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正弦振動試驗到底有什么用？

日期：2024-11-16 07:51
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摘要：正弦振動試驗是實驗室中經(jīng)常采用的試驗方法，是人們*早，了解*多的一種振動。例如凡是旋轉(zhuǎn)、脈動、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的）所產(chǎn)生的振動均是正弦振動，要模擬這些振動環(huán)境，無疑需用正弦振動試驗。在振動試驗的發(fā)展歷程中，*早采用的是正弦振動，先是定頻振動，后發(fā)展到掃頻振動。就掃頻振動而言，一開始是線性掃頻，慢慢發(fā)展到目前的對數(shù)掃頻。 正弦振動試驗的目的是在試驗室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運輸、儲存、使用過程中所可能經(jīng)受到的正弦振動及其影響。 正弦振動的主要用途： 模擬激勵源是周期函數(shù)的...
正弦振動試驗是實驗室中經(jīng)常采用的試驗方法，是人們*早，了解*多的一種振動。例如凡是旋轉(zhuǎn)、脈動、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的）所產(chǎn)生的振動均是正弦振動，要模擬這些振動環(huán)境，無疑需用正弦振動試驗。
在振動試驗的發(fā)展歷程中，*早采用的是正弦振動，先是定頻振動，后發(fā)展到掃頻振動。就掃頻振動而言，一開始是線性掃頻，慢慢發(fā)展到目前的對數(shù)掃頻。
     正弦振動試驗的目的是在試驗室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運輸、儲存、使用過程中所可能經(jīng)受到的正弦振動及其影響。

正弦振動的主要用途：
  • 模擬激勵源是周期函數(shù)的振動
  • 搜索結(jié)構(gòu)共振頻率
  • 考核試件的疲勞強(qiáng)度
  • 與隨機(jī)振動疊加產(chǎn)生模擬實際環(huán)境的振動

正弦振動試驗的試驗條件（嚴(yán)酷等級）由頻率、振幅、試驗持續(xù)時間三個參數(shù)共同確定。
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1、相關(guān)術(shù)語定義

正弦振動：振動參量可由時間自變量的正弦函數(shù)描述的周期振動。
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頻率：周期的倒數(shù)。頻率的單位是赫茲（Hz），相當(dāng)于每秒循環(huán)一次。

振幅：位移、相對位移。它表征物體上一點相對于某參考系的位置變化的時間變量。（振動的）峰—峰值，給定時間區(qū)間內(nèi)振動*大正值與*大負(fù)值之間的差值。

交越頻率：振動的某一特性從一種關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N關(guān)系時的頻率。例如：當(dāng)振動幅值或均方根值從等位移一頻率關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榈燃铀俣纫活l率關(guān)系時的頻率為交越頻率。
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2、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

振動試驗標(biāo)準(zhǔn)有很多，不同的國家地區(qū)行業(yè)，會有不同標(biāo)準(zhǔn)體系，如下：ASTM，ISTA，MIL，EN，IEC，ETSI，JIS，SAE、JASO、IEC，ISO等。

現(xiàn)行常見的振動試驗標(biāo)準(zhǔn)有：GB2423，GJB150A，GJB360，GJB548，IEC61373，GB21563，GB6587，GB11287，GB16806，QC413，ISO16750等

其中正弦振動標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

  • GB/T2423.10-2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分: 試驗方法 試驗Fc: 振動(正弦)
  • IEC60068-2-6-2007 基本環(huán)境試驗規(guī)程.第2部分:試驗.第6節(jié):試驗Fc:振動(正弦波)

3、試驗方法

在正弦振動試驗方法中又規(guī)定了掃頻試驗和定頻試驗兩種試驗方法。

掃頻試驗

掃頻試驗是指在試驗過程中維持一個或兩個振動參數(shù)（位移、速度或加速度）量級不變，而振動頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)變化的試驗。

