随机振动试验测试方法详解

实际的场合中，许多真实的振动环境是随机的，如喷气式发动机和火箭发动机引起的振动、车辆在不平路面行驶引起的振动、飞行器附面层紊流引起的振动等等。要真实地模拟外场振动环境，随机振动试验是不可缺少的。随机振动试验远比正弦振动试验复杂。

1.随机振动试验和正弦振动试验的等效问题
当人们发现许多振动环境是随机的，而用正弦振动试验不能解决随机的工程问题时，就希望进行随机试验。正弦振动与随机振动不存在一般的等效关系。只是在振动强度中正弦振动和随机振动按疲劳损伤原理存在某种等效，及A为等效正弦振幅；r 为正态化系数；f 为频率；Q 为放大系数（响应/输入）；W为频率f上的谱密度值。

这一公式常用于正弦扫描代替随机振动，但使用条件是在共振峰附近，且局限于疲劳强度等效，而对于考核产品性能的试验不适用。许多产品随机振动试验能通过但正弦振动试验通而实际环境又是随机的。
正弦振动试验的优点如下：
①是分析共振频率和阻尼特性（共振时）的有用工具；②是研究振型的好方法；③试验结果极易被工程技术人员理解和使用；④比随机振动试验经济，易于普及。随机振动试验在大多数情况下更代表实际环境，所有频率成分激振各个频率的输入振幅是随机变化的。一般，正弦振动试验适合于试件的Zui初分析阶段，而随机振动试验适用于Zui终检验

