隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試方法詳解
實(shí)際的場(chǎng)合中，許多真實(shí)的振動(dòng)環(huán)境是隨機(jī)的，如噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)、車輛在不平路面行駛引起的振動(dòng)、飛行器附面層紊流引起的振動(dòng)等等。因此，要真實(shí)地模擬外場(chǎng)振動(dòng)環(huán)境，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是不可缺少的。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)遠(yuǎn)比正弦振動(dòng)試驗(yàn)復(fù)雜。1.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和正弦振動(dòng)試驗(yàn)的等效問題
當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)許多振動(dòng)環(huán)境是隨機(jī)的，而用正弦振動(dòng)試驗(yàn)不能解決隨機(jī)的工程問題時(shí)，就希望進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)。正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)不存在一般的等效關(guān)系。只是在振動(dòng)強(qiáng)度中正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)按疲勞損傷原理存在某種等效，及A 為等效正弦振幅；r 為正態(tài)化系數(shù)；f 為頻率；Q 為放大系數(shù)（響應(yīng)/輸入）；W 為頻率f上的譜密度值。這一公式常用于正弦掃描代替隨機(jī)振動(dòng)，但使用條件是在共振峰附近，且局限于疲勞強(qiáng)度等效，而對(duì)于考核產(chǎn)品性能的試驗(yàn)不適用。許多產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^但正弦振動(dòng)試驗(yàn)通不過，而實(shí)際環(huán)境又是隨機(jī)的。
正弦振動(dòng)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)如下：
①是分析共振頻率和阻尼特性（共振時(shí)）的有用工具；③試驗(yàn)結(jié)果極易被工程技術(shù)人員理解和使用；④比隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)，易于普及。然而，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)在大多數(shù)情況下更代表實(shí)際環(huán)境，所有頻率成分同時(shí)激振而且各個(gè)頻率的輸入振幅是隨機(jī)變化的。一般，正弦振動(dòng)試驗(yàn)適合于試件的最初分析階段，而隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)適用于最終檢驗(yàn)2.隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的準(zhǔn)備
① 試驗(yàn)夾具的選用和設(shè)計(jì)
進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和正弦振動(dòng)試驗(yàn)一樣，首先應(yīng)將受試設(shè)備牢固剛性地固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。對(duì)于各類電子組件、印制電路板、精密的儀器儀表通常情況下需要借助于夾具，將受試設(shè)備固定在夾具上，通過夾具將受試樣品固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)面上。
在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，如果夾具選擇不好，除會(huì)使試件受到失真的振動(dòng)考核外，還可能使振動(dòng)控制變得困難，有些地方超差很嚴(yán)重，甚至使試驗(yàn)難以進(jìn)行。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)比正弦振動(dòng)對(duì)夾具設(shè)計(jì)與制作的要求更高，也更嚴(yán)。隨機(jī)振動(dòng)更容易使緊固件振松。因此，在每次試驗(yàn)前都應(yīng)檢查緊固件是否松動(dòng)。在試驗(yàn)過程中如果發(fā)現(xiàn)控制不穩(wěn)定，應(yīng)停機(jī)檢查緊固件和傳感器的連接，這兩種連接有問題時(shí)，都會(huì)造成控制不穩(wěn)定。在擰緊安裝螺栓時(shí)應(yīng)該使用測(cè)力扳手。這樣既可以保證擰緊，又保證緊固件不受損傷。這里推薦對(duì) M8 的螺栓擰緊力矩為3.46kg/m；對(duì)M10的螺栓擰緊力矩為7.6kg/m。如果沒有條件使用測(cè)力扳手，在擰緊螺栓時(shí)要保證彈簧墊圈剛剛壓平，不要用大扳手使勁擰，以防將螺紋擰壞或螺栓擰斷。
