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正弦振動試驗到底有什么用？

日期：2025-03-29 17:15
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摘要：正弦振動試驗是實驗室中經常采用的試驗方法，是人們*早，了解*多的一種振動。例如凡是旋轉、脈動、振蕩（在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現的）所產生的振動均是正弦振動，要模擬這些振動環境，無疑需用正弦振動試驗。在振動試驗的發展歷程中，*早采用的是正弦振動，先是定頻振動，后發展到掃頻振動。就掃頻振動而言，一開始是線性掃頻，慢慢發展到目前的對數掃頻。 正弦振動試驗的目的是在試驗室內模擬產品在運輸、儲存、使用過程中所可能經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的...
正弦振動試驗是實驗室中經常采用的試驗方法，是人們*早，了解*多的一種振動。例如凡是旋轉、脈動、振蕩（在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現的）所產生的振動均是正弦振動，要模擬這些振動環境，無疑需用正弦振動試驗。
在振動試驗的發展歷程中，*早采用的是正弦振動，先是定頻振動，后發展到掃頻振動。就掃頻振動而言，一開始是線性掃頻，慢慢發展到目前的對數掃頻。
     正弦振動試驗的目的是在試驗室內模擬產品在運輸、儲存、使用過程中所可能經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的振動
  • 搜索結構共振頻率
  • 考核試件的疲勞強度
  • 與隨機振動疊加產生模擬實際環境的振動

正弦振動試驗的試驗條件（嚴酷等級）由頻率、振幅、試驗持續時間三個參數共同確定。
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1、相關術語定義

正弦振動：振動參量可由時間自變量的正弦函數描述的周期振動。
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頻率：周期的倒數。頻率的單位是赫茲（Hz），相當于每秒循環一次。

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，給定時間區間內振動*大正值與*大負值之間的差值。

交越頻率：振動的某一特性從一種關系轉變為另一種關系時的頻率。例如：當振動幅值或均方根值從等位移一頻率關系轉變為等加速度一頻率關系時的頻率為交越頻率。
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2、相關標準

振動試驗標準有很多，不同的國家地區行業，會有不同標準體系，如下：ASTM，ISTA，MIL，EN，IEC，ETSI，JIS，SAE、JASO、IEC，ISO等。

現行常見的振動試驗標準有：GB2423，GJB150A，GJB360，GJB548，IEC61373，GB21563，GB6587，GB11287，GB16806，QC413，ISO16750等

其中正弦振動標準主要包括：

  • GB/T2423.10-2008 電工電子產品環境試驗 第2部分: 試驗方法 試驗Fc: 振動(正弦)
  • IEC60068-2-6-2007 基本環境試驗規程.第2部分:試驗.第6節: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（位移、速度或加速度）量級不變，而振動頻率在一定范圍內連續往復變化的試驗。

  • 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，這種掃描用于細找共振頻率的試驗。

  • 對數掃描頻率變化按對數變化，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過了n個倍頻程。

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

掃頻試驗主要用于：

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

  • 耐掃頻處理：當產品在使用頻率范圍內無共振點時，或有數個不明顯的諧振點，必須進行耐掃頻處理，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連續掃描，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行。

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

定頻試驗是指在規定的固定頻率點上進行各種振動參數不同量級的試驗。它主要用于：

  • 耐共振頻率處理。在產品振動頻響檢查時發現的明顯共振頻率點上，施加規定振動參數振幅的振動，以考核產品耐共振振動的能力。

  • 耐預定頻率處理：在已知的產品使用環境條件振動頻率時，可采用耐預定頻率的振動試驗。其目的還是為考核產品在預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

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

如何確定和選擇和確定試驗的頻率范圍？

產品在運輸、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，而振動試驗設備，要達到1.5Hz，其加速度波型失真就會超差很大，達不到試驗的要求。

因此在確定試驗頻率范圍時就要權衡，如果一個產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；如果一個產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，則只能適當的提高低頻段的起點頻率，例如低頻端從5~10 Hz開始，因為要達到500~2000 Hz的頻率，必需用電動振動臺來進行試驗，而當今的電動振動臺隨著科學技術的發展，其低頻端已可達到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標準和國標，其上限頻率不超過10Hz的試驗，只給出一個位移幅值；對美軍標和國軍標，例如電子及電氣元件試驗方法，在10~55 Hz的頻率范圍內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，而當今的正弦振動試驗是建立在以往科學技術基礎上的，當時（形成正弦振動試驗時）的試驗室模擬技術還不可能實現像現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（振動特性一種關系變到另一種關系的頻率）。

在IEC標準和國標中有二種交越頻率，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品的試驗，后者主要用于陸用和空用產品的試驗。

試驗的持續時間及其選擇

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

  • 對掃頻試驗，通常以掃頻循環數給出試驗時間。

  • 對定頻試驗，則直接以分鐘和小時給出試驗時間。

IEC和國標對掃頻試驗給出了1，2，5，15，20，50，100等七個掃頻循環數等級，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和國軍標，給出了12個（三方向）和36個（三方向）二種掃頻循環數等級。在這里還需指出的是進行掃頻試驗時，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時間，通常是根據振動對產品的破壞機理來確定的。

振動對產品的破壞，一般可以分為三種，即對產品工作性能的破壞，對產品結構完好性的破壞，對產品壽命的破壞。如果主要考慮振動對產品工作性能的影響，如工作不正常、不穩定、失靈、甚至不能工作等，通常是振動一旦停止，工作性能就能恢復正常，所以其試驗時間可按設備所需的*長連續工作時間結合實踐經驗來確定。

結構破壞主要是指脫焊、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現。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。如果是為了確定產品承受累積應力的能力（疲勞），其時間應根據產品的使用要求，按使用時可能出現的應力循環數來確定，或按無限壽命，即10^7次應力循環來確定試驗時間。


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