一.  試驗目的與意義

振動試驗的目的在于確定所設計、制造的機器、構件在運輸和使用過程中承受外來振動或者自身產生的振動而不至破壞，并發揮其性能、達到預定壽命的可靠性。隨著對產品，尤其是航空航天產品可靠性要求的提高，作為可靠性試驗關鍵設備的振動試驗系統的發展顯得越來越重要。

二.  振動破壞機理分析

關于振動破壞機理的假設所謂試驗結果的等效性，必須基于特定的試驗理論來加以評定。對振動環境試驗來說， 在考慮試驗目的和試驗方法時所遇到的主要問題都與特定的振動破壞機理有關。由于對這一問題尚未進行系統的實踐與理論研究， 目前只能進行初步的綜合推理，以作出若干關于振動破壞類型和機理的假設，為簡明起見，列表說明如下：

表1  關于振動破壞機理的假設

振動試驗種類和時間的決定根據表中的有關振動破壞類型便可以決定相應的振動試驗種類，而基于有關破壞機理也就能夠確定其試驗時間。

1.  按照一般材料疲勞曲線的特性，曲線大多在“一次之間存在某種轉折，隨后曲線大體上就水平地延伸。因此從工實用出發，通常是取轉折點處的應力為持久極限應力，取了次作為檢驗試件是否具有永久疲勞壽命的應力循環次數對于主要目的是檢驗試件振動疲勞特性的振動強度試驗來說，如果要求試件能在工作環境中長時間工作，則一般也是取次作為振動試驗次數。對于一次使用或短時間工作的試件，可按其壽命時間試驗之。

2.  對于振動性能失靈破壞，一般認為，振動所引起的損壞作用具有不累積的性質。即相對于一定的振動條件而言，振動開始不久性能是否失靈即可表現出來，一旦振動停止，其性能一般又可恢復正常。所以振動性能試的時間大致可取試件在實際工作中每次連續經受振動的最長時間例如，最大續航時間。但是，一方面由于振動性能破壞機理尚不成熟，另外也鑒于有關標準大多取最嚴重振動量值為試驗量值，西這種最嚴重量值又并非在相連續工作時間內始終能經常出現的，所以上述取法也不盡合理。總之，對于性能試驗時間，目前尚未有一致的規律性認識，大致是由實踐經驗決定，各國標準中的有關規定也不統一。

3.  對于工藝可靠性破壞，大致可分兩類一類是常見的所謂工藝處理錯誤，例如假焊、脫膠、螺釘松動或過緊、連接件脫開、部件互相撞擊等等。對此，通常認為可以在較大振動量值下經短時間試驗來加以發現，第二類是在振動過程中設備內存在機械磨損或是在振動時同時存在化學腐蝕、氣候腐蝕或是產生蠕變、內耗之類的變化，使振動強度不斷降低。為了檢驗這類試件的耐振動特性，必要時應當按整個工作或壽命時間進行試驗。

當然，對于上列幾類試驗可以規定不同的試驗程序和參數以供分別選擇實施，也可以結合起來，通過規定一種試驗來體現，甚至根據情況，某些試驗也可以不作等等。

三.  振動試驗臺的選擇

在振動試驗室內使用的激勵設備就是振動臺。用于振動試驗的振動臺系統從其功能來分，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗和沖擊試驗的振動臺系統。從振動臺的激振方向，即工作臺面的運動軌跡來分，可分為單向（單自由度）和多向（多自由度）振動臺系統。從振動臺激振方式上可分為三類：機械式、電液式和電動式。

試驗中究竟使用哪種振動臺，首先要看試驗頻率范圍。電液臺適用于中低頻范圍，電動臺適用于中高頻范圍，機械臺頻率范圍最窄。此外還要從推力大小、波形優劣、控制的方便性等方面綜合考慮。實際使用中以電動式振動臺應用范圍最廣，約占60%以上，特別是在寬帶隨機振動試驗領域。但隨著使用目的與要求的不同，在選擇振動臺時還需注意以下幾點:

