试验，如何得到PSD，这是一个很复杂的数学计算过程，涉及到大量的人力、物力、财力。个人理解为以下过程:1. 场景作成。对实际使用环境进行划分为几个子场景，对子场景进行组合，再构成全体的使用条件（场景）。2. 振动测定。对各个子场景下的实际振动进行测定，保存时域的波形振动数据。3. 振动解析。FFT，将保存的各振动波形变换成加速度功率谱密度PSD。4. 数据编辑。观察所有的PSD数据，通过PSD形状来划分群组。求出各个子场景代表性的PSD，对各个群正态化处理。通过正态化处理，短缩试验时间（加速化）。5. 试验条件生成。通过对正态化的各子场景PSD的包络，求出试验条件的PSD。其试验时间是各子场景正态化的试验时间的总和。这个过程一般称为tailoring，是指对产品在使用或者运输等实际环境中的振动进行测定和解析，开发出适合产品的振动试验条件。随机振动试验正好相反。PSD中有能量的表示方法。一个PSD可以有无数个随机波形对应，或者说对于相同的PSD条件，我们每次做的试验波形是不同的（严格意义上，可能几十年或几百年后会出相同的波形，主要取决于振动控制仪中的算法。），但是其在该频率范围内所含的能量是一样的。一般随机振动试验的量级可以通过加速度有效值来衡量，其计算方法为：如下图PSD中，加速度rms值作为表示随机振动试验大小的一个指标，经常会使用到。上例中PSD是单纯的平直谱，计算比较简单。实际中PSD谱比较复杂，建议使用振动控制仪，输入频率和PSD值后，会自动得到加速度rms值。接下来介绍几个典型随机振动的试验条件。试验1：加速度Arms　96.663m/s2　频率与功率谱密度（PSD）值图中S表示绿线所围面积，开根号后即可得到加速度有效值。面积可以看成4个图形（长方形+梯形+梯形+长方形）的和。由于是对数坐标，各个图形的面积计算公式不能简单的用直线坐标方式计算，具体计算方法以后再叙。试验2：正斜率表示。加速度有效值rms为303.11m/s2。问题：100Hz和1000Hz处对应的PSD为什么约为100(m/s2)2/Hz？说明：10-100Hz之间有log（100/10）/log2 = 1/0.301 =3.322oct。所以，100Hz处PSD是10Hz处PSD的3.322oct×6dB/oct = 19.934dB，即10log（PSD100/1）= 19.934dB，最后得到PSD100 = 101.9934 = 98.5（m/s2）2/Hz。1000Hz处PSD没有增加（0dB）,所以此处的PSD值和100Hz处的PSD值一样。总结：随机振动试验涉及到很复杂的数学计算，想要搞懂其内涵，及其困难。初入者先理解上面所述即可，有能力的，推荐书籍《随机振动试验应用技术》，胡志强、法庆衍等编著，北京：中国计量出版社，1996。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。

振动试验目的满足产品的高性能、高品质、高可靠性要求。产品在其寿命周期内会受到各种各样的振动，必须在产品设计和制造阶段考虑振动的影响。特别是对大量制造的产品、不允许有故障的产品等。产品没有经过振动试验验证而制造，产生故障后，对顾客对厂家都会造成金钱损失，失去信任，比如汽车零部件行业等。振动试验装置系统是什么？振动试验装置系统主要包含以下几个部分，如下图。1 振动试验机（含冷却装置）；2 功放；3 振动控制仪；4 加速度传感器（控制用）。振动控制仪中输入试验条件，产生振动波形，功放放大后，驱动振动试验机振动，加速度传感器感知加速度量级，反馈给振动控制仪，实现振动控制，振动试验机运行产生的热量，冷却装置对应冷却。振动试验实施时需要什么？※ 振动试验装置※ 振动试验条件※ 试验体（被试验品，含夹具）1 振动试验装置 根据试验条件、试验体形状质量等来选择振动试验装置，特别需要注意以下几个概念，如最大加振力、频率范围、最大加速度、最大速度、最大位移、最大搭载质量等。2 振动试验条件 各个产品有其各自适合的试验条件，有各种各样的规格进行选择，如GB、GJB、IEC、ISO、JIS、MIL等。特殊情况下，可根据测定产品的振动环境，决定其独自的试验条件。 需要注意，按照试验条件进行试验时，会产生过试验和欠试验现象。过试验就是实际试验条件超出要求试验条件（比如加速度量级变大），对试验体实施过剩试验，导致本来不该出现的故障反而发生。欠试验即实际试验条件低于要求试验条件（比如加速度量级变小），导致本来预测发生的故障没有被激发出来。所以，对试验条件或试验情况需要充分研究，根据数据，慢慢加以改善试验条件（学者研究）。3 试验体为了使试验体更好地固定在振动台面上，达到刚性连接，需要使用振动夹具。振动夹具需要满足完全传递振动，将振动试验机产生的振动完完全全地传递给试验体。然而这是一种理想要求，实际上夹具完全传递振动是很难的，特别是在500Hz以上的频率，所以需要对振动夹具进行不停的评价，不断地改良夹具（夹具设计）。在对振动夹具评价的同时，也需要注意加速度传感器的安装和安装位置的选择。安装位置不同，对试验内容有不同的影响，下文别章叙述。备注：图片和部分文字等来源于网络，如有侵权，请联系作者本人。