电 子 设 备 的 防 振 设 计

3电子设备的防振设计于书吉序随着现代工业、交通运输业、建筑业以及航空、航天、海洋工程等国防科技工业的飞速发展，促进了能源、材料、电子技术、空间技术的不断拓新，在机械化、自动化控制技术方面不断得以提高。

在科技发展的过程中，大量的电子设备得以开发应用，与此同时，随之而来的问题就是对各类电子设备安全运行和准确可靠提出了更新更高的要求。

不良的使用环境，将对精密的电子产品产生一定的影响，其中环境振动问题就已经引起工程技术人员的高度重视，可以说这是科技发展的必然。

振动无处不在，人类就生活在振动的世界里，也就是说振动是客观存在的自然现象，从物理学的角度看，凡是运动的物体就有振动现象发生。

例如汽车、火车、飞机、轮船等，甚至人体内的心脏跳动、肺部呼吸都是一种振动。

在某些情况下，由于振动在机械力学、流体力学、电子学、声学、生物工程等诸多领域中都占有很重要的位置，其中包含有用的振动被利用，有害的振动被控制。

特别是当振动危及到人的生活质量；危及人的工作环境；危及到某些电子设备、机械设备的正常使用时，如何能对这类环境振动予以有效控制，将是人们关注的重点。

绝大多数的电子设备并不产生明显振动，也不会对环境带来危害。

但是由于电子设备的使用范围非常广泛，使用的领域也非常广泛，所以必然会出现在较高的环境振动条件下安装使用一些先进的、高精度、高准确度的电子设备。

由此而来的是人们如何能有效的控制那些振动，从而确保电子设备的有效使用，就显得十分重要了。

从这个角度出发，本讲将从机电设备运转时产生的振动，以及如何有效控制，作一简要介绍，供大家参考并指正。

1．振动的基本概念简述运转着的机电设备，无论是以旋转方式运动，还是以往复的方式运动，由于运转中的机械零件或部件之间存在着力的传递，这些零件或部件在力的作用下产生撞击、摩擦形成交变应力或磁性应力而产生了振动。

一般来讲，振动都是在某种外力的作用下而产生，其本身也是一种能量。

振动能量的一部分是振动体直接向空间辐射而形成空气噪音；另一部分则是通过承载振动体的基础及其结构进行传递而形成结构振动。

一般的机电设备产生的振动可以分为两种类型：一种是稳态振动，另一种是冲击振动。

产生稳态振动或冲击振动与造成这种振动的机理有关。

例如：持续运转的机电设备产生的振动就是稳态振动，而在受到瞬间外力的冲击发生的振动则是冲击振动。

两种振动特性不同，控制方法也不同。

从工程角度，人们往往将机电设备产生的振动统称为机械振动。

机械振动的分类方法很多，按振动规律可分为：简谐振动、非简谐振动、随机振动；按振动产生的原因可分为：自由振动、受迫振动、自激振动、参变振动；按自由度多少可以分为：单自由度系统振动、多自由度系统振动；按振动体位移特征可分为：角振动、直线振动；按系统结构参数特征可分为：线性振动、非线性振动。

在实际工程应用中，我们应当注意研究和分析振动产生的原因以及它的规律和特性，才能有效地控制，其中也包括监控机电设备运行情况；诊断异常振动原因；防止和隔振方法等。

1．1振动的形成与特性振动的形成，简单地讲就是物体在作运动而产生的。

由于运动的形式不同，振动体的结构不同，造成振动的特性也就各不相同。

众所周知，机电设备都不是一个简单的物体，而是由若干个零件部件的有机组合而构成复杂的振动系统，因此一个复杂的振动系统在受到某种力的作用时，必然会产生不同的机械振动。