1.  由于電動振動臺波形失真度最小，在很寬的范圍內可達到1%～3%，甚至更低，且信噪比高，因此作為計量標準用的振動試驗臺，通常選用電動振動臺，而且一般選用永磁式振動臺。

2.  電液臺具有大推力、超低頻、長沖程、重負載等四大優點，因此適合推力超過200kN，頻率用到超低頻（1Hz以下）的振動試驗。

3.  機械臺只能用于幾赫茲到100Hz，其直接驅動時頻率范圍更窄。機械式振動臺比較容易轉垂直、水平振動或傾斜振動等振動方向，而且機械臺結構牢固、價格低廉，但它一般只能用于正弦試驗。振動控制設備是振動試驗室內用來控制振動臺的裝置，按其功能一般分為正弦控制儀、隨機控制儀和多功能控制儀三類。正弦振動控制儀的選取一般應根據試驗的要求考慮頻率范圍、交越點數目、掃描速率范圍及掃描方式。

選擇隨機振動控制儀（或系統）時，首先要根據使用要求，即要進行何種類型的試驗，一般只要能滿足試驗要求的控制儀就可以。在數字式控制儀剛剛出現時，多半都是多用途的控制儀，目前單一功能和多用途的振動控制儀并存。多用途控制儀用于大型振動試驗室和研究所試驗室，而單一功能的控制儀適用于工廠振動試驗室，直接為生產服務。

四.  振動試驗臺的工作原理

下面介紹機械式振動臺和電磁式振動臺的工作原理，其他試驗臺的可參考文獻《振動測試技術》。

1.  機械式振動臺

機械式振動臺有連桿偏心式和慣性離心式兩種。它們的工作原理如圖1所示。

慣性離心式振動臺是基于旋轉體偏心質量的慣性力而引起振動平臺的振動來工作的。連桿偏心式振動臺是基于偏心輪轉動時，通過連桿機構而使工作臺作交變正弦運動來工作的。振幅大小可用改變偏心距的大小來調節，頻率可用改變電動機轉速來調節。由于機械摩擦和軸承損耗的影響，這種振動臺頻率一般不能超過50Hz。連桿偏心式振動臺的主要優點是能夠得到很低的頻率，且振幅與頻率的變化無關；主要缺點是不能進高頻激振，小振幅時失真度較大。一般來說，連桿偏心式振動臺的有效頻率范圍為0.5Hz～20Hz；慣性離心式振動臺的有效頻率范圍為10Hz～70Hz，且振幅在大于0.1mm以上時效果較好。機械式振動臺的優點是結構簡單，容易產生比較大的振幅和激振力；缺點是頻率范圍小，振幅調節比較困難，機械摩擦易影響波形，使波形失真度較大。

2.  電磁式振動臺

電磁式振動臺的工作原理與電磁式激振器相同，只是振動臺有一個安裝被激振物體的工作平臺，其可動部分的質量較大。控制部分由信號發生器和功率放大器等組成。控制箱與振動臺之間由電纜連接。電磁振動臺的種類很多，目前，除了正弦波振動臺以外，還有隨機振動臺等。電磁式振動臺的頻率范圍很寬，可從近于零赫茲到幾千赫茲，最高可達幾十千赫茲。電磁式振動臺的優點是，噪音比機械式振動臺小，頻率范圍寬，振動穩定，波形失真度小，振幅和頻率的調節都比較方便。缺點是有漏磁場的影響，有些振動臺低頻特性較差。

電磁式振動臺的結構原理與電磁式激振器極為相似，如圖3示。它的驅動線圈繞在線圈骨架上，通過連桿與臺面剛性連接，并由上下支撐彈簧懸桂在振動臺的外殼上。振動臺的固定部分是由高導磁材料制成的，上面繞有勵磁線圈，當勵磁線圈通以直流電流時，磁缸的氣隙間就形成強大的恒定磁場，而驅動線圈就懸掛在恒定磁場中。

