振动试验基本知识

发布时间：2020-07-10 10:44:18

专业知识

1、振动试验基本知识

1.1 振动试验方法

试验方法包括试验目的，一般说明、试验要求、严酷等级及试验程序等几个主要部分。为了完成试验程序中规定的试验，在振动试验方法中又规定了“正弦振动试验”和“随机振动试验”两种型式的试验方法。

正弦振动试验

正弦振动试验控制的参数主要是两个，即频率和幅值。依照频率变和不变分为定频和扫频两种。

定频试验主要用于：

a） 耐共振频率处理：在产品振动频响检查时发现的明显共振频率点上，施加规定振动参数振幅的振动，以考核产品耐共振振动的能力。

b） 耐予定频率处理：在已知产品使用环境条件振动频率时，可采用耐予定频率的振动试验，其目的还是为考核产品在予定危险频率下承受振动的能力。

扫频试验主要用于：

● 产品振动频响的检查（即最初共振检查）：确定共振点及工作的稳定性，找出产品共振频率，以做耐振处理。

● 耐扫频处理：当产品在使用频率围无共振点时，或有数个不明显的谐振点，必须进行耐扫频处理，扫频处理方式在低频段采用定位移幅值，高频段采用定加速度幅值的对数连续扫描，其交越频率一般在55-72Hz，扫频速率一般按每分钟一个倍频进行。

● 最后共振检查：以产品振动频响检查相同的方法检查产品经耐振处理后，各共振点有无改变，以确定产品通过耐振处理后的可靠程度。

随机振动试验

随机振动试验按实际环境要求有以下几种类型：宽带随机振动试验、窄带随机振动试验、宽带随机加上一个或数个正弦信号、宽带随机加上一个或数个窄带随机。前两种是随机试验，后两种是混合型也可以归入随机试验。

电动振动台的工作原理是基于载流导体在磁场中受到电磁力作用的安培定律。

1.2 机械环境试验方法标准

电工电子产品环境试验国家标准汇编（第二版）2001年4月

汇编中汇集了截止目前我国正式发布实施的环境试验方面的国家标准72项，其中有近50项不同程度地采用IEC标准，容包括：总则、名词术语、各种试验方法、试验导则及环境参数测量方法标准。

其中常用的机械环境试验方法标准：

（1） GB/T 2423.5-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Ea和导则：冲击

（2） GB/T 2423.6-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Eb和导则：碰撞

（3） GB/T 2423.7-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Ec和导则：倾跌与翻倒（主要用于设备型产品）

（4） GB/T 2423.8-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Ed和导则：自由跌落

（5） GB/T 2423.10-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Fc和导则：振动（正弦）

（6） GB/T 2423.11-1997 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Fd： 宽频带随机振动—— 一般要求

（7） GB/T 2423.12-1997 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Fda：宽频带随机振动—— 高再现性

（8） GB/T 2423.13-1997 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Fdb：宽频带随机振动—— 中再现性

（9） GB/T 2423.14-1997 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Fdc：宽频带随机振动—— 低再现性

（10） GB/T 2423.15-1997 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法

试验Ga和导则：稳态加速度

（11） GB/T 2423.22-1986 电工电子产品基本环境试验规程

温度（低温、高温）和振动（正弦）综合试验导则

（12） GB/T 2423.24-1995 电工电子产品环境试验

温度（低温、高温）/低气压/振动（正弦）综合试验导则

GJB150.1～150.20-86 军用设备环境试验方法

标准中共包括1个总则和19个试验方法，以美国军用标准MIL-STD-810C或810D为依据制订，其中涉及机械环境试验的是：

（1） GJB150.15-86 军用设备环境试验方法 加速度试验

（2） GJB150.16-86 军用设备环境试验方法 振动试验

（3） GJB150.17-86 军用设备环境试验方法 噪声试验

（4） GJB150.18-86 军用设备环境试验方法 冲击试验

（5） GJB150.20-86 军用设备环境试验方法 飞机炮振试验

依据MIL-STD-810F修订的GJB150即将颁布。

GB2423、GB2424和GJB150系列标准是产品环境试验的基础标准，供各个行业、各类产品制订技术条件和相应试验标准时使用，以使该产品的环境试验达到统一而又具有再现性。