产生机械运动的原因可能是确定的，也可能是随机的。

而随机的因素包括振动系统本身的特性参数的随机影响，同时也包括外来的激励力影响或干扰力影响。

因此，在实际工程应用中，首先应该掌握振动特性的分析与识别，这将对我们制订控制措施提供依据。

所谓振动特性，就是描述随机振动频率分布特性和能量特性。

这俩个特性分析一般都是用频率域内谱图来描述，简称频谱图。

该图的横坐标为频率域；纵坐标为能量（能量可以通过速度、加速度、位移、振幅或相位来表示）。

我们可以将机电设备的振动通过频谱图进行分析，从中发现能量的分布。

分析时，可以抓住主要的能量成份，略去次要的能量成份，再对造成主要能量成份的影响因素逐一分析，这对控制方案是非常重要的。

从力学角度看振动系统，大致可以分为振动体（就是振动源）、激发力(外力或干扰力，这种力可以是恒定的，也可以是瞬间)。

振动体的结构越复杂，频率成份就越丰富，而激发力的大小则决定了能量的大小，从中不难看出激发力是相当重要的，在实际工程中对随机振动的分析与应用，远远超出传统的工程领域，这是由于振动控制的领域已经转向海洋工程、航天航空、无线电通讯等重要的国防科技工业。

需要提醒的是，在随机振动的谱分析时，要注意振动量的不确定性、不可预估性和不可重复性，其振动规律不能用一个确定函数来描述。

我们经常是经过多次测量（尽可能保持重要的条件是相同的或基本相同），进行统计分析，这样可以掌握随机振动的规律性。

这方面的事例很多，例如舰船海上航行、车辆的山地运行等。

对有关振动的理论知识请大家可以再看一些有关的书，在此不多讲了。

总而言之，一个振动系统，在外力激励力作用下，都将会产生动力响应，如内力、位移、速度和加速度。

其结果是使整个振动系统的任何构件都会产生动应力而形成振动传递，这种振动响应就是需要限定在一定范围的，这是电子设备所在环境的振动控制。

1．2振动的评价要求各种物体产生振动是自然规律，而振动并非都是有害的，或者说振动并非都需要我们去控制它，而是超出了某种限量或造成某种危害才需要进行有效地控制。

对振动的评价要求，同样是一件非常复杂的工作，它涉及到我们所接触到的各个领域，所以评价要求就必须由各个领域的独特要求来确定，到目前为主，尚没有国际公认的振动评价标准。

对人体工程而言，国际标准化组织ISO提出了一些建议，例如ISO2631规定了人每日振动暴露的标准限值要求。

该标准就是根据人体各器官或各系统（例如呼吸系统、心血管系统）的固有频率对低频振动响应程度给出的限值，这完全是从人体保护要求给出的一种限值要求。

所谓人体保护，也只能是指人疲倦或工作效率降低了的稳态振动，对于冲击振动就不包含在内（见图1）。

图1 每日振动暴露的标准我国还制定了“人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则”GB/T13442和“机械振动与冲击对建筑物振动影响的测量和评价基本方法与使用导则”GB/T14124。

振动是一种物理性的环境污染，我国早在一九九八年就颁布了“城市区域环境振动标准”GB10070，它规定了城市内不同区域在白天与晚上的振动限值，该项标准是以不影响人工作和睡眠为基础的一种振动限值标准。

以上两种评价标准都是以人体工程的基本要求提出的，这对我们在研究机电设备振动控制也是有参考价值的。

至于电子设备的防振评价要求或控制标准，由于使用电子设备的领域不同，其要求也不尽相同，甚至还有较大的差异。

所以电子设备的防振评价要求主要是以满足使用条件而决定的。

另外，由于绝大多数的电子设备自身并不产生明显振动，主要是防止设备所在的环境振动不影响电子设备正常工作为准则。

这样以来，针对性就很强，很多的评价要求（电子设备抗振要求、环境对电子设备的振动影响）都是内部制定或者是保密的。

在此就不过多介绍了。

1．3振动的危害随机振动的危害很大。

○1对人体健康产生直接危害人体是一个复杂的结构系统，身体的各个部分有着各自的固有频率。

例如：头颅骨的固有频率大致为300-400赫；腹腔内脏的固有频率大致为30赫左右；胸腔和腹腔以及躯干的固有频率大约在6赫左右；人在坐着的时候其固有频率约为5赫左右。

