正弦振動(dòng)試驗(yàn)到底有什么用？

日期：2025-05-03 11:43

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摘要：正弦振動(dòng)試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，是人們*早，了解*多的一種振動(dòng)。例如凡是旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車(chē)輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的）所產(chǎn)生的振動(dòng)均是正弦振動(dòng)，要模擬這些振動(dòng)環(huán)境，無(wú)疑需用正弦振動(dòng)試驗(yàn)。在振動(dòng)試驗(yàn)的發(fā)展歷程中，*早采用的是正弦振動(dòng)，先是定頻振動(dòng)，后發(fā)展到掃頻振動(dòng)。就掃頻振動(dòng)而言，一開(kāi)始是線(xiàn)性?huà)哳l，慢慢發(fā)展到目前的對(duì)數(shù)掃頻。正弦振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過(guò)程中所可能經(jīng)受到的正弦振動(dòng)及其影響。正弦振動(dòng)的主要用途：模擬激勵(lì)源是周期函數(shù)的...

正弦振動(dòng)試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，是人們*早，了解*多的一種振動(dòng)。例如凡是旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車(chē)輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的）所產(chǎn)生的振動(dòng)均是正弦振動(dòng)，要模擬這些振動(dòng)環(huán)境，無(wú)疑需用正弦振動(dòng)試驗(yàn)。

在振動(dòng)試驗(yàn)的發(fā)展歷程中，*早采用的是正弦振動(dòng)，先是定頻振動(dòng)，后發(fā)展到掃頻振動(dòng)。就掃頻振動(dòng)而言，一開(kāi)始是線(xiàn)性?huà)哳l，慢慢發(fā)展到目前的對(duì)數(shù)掃頻。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)的目的是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用過(guò)程中所可能經(jīng)受到的正弦振動(dòng)及其影響。

正弦振動(dòng)的主要用途：

模擬激勵(lì)源是周期函數(shù)的振動(dòng)
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(dòng)疊加產(chǎn)生模擬實(shí)際環(huán)境的振動(dòng)

正弦振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件（嚴(yán)酷等級(jí)）由頻率、振幅、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)共同確定。

1、相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義

正弦振動(dòng)：振動(dòng)參量可由時(shí)間自變量的正弦函數(shù)描述的周期振動(dòng)。

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(duì)位移。它表征物體上一點(diǎn)相對(duì)于某參考系的位置變化的時(shí)間變量。（振動(dòng)的）峰—峰值，給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)振動(dòng)*大正值與*大負(fù)值之間的差值。

交越頻率：振動(dòng)的某一特性從一種關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N關(guān)系時(shí)的頻率。例如：當(dāng)振動(dòng)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(shí)的頻率為交越頻率。

2、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有很多，不同的國(guó)家地區(qū)行業(yè)，會(huì)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(jiàn)的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有：GB2423，GJB150A，GJB360，GJB548，IEC61373，GB21563，GB6587，GB11287，GB16806，QC413，ISO16750等

其中正弦振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

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

3、試驗(yàn)方法

在正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法中又規(guī)定了掃頻試驗(yàn)和定頻試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法。

掃頻試驗(yàn)

掃頻試驗(yàn)是指在試驗(yàn)過(guò)程中維持一個(gè)或兩個(gè)振動(dòng)參數(shù)（位移、速度或加速度）量級(jí)不變，而振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)變化的試驗(yàn)。

線(xiàn)性?huà)呙杌蔷€(xiàn)性的，即單位時(shí)間掃過(guò)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(yàn)。
對(duì)數(shù)掃描頻率變化按對(duì)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(guò)了n個(gè)倍頻程。

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

掃頻試驗(yàn)主要用于：

產(chǎn)品振動(dòng)頻響的檢查（即*初共振檢查），確定共振點(diǎn)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(wú)共振點(diǎn)時(shí)，或有數(shù)個(gè)不明顯的諧振點(diǎn)，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(duì)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(gè)倍頻進(jìn)行。
*后共振檢查：以產(chǎn)品振動(dòng)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(diǎn)有無(wú)改變，以確定產(chǎn)品通過(guò)耐振處理后的可靠程度。

定頻試驗(yàn)

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

耐共振頻率處理。在產(chǎn)品振動(dòng)頻響檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的明顯共振頻率點(diǎn)上，施加規(guī)定振動(dòng)參數(shù)振幅的振動(dòng)，以考核產(chǎn)品耐共振振動(dòng)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(dòng)頻率時(shí)，可采用耐預(yù)定頻率的振動(dòng)試驗(yàn)。其目的還是為考核產(chǎn)品在預(yù)定危險(xiǎn)頻率下承受振動(dòng)的能力。

