随机振动试验：激振设备与激振技术简介

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　　概述
　　随机振动试验的必要性：代替现场试验，缩短产品研发周期，减少开发成本。

　　实验室再现的可能性：新的试验方法及标准的制订，新设备的研制，使实验室中的实验等在一定程度上再现现场情况。

　　随机振动试验分类：
　　      · 耐久性试验：也叫强度试验，用于评价结构或试件的抗随机振动特性，研究其强度破坏及疲劳寿命等问题。
　　      · 功能试验：研究在随机振动环境下结构或试件的功能特性。主要是检验结构或试件在使用振动环境下是否产生功能失灵以及各机件的连接、固定、安装变形及间隙之类的工艺要求是否受到破坏等。
　　      · 响应试验：对振动结构作动力响应特性试验是现代产品的安全、可靠、经济、适用不可或缺的研究环节。

　　随机振动的等价条件
　　随机振动是不确定的，如何再现，需要等价条件。

　　随机振动等价：两个随机振动的全部统计特性相同。但用如下特性实现：
　　      · 幅值域：均值、方差和均方值。
　　      · 时差域：自相关函数。
　　      · 自功率谱密度函数。对于多输入系统，还要进行互相关函数和互谱密度函数的模拟。

　　单一随机振动模拟的等价条件讨论。

　　设现场随机振动为x(t)，x(t)与x'(t)等价首先：

　　均值

　　标准差

　　由标准差和均值导出

　　说明随机振动x(t)与x'(t)的振动总能量及其静态分量都相等。

　　f1，f2，f'1，f‘2分别是Gx(f)与Gx'(f)的峰值对应的频率。

　　后两个条件表示含有振动能量极大值的频率成分相同，而且这些频率上的振动能量大小也相同。前两个条件表示Gx(f)与Gx'(f)下面的面积相等。
　　要求严格时，有

　　振动试验系统分类
　　一、正弦振动试验系统
　　1. 定频试验
　　在一个或几个频率下进行定频试验，以考核试件的抗振能力和耐振强度。

　　2. 正弦扫描(扫频)试验
　　规定量级，正弦激励信号的频率随时间变化。
　　(1) 线性扫描

　　(2) 对数扫描

　　扫描f1→f的时间：

　　或

　　3. 正弦振动试验系统
　　工程中常用倍频程扫描，表示为：

　　k-单位时间内扫过频率的倍频程数目，称为倍频程扫描率。取

　　由扫描f1→f的时间可知，以对数扫描率[f1，f2]在频带内单向扫描一次所发生的总的振动次数N表示为：

　　用于计算疲劳试验次数。

　　带谷不带谷之分：
　　试验时，振动台面对试件的激励位移幅值或加速度幅值保持某个预定数值。实际情况下，激励可能是力，或者是运动参数，但量值不是保持不变。因此在某些频段内，可能出现过试验。为此，采用控制台面的运动参数自动适应共振引起使运动参数量值下降，因而在谱图上出现谷值。

　　快慢之分：
　　      · 快速扫描：线性度好，用于模态分析，信噪比高
　　      · 慢速扫描：环境试验，寻找共振点，信噪比低

　　4. 随机振动试验系统
　　(1) 模拟式随机振动试验系统

　　均衡的概念：
　　均衡是对不同频段上功率放大器的输入信号进行不同程度的放大和衰减，使振动台的振动或者试件上某点的振动达到预定的要求。也就是说，均衡是对不同频段上的振动能量进行重新分配，以实现随机振动控制。

　　“峰-谷”均衡器：

　　“峰-谷”均衡器是由变Q与变通带滤波器组成。有几对峰-谷就需几个均衡器串联起来。

　　多通道滤波均衡系统：

　　将试验频率范围划分成若干离散的滤波器频带，然后调每个频带增益，以达到均衡的目的。

　　(2) 数字控制振动试验系统
　　功率谱再现式随机振动实验

　　扫频随机振动试验：用窄带随机信号对很宽的实验频段扫描激振。

　　宽带随机+正弦定频及宽带随机+正弦扫描实验

　　波形再现式控制系统：不丢失相位，但再现的频率范围较低。

　　激振设备的选择与安装
　　一、振动试验台
　　1. 振动试验台的类型和特点

　　2. 电动振动台
　　(1) 电动振动台的原理和结构
　　电动振动台是将电能转换为机械能的换向器。基本工作原理是基于载流导体在磁场中要受到电磁力作用的安培定律。如图所示，电动振动台的推力为：