2.随机振动试验的准备
① 试验夹具的选用和设计
进行随机振动试验和正弦振动试验一样，应将受试设备牢固刚性地固定在振动台台面上。对于各类电子组件、印制电路板、精密的仪器仪表通常情况下需要借助于夹具，将受试设备固定在夹具上，通过夹具将受试样品固定在振动试验台面上。
在随机振动试验中，如果夹具选择不好，除会使试件受到失真的振动考核外，还可能使振动控制变得困难，有些地方超差很严重，甚至使试验难以进行。随机振动试验比正弦振动对夹具设计与制作的要求更高，也更严。② 试件的安装随机振动更容易使紧固件振松。在每次试验前都应检查紧固件是否松动。在试验过程中如果发现控制不稳定，应停机检查紧固件和传感器的连接，这两种连接有问题时，都会造成控制不稳定。在拧紧安装螺栓时应该使用测力扳手。这样既可以保证拧紧，又保证紧固件不受损伤。这里推荐对 M8的螺栓拧紧力矩为3.46kg/m；对M10的螺栓拧紧力矩为7.6kg/m。如果没有条件使用测力扳手，在拧紧螺栓时要保证弹簧垫圈刚刚压平，不要用大扳手使劲拧，以防将螺纹拧坏或螺栓拧断。
③ 控制加速度计和测量加速度计的安装试验前必须按试验条件的要求安装好控制和测量的加速度计。安装方法和注意要点与正弦试验相同。为了防止静电干扰，一般在加速度计和夹具或试件之间加绝缘片和绝缘块，其中绝缘块可以在三个垂直方向上粘加速度计。可用502胶黏结，也可以用小螺钉连接绝缘块，另用小螺钉连接加速度计和绝缘块。④ 随机振动控制仪设置
随机振动试验的试验条件及控制参数均需要事先（试验前）输入控制仪，由于控制仪的种类不同，需要输入的参数也不尽相同，这里只选较为通用的参数进行说明。
选择频率范围。大部分控制仪需要选择频率范围。一般有几档供选择，只要将试验频率上限值输入，控制仪就可以自动选到级合适的频率范围。个别控制仪则不需要选，频率范围是固定的。
谱线数和自由度数的选择。数控仪的分辨率是由谱线数决定的，试验带宽除以谱线数就是分辨率。例如，试验频率上限为2000Hz，试验带宽也就是 2000Hz，如选 200线，则分辨率为 10Hz。选 400 线，则分辨率为 5Hz。常用的谱线数为200、400和800。谱线数越多，分辨率越高，但回路时间（即对输出谱进行一次修正的时间）也越长，也就是说要达到同样精度时均衡的时间也加长。在选择谱线数时，如果试验规范谱形简单，可以先选200线，只有当它不能满足要求时，例如，谱的设置由于分辨率不够无法设置，或者某频段内均衡后超差严重等，再增加谱线数。
谱的设置。将试验规范的谱形输入控制仪，一般试验功率谱密度曲线由折线组成，输入前先要了解有几个折点，每个折点处的功率谱密度值（PSD值）和折点的频率值，起始和Zui终折线的斜率（单位是3dB/倍频程）。如果规范给出的值与输入值要求不同，应该换算成要求的值，例如，规范谱一般起始和终点只给出频率和斜率，而不给出 PSD值，有些仪器输入需要这点的 PSD 值，那么就需要计算，并按规范谱将各折点数据依次输入仪器。
容差的设置。随机振动试验的容差由两部分组成，即谱形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制谱形的，后者是控制总能量的。而设置的容差又分为报警限和终止限，试验中控制谱或均方根加速度超过报警限，仪器报警但不停止试验；超过中止限就要切断输出，停止试验。容差的设置一般应按试验条件的要求设置，可以全频段只设一种，也可以分频段设置不同值。如果试验条件没给出容差要求，推荐使用谱容差如下：报警极限±3dB，中止极限±6dB。均方根容差报警极限±5dB，中止极限±3dB。
预试量级的设置。随机振动试验要在低量级下均衡，均衡完成后，逐步将量级升至试验量级。通常均衡量级要很低，这样不会对试件造成损伤。但低量级均衡到高量级做试验会出现非线性问题，均衡好的谱还要修正。在什么量级下进行均衡、分几个量级、用多长时间升到试验量级都需要设置。如果试验条件没给出特殊要求的话，推荐设五个预置量级，即-12dB、-9dB、-6dB、-3dB、0dB，上升时间以30～60s为宜。GB/T2423.56规定，在正式随机试验前，所允许的预调激励时间（即建立时间）如下：
a.小于规定量级的25%（-12dB），无时间限制。b.在规定量级的25%～50%（-12～-6dB），其时间不大于规定时间的1.5倍。c.在规定量级的50%～（-6～0dB），其时间不大于规定时间的10%。⑤ 试验系统的导通试验前，无论是控制系统还是测量系统，都需要导通。所谓导通，就是看系统连接是否有效、是否可靠，一般常用的方法是给试件及振动台一个段击，观察传感器、电荷放大器及示波器有无反应。试验前的导通工作十分重要，它是进行安全试验，提高测量可靠性的有效方法。3.随机振动的预试验
一般大型随机振动试验在试验准备工作做完后都要进行预试验。其目的是通过小 t级的振动试验了解系统工作是否正常、试件安装是否合适，并了解试验的振动特性，观察控制曲线和驱动曲线，估计正式试验是否会出现什么问题，想办法解决出现的各种问题。①用试验量级的1/4（-12dB）进行随机振动的预试验，时间为60s。记录全部测点的影响，画出控制曲线及驱动曲线，观察功放Zui大的输出电压和电流。通过试验了解各系统工作是否正常，控制曲线是否完全满足容差要求，驱动曲线的动态范围是否达到控制仪的极限，功放的Zui大输出电压和电流是否小于额定值的1/4。研究这些问题是为了估计满t级试验是否有把握，在预试验中出现的问题必须解决，如果要解决的问题较多，预试验还可以重复进行，直至满意为止。②试验件的初始检查许多试件要求在随机振动试验过程中进行测试。在正式试验前必须对试件进行初始检查及通电测试，并记录初始静态数据，还可以利用预试过程观察试件各参数在预试验中的变化。
4.正式随机振动试验
预试验顺利后就可以开始正式试验。正式试验的注意事项和中断处理与正弦试验基本相同。其中要强调的是试验由一个人统一指挥，各岗位分工明确，职责清楚，试验中出现问题及时报告指挥，由指挥处理。每次试验结束，要检查一下控制曲线及测量信号是否已记录下来。一般试验要进行三个相互垂直的x，y，z，3三个方向依次进行，但换一个方向后应从预试验开始。因为更换方向，许多部分都要重新连接，重新安装。在每一方向正式试验做完后，在同样的状态下，按预试验中第二项再做一次频率特性测量，使用的试验参数完全相同，记录下各测点的频率响应曲线。5.数据处理及编写试验报告正式试验全部结束后，保存三个方向上的振动试验曲线，填写原始记录，为编写试验报告做准备，试验现场可以整理，试件、夹具拆卸后摆放在规定的区域，各类固定用的螺栓归类收置放好以备下次试验使用。