當驅動線圈通過交流電流i= Imsinωt時，由于磁場的作用，在驅動線圈上就產生電磁感應力F，從而使驅動線圈帶動工作臺面上下運動。電磁感應力F的大小

F= BL I_msinωt

式中：

B為空氣氣隙中的磁感應強度；

L為驅動線圈導線的有效長度；

I_m為驅動線圈中的電流幅值；

ω驅動交流電流的圓頻率。

因此，改變驅動交流電流的大小和頻率，就能改變工作臺面的振動幅值的大小及振動的頻率。

控制系統分為三路，一路是勵磁部分，它主要給勵磁線圈提供勵磁電流而產生

恒定的磁場；另一路是激勵部分，它主要由信號發生器和功率放大器等組成，其輸出信號接到振動臺的驅動線圈上，以使其產生頻率和幅值均為可調的振動信號；第三路是測量部分，其傳感器裝在臺體內，測量放大器的輸出可接各種顯示和記錄設備。該部分用來測量臺面的位移、速度和加速度值。整個控制系統組裝在控制柜中。目前一些先進的振動臺還裝有微處理器。

五.  振動試驗夾具

電工電子產品品種繁多，形狀大小不一，所以通常都會設計配套夾具進行測試。夾具是為把試驗件牢固地固定在振動臺工作臺面上，并把振動臺的振動傳給試驗件，它的質量直接關系著試驗的質量。但目前對試驗夾具的重要性普遍重視不夠，尤其是在國內，一些試驗人員僅憑感覺來設計夾具，設計時缺乏必要的計算分析，也沒有必要的檢驗測試。這樣的夾具傳遞的振動往往存在著很大的失真，夾具上各點的振動量值相差很大，也就是均勻度很差。在測試頻段內存在多階共振，振動控制非常困難。有些夾具材料選用不當，質量過大，消耗能量多。

夾具設計的原則是在滿足試件安裝的前提下，夾具盡可能有低的質量，高的剛度，在試驗頻段內盡可能不出現和少出現共振。夾具的材料多采用鎂和鋁，因為這兩種金屬比鋼的質量小，阻尼特性比鋼好，加工成本低。小型夾具通常用整塊材料加工而成，大的夾具有用焊接和鑄造的方法制作。設計時應首先明確試驗條件，如正弦和隨機振動能級和允差，正弦掃描的頻率范圍，隨機振動功率譜密度曲線，安裝條件，允許的加速度不均勻度及橫向振動等。然后計算夾具的共振頻率及質量，使之滿足試驗要求。對于小試件，夾具的共振頻率不允許低于1000Hz，同時應達到試件最低頻率的3～4倍。夾具加工完成后應進行必要的檢驗，對于重要和常用的夾具，如轉接板、擴展臺等，要進行全面的性能測試，以保證試驗的正確性。

六.  振動信號

對于振動信號的分析包括快速富里葉變換（FFT），頻譜分析，凝聚分析，相關分析等。而對于應力信號主要是分析應力循環，為室內模擬試驗提供載荷譜編制一般使用的方法是雨流法，用雨流法提取信號中的應力循環次數和幅值，再根據概率統計分析出應力循環幅值的概率分布曲線，由此就可以得到各種分級的載荷譜。而記錄儀和分析儀可以直接使用專門的記錄分析設備，也可以采用計算機系統。專用頻譜分析儀以美國HP公司的產品為代表。專用分析儀具有速度快，操作簡單等優點。除了可以做頻譜分析外，許多設備還可以做模態分析，是振動系統動力分析的強有力助手。隨著計算機技術的發展，采用計算機來做頻譜分析的越來越多，現在有許多計算機軟件都帶有FFT程序，特別是Matlab軟件具有許多的頻譜分析函數。由于計算機的運算速度不斷加快，磁盤的存儲容量不斷加大，現在越來越多的試驗室里都是直接利用計算機來記錄信號、實時分析，以及發生信號，控制試驗。

七.  總結

隨著產品使用環境的日益復雜化，振動試驗作為環境可靠性試驗的一個重要項目，正向著更可靠、高效率、低成本的方向發展。