③ 控制加速度計(jì)和測(cè)量加速度計(jì)的安裝試驗(yàn)前必須按試驗(yàn)條件的要求安裝好控制和測(cè)量的加速度計(jì)。安裝方法和注意要點(diǎn)與正弦試驗(yàn)相同。為了防止靜電干擾，一般在加速度計(jì)和夾具或試件之間加絕緣片和絕緣塊，其中絕緣塊可以在三個(gè)垂直方向上粘加速度計(jì)。可用502膠黏結(jié)，也可以用小螺釘連接絕緣塊，另用小螺釘連接加速度計(jì)和絕緣塊。④ 隨機(jī)振動(dòng)控制儀設(shè)置
隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件及控制參數(shù)均需要事先（試驗(yàn)前）輸入控制儀，由于控制儀的種類不同，需要輸入的參數(shù)也不盡相同，這里只選較為通用的參數(shù)進(jìn)行說明。
選擇頻率范圍。大部分控制儀需要選擇頻率范圍。一般有幾檔供選擇，只要將試驗(yàn)頻率上限值輸入，控制儀就可以自動(dòng)選到級(jí)合適的頻率范圍。個(gè)別控制儀則不需要選，頻率范圍是固定的。
譜線數(shù)和自由度數(shù)的選擇。數(shù)控儀的分辨率是由譜線數(shù)決定的，試驗(yàn)帶寬除以譜線數(shù)就是分辨率。例如，試驗(yàn)頻率上限為 2000Hz，試驗(yàn)帶寬也就是 2000Hz，如選 200線，則分辨率為 10Hz。選 400 線，則分辨率為 5Hz。常用的譜線數(shù)為 200、400 和800。譜線數(shù)越多，分辨率越高，但回路時(shí)間（即對(duì)輸出譜進(jìn)行一次修正的時(shí)間）也越長(zhǎng)，也就是說要達(dá)到同樣精度時(shí)均衡的時(shí)間也加長(zhǎng)。在選擇譜線數(shù)時(shí)，如果試驗(yàn)規(guī)范譜形簡(jiǎn)單，可以先選 200 線，只有當(dāng)它不能滿足要求時(shí)，例如，譜的設(shè)置由于分辨率不夠無法設(shè)置，或者某頻段內(nèi)均衡后超差嚴(yán)重等，再增加譜線數(shù)。
譜的設(shè)置。將試驗(yàn)規(guī)范的譜形輸入控制儀，一般試驗(yàn)功率譜密度曲線由折線組成，輸入前先要了解有幾個(gè)折點(diǎn)，每個(gè)折點(diǎn)處的功率譜密度值（PSD 值）和折點(diǎn)的頻率值，起始和最終折線的斜率（單位是 3dB/倍頻程）。如果規(guī)范給出的值與輸入值要求不同，應(yīng)該換算成要求的值，例如，規(guī)范譜一般起始和終點(diǎn)只給出頻率和斜率，而不給出 PSD 值，有些儀器輸入需要這點(diǎn)的 PSD 值，那么就需要計(jì)算，并按規(guī)范譜將各折點(diǎn)數(shù)據(jù)依次輸入儀器。
容差的設(shè)置。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的容差由兩部分組成，即譜形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制譜形的，后者是控制總能量的。而設(shè)置的容差又分為報(bào)警限和終止限，試驗(yàn)中控制譜或均方根加速度超過報(bào)警限，儀器報(bào)警但不停止試驗(yàn)；超過中止限就要切斷輸出，停止試驗(yàn)。容差的設(shè)置一般應(yīng)按試驗(yàn)條件的要求設(shè)置，可以全頻段只設(shè)一種，也可以分頻段設(shè)置不同值。如果試驗(yàn)條件沒給出容差要求，推薦使用譜容差如下：報(bào)警極限±3dB，中止極限±6dB。均方根容差報(bào)警極限±5dB，中止極限±3dB。
預(yù)試量級(jí)的設(shè)置。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)首先要在低量級(jí)下均衡，均衡完成后，逐步將量級(jí)升至試驗(yàn)量級(jí)。通常均衡量級(jí)要很低，這樣不會(huì)對(duì)試件造成損傷。但低量級(jí)均衡到高量級(jí)做試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)非線性問題，均衡好的譜還要修正。因此，在什么量級(jí)下進(jìn)行均衡、分幾個(gè)量級(jí)、用多長(zhǎng)時(shí)間升到試驗(yàn)量級(jí)都需要設(shè)置。如果試驗(yàn)條件沒給出特殊要求的話，推薦設(shè)五個(gè)預(yù)置量級(jí)，即-12dB、-9dB、-6dB、-3dB、0dB，上升時(shí)間以 30～60s 為宜。GB/T2423.56規(guī)定，在正式隨機(jī)試驗(yàn)前，所允許的預(yù)調(diào)激勵(lì)時(shí)間（即建立時(shí)間）如下：
