振动试验技术综述

刘宗华++刘天同++董达

摘 要：该文讲述了振动试验（正弦振动、随机振动）的原理、参数识别、计算公式，重点讲述了随机振动试验技术，包括试验容差要求、振动条件疲劳等价关系以及振动控制理论、方法等。另外，还介绍了振动夹具的设计要求、测试方法等。

关键词：随机振动 试验技术 振动控制

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振动试验是在实验室条件下产生一个人工可控的振动环境，该环境模拟产品生命周期（制造/维修、运输、工作、其它）内的使用振动环境，使产品经受与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，考核产品在预期使用过程的振动环境作用下，能否达到设计所规定的各项技术要求，同时也是考核产品结构强度和可靠性的一个主要试验方法。因此，振动试验是产品可靠性试验的重要组成部分。

1 正弦振动试验

1.1 正弦振动试验原理

振动变量是正弦函数形式的一种振动试验。

振动函数为：

（1）

为角速度（ω=2πf）；

为振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振动试验方法

常用的正弦振动试验分为：定频振动和扫频振动。

定频振动是指频率一定，振动加速度（或幅值）、试验时间可变的正弦振动试验。

扫频振动即正弦扫描，指按规定振动量的正弦波，在试验频率范围内，以某种规律连续改变振动频率以激励被试件。扫描时频率变化率称为扫描速率，扫描形式分为线性扫描和对数扫频两种。[1]

1.3 正弦振动试验的峰值加速度要求

（1）振动环境：保证在规定频率范围内，控制传感器上的正弦峰值加速度偏差不大于规定值的±10%。

（2）振动测量：保证在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上的正弦峰值测量数据，其偏差在振动量值的±5%之内。

（3）均方根加速度值：正弦振动均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 随机振动试验

2.1 随机振动定义

振动变量是一种随机变化的振动试验，在任意给定时刻，其瞬时值都不能精确预知。因此，随机振动用统计的方法来进行描述，采用频率域统计描述，即用功率谱密度函数来描述随机信号在频率域的统计特性。[2]

3 随机振动试验技术

3.1 试验允差

随机振动规定了加速度谱密度、频率测量、横向加速度允差要求。

3.1.1 加速度谱密度

文献[3]规定在任何情况下，控制传感器上的加速度谱密度的允差应不超过±3 dB，500 Hz以上可以放宽到-6～+3 dB，但是超过允差的累积带宽应限制在整个试验频率带宽的5%以内。

文献[4]规定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累积带宽之内，偏离允许达到±6 dB。

3.1.2 频率测量

在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上频率测量偏差应在±1.25%内。对于频率不大于25 Hz，分析带宽应小于等于2.5 Hz；对于频率大于25 Hz，分析带宽应不大于5 Hz。

3.1.3 横向加速度

在任何频率上，相互正交并与试验驱动轴正交的两个轴上的振动加速度应不大于试验轴上的加速度的0.45倍（或加速度谱密度的0.2倍）。

3.2 振动试验控制

在试验室振动试验中，试件一般通过适当的试验夹具安装在振动台，试验夹具与振动台的组合用于模拟预期使用过程中平台产生的振动环境，大多数情况下，振动使用条件所对应的振动控制点选择在试件与试验夹具的连接界面上，其代表了预期使用过程中平台对装备的振动环境激励。在理想状态情况下，即试件相对与振动台和试验夹具可以近似作为刚体处理，如果在试件与试验夹具连接界面的振动响应将与预期使用过程一致，可以认为试件经受了符合预期使用过程的振动环境考核。

当试件的尺寸和重量较大，或固有频率较低时，由于试件与振动台、试验夹具的动力耦合（共振或反共振）作用，试验时振动环境的模拟结果往往偏离理想的试验条件。这样即使在试件与试验夹具连接界面的振动控制点达到了规定的振动加速度试验条件，试件上的振动响应也会与预期使用过程中装备上的振动响应不一致，从而导致试件的过试验或欠试验。因此，在实验室振动环境试验中，需要采取适当的控制方法，以改善试件的过试验或欠试验，使得试验结果更接近预期试验情况。

振动试验控制方法可分为四种：加速度输入控制、力限控制、加速度限控制和加速度响应控制以及开环波形控制法。[3]