1.3 相关名词术语

振动 振动是物体围绕平衡位置进行的往复运动的一种形式。通常用一些物理量（如位移、速度、加速度等）随时间变化的函数来表征振动的时间历程。或者说，振动可以认为是一个质点或物体相对于一个基准位置的运动。当这个运动在一定的时间间隔后仍精确地重复着，我们称之为周期 振动。

正弦振动 运动量随时间按正弦（或余弦）函数变化的振动，亦称简谐振动。

随机振动 对未来任何一个给定时刻，其瞬时值不能预先确定的振动。（注：在某一围，随时振动大小的概率可以用概率密度来确定。）

振动周期 周期振动中，同一物理量的相同值重复出现的最短时间间隔，一般用“T”表示。

振动频率 周期振动中，单位时间相同的物理量值重复出现的次数。一般用“f” 表示。这里分f=

角频率 单位时间的弧度数它等于频率乘以2

角频率一般用表示，即＝2f

幅值 正弦量的最大值。在振动中幅值亦称振幅。

位移幅值 正弦振动中位移量的最大值

速度幅值 正弦振动中速度量的最大值

加速度幅值 正弦振动中加速度量的最大值

复合振动 由频率不同的简谐振动合成的振动

共振频率 构件或产品出现共振的频率

扫频 频率连续经过某一区域的过程

扫频速度 在扫频过程中，频率对时间的变化率，即

交越频率 在振动试验中由一种振动特性量变为另一种振动特性量的频率。如交越频率由等位移——频率关系变为等加速度——频率关系时的频率。

振动台面横向运动比 振动时横向加速度与轴向加速度比

振动台面加速度均匀度 台面不同直径安装螺孔上的加速度与台面中心加速度值误差与台面中心加速度值之比。

宽带随机振动 频率成分分布在较宽频率带的随机振动

窄带随机振动 频率成分分布在某一窄频带的随机振动

倍频程 频率比为2n的两个频率之间的频段称为n个倍频程

n=1为1倍频程 如频率从2Hz到4Hz称1个倍频程

n＝3为3倍频程如频率从2Hz到16Hz称3个倍频程

控制点 振动试验中，用以控制振动量值的传感器的安装点

监测点 振动试验中，用以监测振动台面振动量值和试验样品响应的传感器的安装点

频率响应 在系统中，输出与输入之比表示为输入信号频率的函数，通常的幅频特性曲线、相频特性曲线表示

时域 描述运动规律的时间坐标

频域 描述振动频谱的频率坐标

线性系统 可以用线性微分方程描述其运动规律的系统（注：在线性系统中，响应与激励的大小或正比）

非线性系统 系统中的某个或多个参数（如刚性、阻尼）具有非线性特征，只能用非线性微分方程描述其运动规律的系统。

单自由度系统 在任意瞬时，只要用一个广义坐标就可以完全确定其位置的体统。

多自由度系统 在任意瞬时，需要用两个或以上的广义坐标才能完全确定其位置的系统。

自随机振动 在所研究的频谱，具有相等均方加速度谱密度的振动。

随机过程 可以用统计特性表示的时间函数的集合。

平稳过程 统计特性不随时间变化的随机过程。

时间历程 一个量的大小同时间函数表示。

各态历经过程 每一个时间历程的平均值都相同的稳态过程。

均衡 调整电子放大器和控制系统的增益使在所要求的频谱各输出的振幅与输入信号幅值之比为常数的过程，称均衡。

传感器 将感受到的物理量转换成测量所需的电压量或电荷量的装置，在振动试验中最常用的是压电式的加速度传感器。

传感器的电压灵敏度 传感器受单位机械量作用得到的电压输出量。

传感器的电荷灵敏度 传感器受单位机械量作用得到的电荷输出量。

电荷放大器 输出电压与输入电荷成正比的放大器。

低通滤波器 通频带是以零到某一有限截止频率的滤波器。

高通滤波器 通频带是以某一不为零的有限截止频率到无穷大频率的滤波器。

带通滤波器 通频带是以大于零的下限频率到有限的上限频率的滤波器。

跟踪滤波器 对中心频率的输入信号进行跟踪扫描的带通滤波器。

等效质量 为便于分析而采用的与原振动系统惯性效应相等的质量。

刚度 弹性体所收到外力（力矩）的增量与其所产生的位移（转角）的增量之比。

振动台 试验样品固定在台面上进行振动试验和测振仪器的校准其振动参数是可控制的试验台。

激振器 用以产生振动力，并能将这种振动力加到其它结构或设备上的设备。

电动振动台 由固定磁场和位于磁场有一定交流电流的线圈相互作用所产生的振动力来驱动振动台或者说电动振动台是能把电能转换能动能的振动台。

电磁振动台 由电磁铁和磁性材料相互作用产生振动力驱动的振动台。

液压振动台 由适当设备所施加的液体压力产生振动力驱动的振动台，简单地说液压振动台是把液压能转换能动能的振动台。

共振试验 在试件的共振频率点上以一定的加速度值或位移值在规定的时间进行的定频振动试验。

耐振试验 用来使核试件在振动条件下的结构强度、疲劳性能及工作性能的试验。