a.小于規(guī)定量級(jí)的25%（-12dB），無時(shí)間限制。b.在規(guī)定量級(jí)的25%～50%（-12～-6dB），其時(shí)間不大于規(guī)定時(shí)間的1.5倍。c.在規(guī)定量級(jí)的50%～100%（-6～0dB），其時(shí)間不大于規(guī)定時(shí)間的10%。⑤ 試驗(yàn)系統(tǒng)的導(dǎo)通試驗(yàn)前，無論是控制系統(tǒng)還是測(cè)量系統(tǒng)，都需要導(dǎo)通。所謂導(dǎo)通，就是看系統(tǒng)連接是否有效、是否可靠，一般常用的方法是給試件及振動(dòng)臺(tái)一個(gè)段擊，觀察傳感器、電荷放大器及示波器有無反應(yīng)。試驗(yàn)前的導(dǎo)通工作十分重要，它是進(jìn)行安全試驗(yàn)，提高測(cè)量可靠性的有效方法。3.隨機(jī)振動(dòng)的預(yù)試驗(yàn)
一般大型隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)在試驗(yàn)準(zhǔn)備工作做完后都要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。其目的是通過小 t 級(jí)的振動(dòng)試驗(yàn)了解系統(tǒng)工作是否正常、試件安裝是否合適，并了解試驗(yàn)的振動(dòng)特性，觀察控制曲線和驅(qū)動(dòng)曲線，估計(jì)正式試驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)什么問題，想辦法解決出現(xiàn)的各種問題。① 用試驗(yàn)量級(jí)的1/4（-12dB）進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)的預(yù)試驗(yàn)，時(shí)間為60s。記錄全部測(cè)點(diǎn)的影響，畫出控制曲線及驅(qū)動(dòng)曲線，觀察功放最大的輸出電壓和電流。通過試驗(yàn)了解各系統(tǒng)工作是否正常，控制曲線是否完全滿足容差要求，驅(qū)動(dòng)曲線的動(dòng)態(tài)范圍是否達(dá)到控制儀的極限，功放的最大輸出電壓和電流是否小于額定值的1/4。研究這些問題是為了估計(jì)滿t級(jí)試驗(yàn)是否有把握，在預(yù)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題必須解決，如果要解決的問題較多，預(yù)試驗(yàn)還可以重復(fù)進(jìn)行，直至滿意為止。許多試件要求在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過程中進(jìn)行測(cè)試。因此，在正式試驗(yàn)前必須對(duì)試件進(jìn)行初始檢查及通電測(cè)試，并記錄初始靜態(tài)數(shù)據(jù)，還可以利用預(yù)試過程觀察試件各參數(shù)在預(yù)試驗(yàn)中的變化。
4.正式隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)
預(yù)試驗(yàn)順利后就可以開始正式試驗(yàn)。正式試驗(yàn)的注意事項(xiàng)和中斷處理與正弦試驗(yàn)基本相同。其中要強(qiáng)調(diào)的是試驗(yàn)由一個(gè)人統(tǒng)一指揮，各崗位分工明確，職責(zé)清楚，試驗(yàn)中出現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)告指揮，由指揮處理。每次試驗(yàn)結(jié)束，要檢查一下控制曲線及測(cè)量信號(hào)是否已記錄下來。一般試驗(yàn)要進(jìn)行三個(gè)相互垂直的x，y，z，3 三個(gè)方向依次進(jìn)行，但換一個(gè)方向后應(yīng)從預(yù)試驗(yàn)開始。因?yàn)楦鼡Q方向，許多部分都要重新連接，重新安裝。在每一方向正式試驗(yàn)做完后，在同樣的狀態(tài)下，按預(yù)試驗(yàn)中第二項(xiàng)再做一次頻率特性測(cè)量，使用的試驗(yàn)參數(shù)完全相同，記錄下各測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線。5.數(shù)據(jù)處理及編寫試驗(yàn)報(bào)告正式試驗(yàn)全部結(jié)束后，保存三個(gè)方向上的振動(dòng)試驗(yàn)曲線，填寫原始記錄，為編寫試驗(yàn)報(bào)告做準(zhǔn)備，另外，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可以整理，試件、夾具拆卸后擺放在規(guī)定的區(qū)域，各類固定用的螺栓歸類收置放好以備下次試驗(yàn)使用。