表1列举了几种控制方法的对比及说明。

4 振动夹具设计

4.1 振动夹具设计要求

一个好的振动夹具，它必须具有较好的综合性能，包括结构、加工工艺性、动态传递特性等多方面考虑。因此，振动夹具设计过程时，应考虑以下因素[1]。

（1）振动夹具能够最大限度地模拟产品的真实安装方式，既能方便地与振动台面连接，也能方便地与试件连接。

（2）尽量做到夹具与试件的组合中心到振动台面最短距离要求，并且与振动台面同轴。

（3）材料应选用比刚度大、阻尼大的材料，如：铝镁合金。

（4）结构优选选用对称封闭形，如立方体、盒型、半球形和锥形等。夹具与振动台面连接的固定点要求圆周对称分布，同一个平面最少均布4个孔，孔的形状做成埋头带台肩的样式。平底埋头孔的深度大约为螺杆直径的1.5～2倍，未被扩孔的部分不得小于15 mm，以保证夹具连接处有足够的强度，避免螺栓的高频共振。

（5）夹具的结构设计时要设计传感器的安装位置，传感器安装位置要求有足够的刚度，并靠近夹具的固定点。

（6）在整个试验频段内，夹具的频率响应特性应尽量平坦，其一阶固有频率应高于试验最高频率。如果，不能高于试验最高频率，则要求不能低于某个频率值，并且在高于这个频率时允许共振，但要限定放大因子及3 dB带宽。

（7）振动夹具的横向振动应尽量小，要求不大于轴向振动的30%。

4.2 振动夹具测试方法

（1）用正弦扫频的试验方法对夹具的传递特性进行测试，通过扫描曲线寻找其谐振频率、传递放大因子以及3 dB带宽，判断其是否满足技术要求。

（2）进行正弦扫频测试要求。

①扫频速率不大于1oct/min。

②进行测试时，要求将控制传感器置于振动夹具与振动台面的固定点处，而监测传感器置于振动夹具与试件的固定点或分界面上，并且有较大刚度的地方。

③正弦扫描测试完后，装入配重体，选择适当的控制方法，按试件振动条件要求进行振动图谱的振动测试，以保证完全满足试件在振动试验中的试验要求。

5 结语

振动试验技术是一门专业性很强的技术学科，需要从试验参数识别、试验控制、振动分析、故障预测与诊断、试验夹具设计等各个方面入手，加强这门试验技术研究。

参考文献

[1] 胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力学环境试验技术[M].力学环境试验技术，西安：西北工业大学出版社，2003.

[3] 施荣明.GJB150.16A-2009《军用设备环境试验方法 振动试验》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信环境与性能试验方法》[Z].

摘 要：该文讲述了振动试验（正弦振动、随机振动）的原理、参数识别、计算公式，重点讲述了随机振动试验技术，包括试验容差要求、振动条件疲劳等价关系以及振动控制理论、方法等。另外，还介绍了振动夹具的设计要求、测试方法等。

关键词：随机振动 试验技术 振动控制

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振动试验是在实验室条件下产生一个人工可控的振动环境，该环境模拟产品生命周期（制造/维修、运输、工作、其它）内的使用振动环境，使产品经受与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，考核产品在预期使用过程的振动环境作用下，能否达到设计所规定的各项技术要求，同时也是考核产品结构强度和可靠性的一个主要试验方法。因此，振动试验是产品可靠性试验的重要组成部分。

1 正弦振动试验

1.1 正弦振动试验原理

振动变量是正弦函数形式的一种振动试验。

振动函数为：

（1）

为角速度（ω=2πf）；

为振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振动试验方法

常用的正弦振动试验分为：定频振动和扫频振动。

定频振动是指频率一定，振动加速度（或幅值）、试验时间可变的正弦振动试验。

扫频振动即正弦扫描，指按规定振动量的正弦波，在试验频率范围内，以某种规律连续改变振动频率以激励被试件。扫描时频率变化率称为扫描速率，扫描形式分为线性扫描和对数扫频两种。[1]

1.3 正弦振动试验的峰值加速度要求

（1）振动环境：保证在规定频率范围内，控制传感器上的正弦峰值加速度偏差不大于规定值的±10%。

（2）振动测量：保证在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上的正弦峰值测量数据，其偏差在振动量值的±5%之内。