模态试验 为确定振动冲击系统模态参数所进行的振动试验。

冲击试验 使核试件承受冲击载荷能力的试验。

碰撞试验 连续冲击试验

及将包装固定在冲击试验机台面上，使其按规定的波形、加速度核脉冲持续时间，在规定时间进行的连续冲击试验。

斜面冲击试验 将放置包装件的滑车从一定高度从斜面上滑下撞击冲击表面，从而许定包装件承受水平冲击能力和包装对装物保护能力的试验。

运输试验 将包装件以一定的方式置于运输工具上，在规定的装置载量，运输路线、行驶速度、运输距离与外界气候等条件下，许定包装承受压力、冲击、振动、摩擦、温度和湿度变化对装物保护能力的综合试验。

1.4 常用公式

1. 求推力（F）的公式

F=（m0+m1+m2+ ……）A

式中： F—推力（激振力）（N）

m0—振动台运动部分有效质量（kg）

m1—辅助台面质量（kg）

m2—试件（包括夹具、安装螺钉）质量（kg）

A— 试验加速度（m/s2）

2. 加速度（A）、速度（V）、位移（D）三个振动参数的互换运算公式

A=ωv V=ωD A=ω2D

式中：A—试验加速度（m/s2）

V—试验速度（m/s）

ω=2πf（角速度）

其中f为试验频率（Hz）

3. 扫描时间和扫描速率的计算公式

3.1 线性扫描比较简单：

S1=

式中： S1—扫描时间（s或min）

fH-fL—扫描宽带，其中fH为上限频率，fL为下限频率（Hz）

V1—扫描速率（Hz/min或Hz/s）

3.2 对数扫频：

3.2.1 倍频程的计算公式

n=

式中：n—倍频程（oct）

fH—上限频率（Hz）

fL—下限频率（Hz）

3.2.2 扫描速率计算公式

R=

式中：R—扫描速率（oct/min或oct/s）

fH—上限频率（Hz）

fL—下限频率（Hz）

T—扫描时间

T=n/R

式中：T—扫描时间（min或s）

n—倍频程（oct）

R—扫描速率（oct/min或oct/s）

4、随机振动试验常用的计算公式

4.1 频率分辨力计算公式:

△f=

式中：△f—频率分辨力（Hz）

fmax—最高控制频率

N—谱线数（线数）

fmax是△f的整倍数

2、试验设备标准和检定规程

机械环境试验方法标准中不同的试验方法对试验设备提出了不同的特性要求。为了满足试验方法对设备（含夹具、试件）的试验要求，国家有关部门、行业组织有关专家对各种试验设备制订了相应的产品国家标准、专业标准以及各种设备的检定规程和检定方法的国家标准。

列举如下：

1. GB/T13310-91 电动振动台技术条件

2. GB/T5170.14-2000 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法

振动（正弦）试验用电动振动台

3. JJG948-1999 数字式电动振动试验系统

4. JJG190-1997 电动式振动试验台

5. JJG529-88 随机振动试验系统

6. GB/T13309-91 机械振动台技术条件

7. GB/T5170.13-xxxx 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法

振动（正弦）试验用机械振动台

8. JJG189-1997 机械式振动试验台

9. GB/T5170.15-xxxx 电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法

振动（正弦）试验用液压振动台

10. JB/T8228-2000x 液压振动台

11. JJG638-90 液压式振动试验台

12. JB/T6868-93 冲击台技术条件

13. JJG541-88 落体式冲击试验台

14. JB/T9391-200x 碰撞试验台技术条件

15. JJG497-2000 碰撞试验台

16. JB/T7407-94 包装跌落试验机技术条件

3、电动台的一些标准规（参照JJG948-1999）

1. 谐波失真度

A级

频率围

5≤f≤20Hz

f＞20 Hz

波形失真

≤15%

≤10%

B级

频率围

5≤f≤20Hz

f＞20 Hz

波形失真

≤20%

≤10%

C级

频率围

5≤f≤20Hz

f＞20 Hz

波形失真

≤25%

≤10%

在20Hz以上整个工作频率围，允许有1～2个加速度波形失真较大的频带，在该频带最大加速度波形失真度不大于25%，频率宽度为加速度失真度对应频率的10%，加速度波形失真度的测量包括到上限频率5倍的谐波。