4、試驗(yàn)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(yàn)的頻率或頻率范圍；民（商）用標(biāo)準(zhǔn)通常是用兩種方式來(lái)規(guī)定的。

如何確定和選擇和確定試驗(yàn)的頻率范圍？

產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到很低的振動(dòng)頻率，例如車(chē)輛上用的設(shè)備，其車(chē)輛主要基波頻率可能低到在1.5~4Hz之間，而振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，要達(dá)到1.5Hz，其加速度波型失真就會(huì)超差很大，達(dá)不到試驗(yàn)的要求。

因此在確定試驗(yàn)頻率范圍時(shí)就要權(quán)衡，如果一個(gè)產(chǎn)品試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)；如果一個(gè)產(chǎn)品試驗(yàn)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(diǎn)頻率，例如低頻端從5~10 Hz開(kāi)始，因?yàn)橐_(dá)到500~2000 Hz的頻率，必需用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，而當(dāng)今的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)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(dòng)試驗(yàn)中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二種，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，有的試驗(yàn)僅給出位移幅值，有的試驗(yàn)同時(shí)給出位移幅值和加速度幅值。

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

(2) 同時(shí)給出位移幅值和加速度幅值：產(chǎn)品安裝（放）平臺(tái)實(shí)際振動(dòng)的特點(diǎn)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(dòng)頻率的變化而不斷改變的。

就對(duì)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(dòng)試驗(yàn)是建立在以往科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上的，當(dāng)時(shí)（形成正弦振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)）的試驗(yàn)室模擬技術(shù)還不可能實(shí)現(xiàn)像現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)一樣隨著振動(dòng)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(chǎng)振動(dòng)的方法，因此采用低頻段位移幅值不變（稱(chēng)定位移），高頻率段加速度幅值不變（稱(chēng)定加速度），從定位移變到定加速度之間的頻率稱(chēng)交越頻率（振動(dòng)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(guó)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(yàn)，后者主要用于陸用和空用產(chǎn)品的試驗(yàn)。

試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間及其選擇

試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間是描述產(chǎn)品的耐受振動(dòng)能力的重要參數(shù)。對(duì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的選擇相對(duì)于上述二個(gè)參數(shù)的選擇要困難得多。因?yàn)槟壳耙话愫茈y給出多長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間相當(dāng)于實(shí)際使用的多少時(shí)間。

對(duì)掃頻試驗(yàn)，通常以?huà)哳l循環(huán)數(shù)給出試驗(yàn)時(shí)間。
對(duì)定頻試驗(yàn)，則直接以分鐘和小時(shí)給出試驗(yàn)時(shí)間。

IEC和國(guó)標(biāo)對(duì)掃頻試驗(yàn)給出了1，2，5，15，20，50，100等七個(gè)掃頻循環(huán)數(shù)等級(jí)，對(duì)定頻試驗(yàn)給出了10分，30分，1小時(shí)，1.5小時(shí)，2小時(shí)，10小時(shí)等六個(gè)試驗(yàn)時(shí)間等級(jí)；對(duì)微電子器件試驗(yàn)方法與程序和電子及電氣元件試驗(yàn)方法的美軍標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)，給出了12個(gè)（三方向）和36個(gè)（三方向）二種掃頻循環(huán)數(shù)等級(jí)。在這里還需指出的是進(jìn)行掃頻試驗(yàn)時(shí)，其掃頻速率通常為1倍頻程/min。如何具體地選擇試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，通常是根據(jù)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的破壞機(jī)理來(lái)確定的。

振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的破壞，一般可以分為三種，即對(duì)產(chǎn)品工作性能的破壞，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好性的破壞，對(duì)產(chǎn)品壽命的破壞。如果主要考慮振動(dòng)對(duì)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(dòng)一旦停止，工作性能就能恢復(fù)正常，所以其試驗(yàn)時(shí)間可按設(shè)備所需的*長(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

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

在某些情況下，也可按全部壽命時(shí)間來(lái)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(shí)間應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，按使用時(shí)可能出現(xiàn)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)來(lái)確定，或按無(wú)限壽命，即10^7次應(yīng)力循環(huán)來(lái)確定試驗(yàn)時(shí)間。

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