（3）均方根加速度值：正弦振动均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 随机振动试验

2.1 随机振动定义

振动变量是一种随机变化的振动试验，在任意给定时刻，其瞬时值都不能精确预知。因此，随机振动用统计的方法来进行描述，采用频率域统计描述，即用功率谱密度函数来描述随机信号在频率域的统计特性。[2]

3 随机振动试验技术

3.1 试验允差

随机振动规定了加速度谱密度、频率测量、横向加速度允差要求。

3.1.1 加速度谱密度

文献[3]规定在任何情况下，控制传感器上的加速度谱密度的允差应不超过±3 dB，500 Hz以上可以放宽到-6～+3 dB，但是超过允差的累积带宽应限制在整个试验频率带宽的5%以内。

文献[4]规定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累积带宽之内，偏离允许达到±6 dB。

3.1.2 频率测量

在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上频率测量偏差应在±1.25%内。对于频率不大于25 Hz，分析带宽应小于等于2.5 Hz；对于频率大于25 Hz，分析带宽应不大于5 Hz。

3.1.3 横向加速度

在任何频率上，相互正交并与试验驱动轴正交的两个轴上的振动加速度应不大于试验轴上的加速度的0.45倍（或加速度谱密度的0.2倍）。

3.2 振动试验控制

在试验室振动试验中，试件一般通过适当的试验夹具安装在振动台，试验夹具与振动台的组合用于模拟预期使用过程中平台产生的振动环境，大多数情况下，振动使用条件所对应的振动控制点选择在试件与试验夹具的连接界面上，其代表了预期使用过程中平台对装备的振动环境激励。在理想状态情况下，即试件相对与振动台和试验夹具可以近似作为刚体处理，如果在试件与试验夹具连接界面的振动响应将与预期使用过程一致，可以认为试件经受了符合预期使用过程的振动环境考核。

当试件的尺寸和重量较大，或固有频率较低时，由于试件与振动台、试验夹具的动力耦合（共振或反共振）作用，试验时振动环境的模拟结果往往偏离理想的试验条件。这样即使在试件与试验夹具连接界面的振动控制点达到了规定的振动加速度试验条件，试件上的振动响应也会与预期使用过程中装备上的振动响应不一致，从而导致试件的过试验或欠试验。因此，在实验室振动环境试验中，需要采取适当的控制方法，以改善试件的过试验或欠试验，使得试验结果更接近预期试验情况。

振动试验控制方法可分为四种：加速度输入控制、力限控制、加速度限控制和加速度响应控制以及开环波形控制法。[3]

表1列举了几种控制方法的对比及说明。

4 振动夹具设计

4.1 振动夹具设计要求

一个好的振动夹具，它必须具有较好的综合性能，包括结构、加工工艺性、动态传递特性等多方面考虑。因此，振动夹具设计过程时，应考虑以下因素[1]。

（1）振动夹具能够最大限度地模拟产品的真实安装方式，既能方便地与振动台面连接，也能方便地与试件连接。

（2）尽量做到夹具与试件的组合中心到振动台面最短距离要求，并且与振动台面同轴。

（3）材料应选用比刚度大、阻尼大的材料，如：铝镁合金。

（4）结构优选选用对称封闭形，如立方体、盒型、半球形和锥形等。夹具与振动台面连接的固定点要求圆周对称分布，同一个平面最少均布4个孔，孔的形状做成埋头带台肩的样式。平底埋头孔的深度大约为螺杆直径的1.5～2倍，未被扩孔的部分不得小于15 mm，以保证夹具连接处有足够的强度，避免螺栓的高频共振。

（5）夹具的结构设计时要设计传感器的安装位置，传感器安装位置要求有足够的刚度，并靠近夹具的固定点。

（6）在整个试验频段内，夹具的频率响应特性应尽量平坦，其一阶固有频率应高于试验最高频率。如果，不能高于试验最高频率，则要求不能低于某个频率值，并且在高于这个频率时允许共振，但要限定放大因子及3 dB带宽。