这就是人对低频振动敏感的原因。

当随机振动的频率处于这种状态下，人就会有不良反应，对人体健康造成不良影响。

○2对电子设备的危害随机振动影响电子设备、精密仪器仪表的正常工作，从而降低了准确性和可靠性，严重的随机振动甚至破坏了电子设备而造成更严重的不良后果。

○3对各种建筑结构的危害强烈的随机振动将使建筑结构或结构构件产生疲劳破坏，疲劳破坏造成结构强度产生剧烈变化（交变应力）。

据称，飞机由于强度原因导致结构破坏的事故，90%以上都是由于强烈的振动而引起的；舰船的结构由于强烈振动受到破坏也时有发生，楼房建筑的例子也是不少的，例如地震的影响或其它强振。

○4强振造成声辐射在舰船、飞机、各种车辆等金属结构的建筑物中，强烈的振动产生的结构噪声辐射，破坏了良好的室内声环境。

2.电子设备的防振要求振动系统涉及的内容不外乎是激励力作用于振动系统，而振动系统被激励力作用而产生了振动，这个过程非常简单的，而要分析这种作用到振动系统上的激励力以及由此形成的响应（振动），就应根据不同情况来加以分析。

2．1防振以及振源分析2．1．1防振的目的有两个，其一是使设备的振动力不向外传播；其二是基础的振动不影响设备。

前者是指对产生振动较大的机电设备予以自身控制；后者则是对那些要求高的电子设备或人体予以保护。

在实际工程中，若保证振动力不外传那是不可能的，只能是给予有效控制；而保护电子设备或人，则是涉及评价方法或评价限值（标准），两者不是孤立的，而是互补的，这也说明振动存在兼容性。

因此，在防振技术中，就缺不了对产生振动的源进行必要的分析。

2．1．2振源分析在前面的1.1节中我们提到了对振动应作特性分析，分析的方法是用频谱图。

振动的产生，是由振动源造成的，分析振动源的特性就离不开振动源所处的环境和振动源自身的构造。

以下我们就以船舶结构为例，来介绍如何进行振动分析。

2．1．2．1振源船舶是一种特殊的水上建筑物，船上的各种动力系统、机电设备、管道系统内流体的扰动以及船体外壳受水流场作用等构成了一个复杂的动力学系统。

因此在研究如何控制船舶振动时，主要应研究船上各类振动源特性和船舶结构振动传播特性。

船舶上的振动源主要有：主动力系统：内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机、推进电机等；辅助系统：通风机、空压机、空调机组、冷藏机组、变流机、离心泵、往复泵、活塞泵、螺杆泵、海水泵；推进装置：轴系、螺旋桨等；管道系统：通风管道、疏水管道、液压管道等；船外装置：舵、附体、流水孔、水流冲击等。

这些振动源分别安装在船上各个部位，对船舶振动都有一定影响。

2．1．2．2典型分析○1船用内燃机振动特性（见图2）图2 内燃机振动图谱内燃机运转时，其动力源主要靠不间断地供燃油，燃油在气缸内被点火燃烧产生爆炸冲击力推动活塞在气缸内不间断运动。

如此多缸不停地运动带动推力轴旋转。

由于内燃机运行中需要滑油泵、燃油泵、冷却水泵和进排气系统等辅助机电设备同时运行，使这些设备都构成内燃机的振动源。

因而在频谱图中不难看出它的谱成份是相当丰富的，除了带脉冲性质外还具有宽带特性。

○2推动电动机振动特性（见图3和图4）图3 推进电动机振动频谱图4 推力轴承处振动频谱推动电动机是依靠电力作为动力源的，转子带动推力轴运转。

由于转子的转动、电刷的摩擦、定子和转子之间电磁场不均匀以及转动部件的气动力效应都会产生振动。