  • 線性掃描化是線性的，即單位時間掃過多少赫茲，單位是Hz/s或Hz/min，這種掃描用于細(xì)找共振頻率的試驗。

  • 對數(shù)掃描頻率變化按對數(shù)變化，掃描率可以是oct/min、oct是倍頻程。

如果上限頻率fH，下限fL，fH/fL=2n，n就是下限頻率到上限頻率經(jīng)過了n個倍頻程。

對數(shù)掃描的意思是相同的時間掃過的頻率倍頻程數(shù)是相同的，例如從5-20Hz是兩個倍頻程，從500-2000Hz也是倍頻程。在對數(shù)掃描的情況下，掃過這兩段的時間是相同的。就是說對數(shù)掃描時低頻掃得慢而高頻掃得快（這當(dāng)然是指單位時間掃過的頻率范圍）。有時對數(shù)掃描率還用于Dec/min，含意是每分鐘掃多少個十倍頻程。

掃頻試驗主要用于：

  • 產(chǎn)品振動頻響的檢查（即*初共振檢查），確定共振點及工作的穩(wěn)定性，找出產(chǎn)品共振頻率，以做耐振處理。

  • 耐掃頻處理：當(dāng)產(chǎn)品在使用頻率范圍內(nèi)無共振點時，或有數(shù)個不明顯的諧振點，必須進(jìn)行耐掃頻處理，掃頻處理方式在低頻段采用定位移幅值，高頻段采用定加速度幅值的對數(shù)連續(xù)掃描，其交越頻率一般在55-72Hz，掃頻速率一般按每分鐘一個倍頻進(jìn)行。

  • *后共振檢查：以產(chǎn)品振動頻響檢查相同的方法檢查產(chǎn)品經(jīng)耐振處理后，各共振點有無改變，以確定產(chǎn)品通過耐振處理后的可靠程度。
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定頻試驗

定頻試驗是指在規(guī)定的固定頻率點上進(jìn)行各種振動參數(shù)不同量級的試驗。它主要用于：

  • 耐共振頻率處理。在產(chǎn)品振動頻響檢查時發(fā)現(xiàn)的明顯共振頻率點上，施加規(guī)定振動參數(shù)振幅的振動，以考核產(chǎn)品耐共振振動的能力。

  • 耐預(yù)定頻率處理：在已知的產(chǎn)品使用環(huán)境條件振動頻率時，可采用耐預(yù)定頻率的振動試驗。其目的還是為考核產(chǎn)品在預(yù)定危險頻率下承受振動的能力。

4、試驗條件的選擇

頻率、頻率范圍

有的標(biāo)準(zhǔn)（特別是軍標(biāo)）是直接給出，即按產(chǎn)品的使用環(huán)境直接給出了試驗的頻率或頻率范圍；民（商）用標(biāo)準(zhǔn)通常是用兩種方式來規(guī)定的。

如何確定和選擇和確定試驗的頻率范圍？

產(chǎn)品在運輸、貯存和使用過程中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上用的設(shè)備，其車輛主要基波頻率可能低到在1.5~4Hz之間，而振動試驗設(shè)備，要達(dá)到1.5Hz，其加速度波型失真就會超差很大，達(dá)不到試驗的要求。

因此在確定試驗頻率范圍時就要權(quán)衡，如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍不寬，低頻端在1 Hz或1 Hz以下，高頻端在100（或~500Hz），則可用液壓振動臺來實現(xiàn)；如果一個產(chǎn)品試驗頻率范圍很寬，其高頻段在500~2000 Hz或以上，而低頻端又要到1 Hz或1 Hz以下，則只能適當(dāng)?shù)奶岣叩皖l段的起點頻率，例如低頻端從5~10 Hz開始，因為要達(dá)到500~2000 Hz的頻率，必需用電動振動臺來進(jìn)行試驗，而當(dāng)今的電動振動臺隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其低頻端已可達(dá)到5~10 Hz。