（7）振动夹具的横向振动应尽量小，要求不大于轴向振动的30%。

4.2 振动夹具测试方法

（1）用正弦扫频的试验方法对夹具的传递特性进行测试，通过扫描曲线寻找其谐振频率、传递放大因子以及3 dB带宽，判断其是否满足技术要求。

（2）进行正弦扫频测试要求。

①扫频速率不大于1oct/min。

②进行测试时，要求将控制传感器置于振动夹具与振动台面的固定点处，而监测传感器置于振动夹具与试件的固定点或分界面上，并且有较大刚度的地方。

③正弦扫描测试完后，装入配重体，选择适当的控制方法，按试件振动条件要求进行振动图谱的振动测试，以保证完全满足试件在振动试验中的试验要求。

5 结语

振动试验技术是一门专业性很强的技术学科，需要从试验参数识别、试验控制、振动分析、故障预测与诊断、试验夹具设计等各个方面入手，加强这门试验技术研究。

参考文献

[1] 胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力学环境试验技术[M].力学环境试验技术，西安：西北工业大学出版社，2003.

[3] 施荣明.GJB150.16A-2009《军用设备环境试验方法 振动试验》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信环境与性能试验方法》[Z].

摘 要：该文讲述了振动试验（正弦振动、随机振动）的原理、参数识别、计算公式，重点讲述了随机振动试验技术，包括试验容差要求、振动条件疲劳等价关系以及振动控制理论、方法等。另外，还介绍了振动夹具的设计要求、测试方法等。

关键词：随机振动 试验技术 振动控制

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0042-02

振动试验是在实验室条件下产生一个人工可控的振动环境，该环境模拟产品生命周期（制造/维修、运输、工作、其它）内的使用振动环境，使产品经受与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，考核产品在预期使用过程的振动环境作用下，能否达到设计所规定的各项技术要求，同时也是考核产品结构强度和可靠性的一个主要试验方法。因此，振动试验是产品可靠性试验的重要组成部分。

1 正弦振动试验

1.1 正弦振动试验原理

振动变量是正弦函数形式的一种振动试验。

振动函数为：

（1）

为角速度（ω=2πf）；

为振幅或位移（mm）。

1.2 正弦振动试验方法

常用的正弦振动试验分为：定频振动和扫频振动。

定频振动是指频率一定，振动加速度（或幅值）、试验时间可变的正弦振动试验。

扫频振动即正弦扫描，指按规定振动量的正弦波，在试验频率范围内，以某种规律连续改变振动频率以激励被试件。扫描时频率变化率称为扫描速率，扫描形式分为线性扫描和对数扫频两种。[1]

1.3 正弦振动试验的峰值加速度要求

（1）振动环境：保证在规定频率范围内，控制传感器上的正弦峰值加速度偏差不大于规定值的±10%。

（2）振动测量：保证在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上的正弦峰值测量数据，其偏差在振动量值的±5%之内。

（3）均方根加速度值：正弦振动均方根加速度等于0.707倍的峰值加速度。

2 随机振动试验

2.1 随机振动定义

振动变量是一种随机变化的振动试验，在任意给定时刻，其瞬时值都不能精确预知。因此，随机振动用统计的方法来进行描述，采用频率域统计描述，即用功率谱密度函数来描述随机信号在频率域的统计特性。[2]

3 随机振动试验技术

3.1 试验允差

随机振动规定了加速度谱密度、频率测量、横向加速度允差要求。

3.1.1 加速度谱密度

文献[3]规定在任何情况下，控制传感器上的加速度谱密度的允差应不超过±3 dB，500 Hz以上可以放宽到-6～+3 dB，但是超过允差的累积带宽应限制在整个试验频率带宽的5%以内。

文献[4]规定500 Hz以下允差控制在-1.5～3 dB，500～2000 Hz不大于±3 dB，最大100 Hz累积带宽之内，偏离允许达到±6 dB。

3.1.2 频率测量

在试验频率范围内，振动测量系统提供传感器安装面上频率测量偏差应在±1.25%内。对于频率不大于25 Hz，分析带宽应小于等于2.5 Hz；对于频率大于25 Hz，分析带宽应不大于5 Hz。