　　电动振动台主要由活动系统(驱动线圈和工作台)、磁路系统、弹性支承系统、导向系统以及冷却系统组成，如图所示。

　　导向机构的作用是限制振动台的横向运动，弹性支承系统则用来产生恢复力和支承力，冷却系统用强迫冷却来降低温升。

　　(2) 电动振动台的动力学参数
　　电动振动台的动力学参数：推力、激振频率、固有频率、弹性元件刚度、参振质量等。

　　电动振动台的推力是指振动台负载情况下输出的总推力，包括无用推力和有用推力两部分。

　　无用推力F0是振动台体活动部分消耗的推力，即：

　　m0为振动台体活动部分质量;a0为振动台空载最大加速度幅值。

　　当振动台负载质量为零时，台体推力全部消耗在推动自身活动部分质量上，此时有用推力为零。

　　振动台额定宽带推力计算：

　　式中mτ为规定的试验负载，me为活动部分的等效质量;ab为随机振动的方均值加速度。

　　me的确定：在频率f与标准电流I 的条件下，测量空载台面加速度a1和负载为mτ的工作台面加速度a2，等效质量me为：

　　式中， 为包含激励频率f和运动部分悬挂固有频率fsτ的修正项。


　　(3) 电动振动台的基本参数及技术指标

　　me——振动台运动部分等效质量

　　ma——试验载荷的质量

　　频率范围：振动台允许的工作频率范围

　　最大载荷：振动台+试件+夹具的最大质量;偏载力 矩;振动台所能承受的最大扭矩。

　　最大振幅：空载最大加速度幅值;负载最大加速度幅值;最大速度幅值;最大位移幅值。

　　加速度波形失真度

　　台面加速度幅值均匀度：

　　加速度幅值指示误差

　　定振精度差：振动台空载和满载，在规定的频率范围内，以规定的扫描速率进行定位移-定加速度幅值自动往复扫描的过程中，电平记录仪测量记录的定振频率特性曲线的最大不平坦度(以dB计)。

　　台面温度：振动台空载，在机电共振频率上，已空载最大加速度幅值作定频振动，按规定的连续工作时间连续运行，台面温度的最大值。

　　本底噪声加速度：接通振动台电源，激磁、冷却装置及功率放大器均处于工作状态，在控制装置的输出信号为零时，台面产生的噪声加速度的有限值。

　　3. 功率放大器
　　功率放大器是电动台的推动电源，它把来自信号源的小功率信号放大，供给驱动线圈足够的不失真功率驱动电源。

　　4. 振动控制仪
　　功能：产生频率和波形都能满足要求的激励信号，并按着试验规范的要求调节振动量级以实现可控制的振动试验。

　　(1) 正弦振动控制仪
　　      · 为振动台功率放大器(或伺服放大器)提供正弦扫描信号电压，频率上限、频率下限、扫频速率可调节，在整个频率范围内以不同的速率进行线性或指数扫频。
　　      · 对台体产生的加速度、速度、位移能够精确定振，使其符合试验规范要求的定振动幅值的容差范围。
　　      · 在较宽的频率范围进行定位移、定速度、定加速度交越控制。
　　      · 能设定往复次数，完成试验后自动停机。
　　      · 有输出接口，便于与振动分析仪、记录仪连接。


　　(2) 随机振动控制系统

　　5. 有输出接口，便于与振动分析仪、记录仪连接

　　二、激振器-无台面
　　电动式激振器的安装方式：
　　      · 固定安装方式
　　      · 悬吊式安装方式
　　      · 弹性支承方式

　　激振器顶杆与试件的连接方式：
　　拉压式：用螺钉螺母直接联接，适于结构刚度较小的柔性结构

　　1. 分类和特点

　　2. 激振器的原理和结构

　　三、激振器的安装和使用
　　1. 激振器的安装方式

　　预压式：顶杆与试件不直接相连，靠预压力将顶杆紧顶在试件上。此法简便易行，但对试件的振动有影响。

　　不脱离的最小预压力：

　　m——激振器可动部分质量

　　a——激振点的加速度值

　　2. 振动台的辅助设备-水平滑台
　　      · 高质量水平滑台的特性：
　　      · 较宽的频率范围和较小的波形畸变
　　      · 较大的负载能力和力传递率
　　      · 对滚动、偏摆和仰俯力矩有较高的约束力

　　振动试验夹具

　　来源：声振之家公众号整理自沈阳航空航天大学艾延廷 的《振动测试与分析技术》PPT讲义