2. 台面均匀度

小台面

A级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤1500

f＞1500

均匀度

≤10%

≤20%

≤25%

B级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤1500

f＞1500

均匀度

≤15%

≤25%

≤30%

C级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤1500

f＞1500

均匀度

≤15%

≤25%

≤35%

大台面

A级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤0.7f﹡

f＞0.7f﹡

均匀度

≤15%

≤25%

≤50%

B级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤0.7f﹡

f＞0.7f﹡

均匀度

≤20%

≤30%

≤70%

C级

频率围

5≤f≤500

500＜f≤0.7f﹡

f＞0.7f﹡

均匀度

≤25%

≤50%

≤100%

注：

1. 振动台台面最外安装螺栓分布圆直径大于400mm的振动台面为大台面.

2. f﹡为试验系统的一阶共振频率.

3. 在2000Hz以的频率允许有1-2个均匀度较大的频带，在该频带最大加速度幅值均匀度不大于50%（小台面）及150%或给出实际测量值（大台面），频率宽度不超过最大均匀度对应频率的±10%

4. 台面横向振动比（横向加速度幅值与主振方向加速度幅值之比

A级

频率围

5≤f≤20Hz

500＜f＜500

f≥500

台面横向振动比

≤20%

≤10%

≤20%

B级

频率围

5≤f≤20Hz

500＜f＜500

f≥500

台面横向振动比

≤25%

≤15%

≤25%

C级

频率围

5≤f≤20Hz

500＜f＜500

f≥500

台面横向振动比

≤25%

≤15%

≤50%

注：在2000HZ以下频率，允许有1-2个横向振动比较大的频带，在该频带最大横向振动比不应大于100%，频带宽度不超过横向振动比的对应频率的10%

5. 振动位移，速度，加速度幅值误差

幅值示值误差

A级

≤5%

B级

≤8%

C级

≤10%

冲击台一些主要的标准规（参照JJG541-2005）

1. 台面横向比 台面中心点上垂直于冲击方向的加速度值，不得超过标称加速值得30%

2. 台面均匀度 小台面（面积小于1.2m2）小于20%

大台面（面积大于1.2m2）小于 25%

3. 系统基本脉冲波形的速度变化量在相应标称值得±15%

振动参量计算的转换公式：

a=2π f V (1)

V=2π f D （2）

a=(2π f)2 D （3）

式中：f——频率 单位：Hz

a——加速度 m/s2

V——速度 m/s

D——位移（单峰值） m

最大加速度计算公式:由牛顿第二定律F=ma

得 a=F/m

式中: F——最大推力 单位：N

a——加速度 m/s2

m——活动部件等效质量 Kg

参考标准

国家标准

﹡数字式电动振动试验系统计量检定规程 JJG948-1999

﹡电动水平振动试验台计量检定规程 JJG1000-2005

﹡落体式冲击试验台计量检定规程 JJG541-2005

机械台式振动试验台计量检定规程 JJG189-97

碰撞台试验台计量检定规程 JJG497-2000

离心式恒加速度试验机检定规程 JJG972-2002



测试设备厂商说明:

模拟运输振动台的测试标准

有关模拟运输振动测试台的测试标准对设备的要求如下：

ISTA测试标准是美国运输协会标准，ASTM是美国材料协会标准，两个标准对模拟运输振动的设备要求都是：振幅为25.4mm(1英寸，固定)，频率1.5—5Hz(或150-300转/分钟可调)，其试验依据为：T=14200/CPM(基于总振动次数为14200次),试验速度选择方式.

ISTA/ASTM标准有关测试方法表

 

试验速度(RPM)

对应频率(Hz)

测试时间 (M)

150

2.5

95

180

3.0

79

210

3.5

66

240

4.0

60

270

4.5

53

300

5.0

48

 

振动试验基本知识

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