3.1.3 横向加速度

在任何频率上，相互正交并与试验驱动轴正交的两个轴上的振动加速度应不大于试验轴上的加速度的0.45倍（或加速度谱密度的0.2倍）。

3.2 振动试验控制

在试验室振动试验中，试件一般通过适当的试验夹具安装在振动台，试验夹具与振动台的组合用于模拟预期使用过程中平台产生的振动环境，大多数情况下，振动使用条件所对应的振动控制点选择在试件与试验夹具的连接界面上，其代表了预期使用过程中平台对装备的振动环境激励。在理想状态情况下，即试件相对与振动台和试验夹具可以近似作为刚体处理，如果在试件与试验夹具连接界面的振动响应将与预期使用过程一致，可以认为试件经受了符合预期使用过程的振动环境考核。

当试件的尺寸和重量较大，或固有频率较低时，由于试件与振动台、试验夹具的动力耦合（共振或反共振）作用，试验时振动环境的模拟结果往往偏离理想的试验条件。这样即使在试件与试验夹具连接界面的振动控制点达到了规定的振动加速度试验条件，试件上的振动响应也会与预期使用过程中装备上的振动响应不一致，从而导致试件的过试验或欠试验。因此，在实验室振动环境试验中，需要采取适当的控制方法，以改善试件的过试验或欠试验，使得试验结果更接近预期试验情况。

振动试验控制方法可分为四种：加速度输入控制、力限控制、加速度限控制和加速度响应控制以及开环波形控制法。[3]

表1列举了几种控制方法的对比及说明。

4 振动夹具设计

4.1 振动夹具设计要求

一个好的振动夹具，它必须具有较好的综合性能，包括结构、加工工艺性、动态传递特性等多方面考虑。因此，振动夹具设计过程时，应考虑以下因素[1]。

（1）振动夹具能够最大限度地模拟产品的真实安装方式，既能方便地与振动台面连接，也能方便地与试件连接。

（2）尽量做到夹具与试件的组合中心到振动台面最短距离要求，并且与振动台面同轴。

（3）材料应选用比刚度大、阻尼大的材料，如：铝镁合金。

（4）结构优选选用对称封闭形，如立方体、盒型、半球形和锥形等。夹具与振动台面连接的固定点要求圆周对称分布，同一个平面最少均布4个孔，孔的形状做成埋头带台肩的样式。平底埋头孔的深度大约为螺杆直径的1.5～2倍，未被扩孔的部分不得小于15 mm，以保证夹具连接处有足够的强度，避免螺栓的高频共振。

（5）夹具的结构设计时要设计传感器的安装位置，传感器安装位置要求有足够的刚度，并靠近夹具的固定点。

（6）在整个试验频段内，夹具的频率响应特性应尽量平坦，其一阶固有频率应高于试验最高频率。如果，不能高于试验最高频率，则要求不能低于某个频率值，并且在高于这个频率时允许共振，但要限定放大因子及3 dB带宽。

（7）振动夹具的横向振动应尽量小，要求不大于轴向振动的30%。

4.2 振动夹具测试方法

（1）用正弦扫频的试验方法对夹具的传递特性进行测试，通过扫描曲线寻找其谐振频率、传递放大因子以及3 dB带宽，判断其是否满足技术要求。

（2）进行正弦扫频测试要求。

①扫频速率不大于1oct/min。

②进行测试时，要求将控制传感器置于振动夹具与振动台面的固定点处，而监测传感器置于振动夹具与试件的固定点或分界面上，并且有较大刚度的地方。

③正弦扫描测试完后，装入配重体，选择适当的控制方法，按试件振动条件要求进行振动图谱的振动测试，以保证完全满足试件在振动试验中的试验要求。

5 结语

振动试验技术是一门专业性很强的技术学科，需要从试验参数识别、试验控制、振动分析、故障预测与诊断、试验夹具设计等各个方面入手，加强这门试验技术研究。

参考文献

[1] 胡志强，法庆衍，洪宝林，等.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社，1996.

[2] 邢天虎.力学环境试验技术[M].力学环境试验技术，西安：西北工业大学出版社，2003.

[3] 施荣明.GJB150.16A-2009《军用设备环境试验方法 振动试验》[Z].

[4] GJB573A-1998《引信环境与性能试验方法》[Z].