振幅及其選擇

在正弦振動試驗中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二種，在實際試驗時，有的試驗僅給出位移幅值，有的試驗同時給出位移幅值和加速度幅值。

(1) 僅給出一個位移幅值：對IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，其上限頻率不超過10Hz的試驗，只給出一個位移幅值；對美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，例如電子及電氣元件試驗方法，在10~55 Hz的頻率范圍內(nèi)也僅給出一個位移幅值，其值為0.75mm(單振幅)。

(2) 同時給出位移幅值和加速度幅值：產(chǎn)品安裝（放）平臺實際振動的特點是頻率愈高加速度愈大，頻率愈低位移幅值愈大，而且是隨著振動頻率的變化而不斷改變的。

就對產(chǎn)品的影響而言，低頻主要是位移破壞，高頻主要是加速度破壞，而當(dāng)今的正弦振動試驗是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)時（形成正弦振動試驗時）的試驗室模擬技術(shù)還不可能實現(xiàn)像現(xiàn)場振動一樣隨著振動頻率的變化而其振幅有位移幅值不斷改變，只能采用盡量逼近現(xiàn)場振動的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（稱定位移），高頻率段加速度幅值不變（稱定加速度），從定位移變到定加速度之間的頻率稱交越頻率（振動特性一種關(guān)系變到另一種關(guān)系的頻率）。

在IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)中有二種交越頻率，即8~9 Hz的低交越頻率和57~62 Hz高交越頻率，前者主要用于艦船產(chǎn)品的試驗，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗。

試驗的持續(xù)時間及其選擇

試驗的持續(xù)時間是描述產(chǎn)品的耐受振動能力的重要參數(shù)。對試驗持續(xù)時間的選擇相對于上述二個參數(shù)的選擇要困難得多。因為目前一般很難給出多長的試驗時間相當(dāng)于實際使用的多少時間。

  • 對掃頻試驗，通常以掃頻循環(huán)數(shù)給出試驗時間。

  • 對定頻試驗，則直接以分鐘和小時給出試驗時間。

IEC和國標(biāo)對掃頻試驗給出了1，2，5，15，20，50，100等七個掃頻循環(huán)數(shù)等級，對定頻試驗給出了10分，30分，1小時，1.5小時，2小時，10小時等六個試驗時間等級；對微電子器件試驗方法與程序和電子及電氣元件試驗方法的美軍標(biāo)和國軍標(biāo)，給出了12個（三方向）和36個（三方向）二種掃頻循環(huán)數(shù)等級。在這里還需指出的是進(jìn)行掃頻試驗時，其掃頻速率通常為1倍頻程/min。如何具體地選擇試驗的持續(xù)時間，通常是根據(jù)振動對產(chǎn)品的破壞機(jī)理來確定的。

振動對產(chǎn)品的破壞，一般可以分為三種，即對產(chǎn)品工作性能的破壞，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好性的破壞，對產(chǎn)品壽命的破壞。如果主要考慮振動對產(chǎn)品工作性能的影響，如工作不正常、不穩(wěn)定、失靈、甚至不能工作等，通常是振動一旦停止，工作性能就能恢復(fù)正常，所以其試驗時間可按設(shè)備所需的*長連續(xù)工作時間結(jié)合實踐經(jīng)驗來確定。

結(jié)構(gòu)破壞主要是指脫焊、螺釘松動、連接件脫開、部件的相互撞擊。對這種破壞一般在30分鐘到一小時就能發(fā)現(xiàn)。對其中的螺釘松動和連接件脫開、部件的撞擊也可按*長的連續(xù)工作時間來考慮。

在某些情況下，也可按全部壽命時間來考慮。如果是為了確定產(chǎn)品承受累積應(yīng)力的能力（疲勞），其時間應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，按使用時可能出現(xiàn)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)來確定，或按無限壽命，即10^7次應(yīng)力循環(huán)來確定試驗時間。