正弦振动试验

经验表明，满足加速度幅值的容差要 求并不容易，因为控制精度与许多因素 有关。例如，控制系统的动态范围和压 缩速度、试验夹具和试验安装的合理性、 试件本身的动特性等都可能影响控制精 度。
三、正弦振动试验的方法
• 正弦扫描振动试验条件要求振动控制仪 能够保证振动台处在规定的频率上，并 以规定的扫描速度对产品施加规定幅值 的振动。一般的数字式振动控制系统都 具有这种功能。随着计算机技术的发展 和普及，数字式振动控制系统逐渐被广 泛采用。
该瞬间的振动激励频率ft 可按下式估计
•
式中Δt
—采样时间间隔；
(2) 响应幅值
• 对应激励频率ft的响应幅值估计有四种可选形式． • a．峰值响应 • 信号不进行任何滤波，只检测一个周期或几个周期内 响应离散时间序列的最大绝对值作为该频率上的响应 幅值． • b．平均值 • 计算一个或几个周期内响应离散时间序列绝对值的平 均值，用平均值乘以 π/2作为该激励频率上部分滤去高 次谐波分量和随机噪声干扰影响后的响应幅值． • c．均方根值 • 计算一个或几个周期内响应离散时间序列的均方根值， 用均方根值乘以 作为该激励频率的响应幅值．
• c. 最大位移估算 • 试验规范中给定的最大位移幅度或根据最大 加速度所计算出来的最大位移应小于振动台 的最大额定位移，其近似值如下式：
D=250a/f2<Dmax
式中
• •
D—计算出的最大位移，mm； f—与加速度对应的频率，Hz;
•
Dmax —电动振动台给定的最大位移，mm;
• 在频率较低时，虽然其加速度不大，但
扫频正弦振动试验
• 扫频试验中频率将按一定的规律发生变化，而振 动量级是频率的函数。分为线性扫描和对数扫描。 • 线性扫描频率变化是线性的，即单位时间扫过多 少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细 找共振频率的试验。 • 对数扫描频率变化按对数变化，扫描率可以是 oct/min ,oct/s，oct是倍频程。对数扫描的意思是 相同时间扫过的频率倍频程数是相同的。对数扫 描时低频扫得慢而高频扫得快。
一、常用参数的换算
• （1）运动参数的换算 • 正弦振动试验中常用的运动参数是位移、 速度、加速度。一个正弦振动信号的位 移、速度、加速度可分别由下列公式表 示：
位移幅值，速度幅值，加速度幅值之间的 关系可以表示为：
（2）扫描速度和扫描持续时间的换算：
• 对线性扫描，其扫描速度可以用试验规 范中给出的上下限频率之差，除以扫描 持续时间来计算。 • 对对数扫描有下式：
（3）振动控制点的位置和控制加速度计的安装
• a．振动控制点的位置 • 振动控制点的位置应能使试件在振动试验中的 振级输入较真实地模拟实际振动环境．控制点 选择一般应遵循两个原则： • 1）控制点的位置应选在试件与振动夹具连接 面上的连接螺孔附近．没有夹具的则选在试件 与振动台面的连接螺栓附近． • 2）振动控制点应远离干扰源．如天线、电机、 及易出现撞击和噪声的部位．
正弦振动试验
Rain Lຫໍສະໝຸດ Baiduu lsfhfut@126.com
正弦振动试验的分类：
• 正弦振动试验有定频和扫描两种试验类 型。 • 扫描试验又有线性和对数两种扫描方式。 • 卫星及其组件的正弦振动试验，根据环 境要求，一般仅做对数扫描振动试验。
定频正弦振动试验
• 正弦振动频率始终不变的试验叫定频正 弦振动试验。一般是模拟转速固定的旋 转机械引起的振动，或结构固有频率处 的振动。定频试验中有一部分是振动强 度试验，考核疲劳强度。
其位移可能较大，因此要特别注意低频 时的位移检验。
• d. 最大速度估算 • 根据试验条件，计算出的最大速度应小 于振动台的最大额定速度。
（2）试件的安装与固定
• 试件与夹具或试件与振动台台面的连接应能 模拟试件的实际安装情况，严格禁止严重影 响试验效果的安装方式。 • 试件与夹具或试件与振动台台面的连接要牢 靠，其接触面不宜过大。最好将连接孔处加 工成凸台形式，或用垫圈垫起，以确保接触 良好，减少振动波形失真。 • 夹具与振动台台面的连接螺栓要有足够的强 度和刚度，以保证振动试验时有平坦的传递 特性，因此连接螺栓的固有频率fr应不低于试 验的上限频率fmax, 即
（2）试验容差
• 严格地说，试验容差也是试验条件的组 成部分，因为制定试验条件时就已经考 虑了试验误差的因素。试验时能否满足 容差要求决定了试验的有效性。根据中 国军标GJB1027的规定，卫星及其组件的 正弦振动试验容差为： • A.频率 +- 0.5Hz (<25Hz) • +- 2% (>=25Hz) • B.加速度幅值 +- 10% (<200Hz) • +- 15% (>=200Hz)
四、正弦振动试验响应数据处理
• 卫星及其组件在振动试验中经常涉及到两种 数据类型，一是正弦数据，一是随机数据． • 正弦扫描振动响应数据虽然是确定性的周期 数据，但它又是非稳态的，随着频率的线性 或对数变化，幅值也在不断地改变．另外， 在振动试验中，由于卫星及其组件是一个多 自由度的复杂系统，常常因为彼此间相互作 用而使响应信号成为具有波形失真的准周期 信号
• 数字正弦振动控制系统如下图，其中心是一台计 算机，正弦位码产生后，一切均由计算机进行控 制。其中低通滤波器是用于平滑输出信号和滤除 输入的高次谐波。这种数字正弦振动控制系统， 由于采用了计算机和正弦位码产生器，其频率精 度、幅值控制精度、频率分辨率、扫频控制精度 等诸参数，均优于模拟控制系统。但在高频段的 实时控制方面与模拟控制系统相比还有不足之处。
• 模拟式正弦振动控制仪一般由扫描信号 器（振荡器）、压缩器、可变增益放大 器和振动计四部分组成。
• 下图为正弦振动控制原理图。由振荡器 产生的一个功率变化、振幅恒定的正弦 电压信号，经过可变增益放大器输给功 率放大器，功率放大器把信号放大驱动 振动台。安装在台面上的加速度计将机 械量转换成电压信号，经过电荷放大器 适调放大反馈给正弦振动控制仪的振动 计和压缩器。压缩器将台面的实际振动 量级和要求的振动量级加以比较，并给 可变增益放大器提供一个电压，将实际 振动调整到要求的振动量级，以保证振 动台按要求的试验条件振动。
扫描时间或扫描率计算
• 扫描时间=扫描带宽/扫描率 • 如从5Hz扫到105Hz，扫描带宽为105Hz5Hz=100Hz，扫描率为0.5Hz/s，则扫描 总时间为T=100/0.5=200s
二、正弦扫描试验的试验条件和容差
1)试验条件 • 正弦振动试验条件包括试验频率范围、 试验量级、扫描速度或扫描持续时间及 试验方向。试验量级常以表格形式或幅 频曲线形式给出。下图为以幅频曲线形 式给出的卫星组件典型的正弦扫描振动 试验条件：
• 正弦扫描振动试验典型的输入输出波形， 对该类数据一般要求给出它的幅频特性
1、正弦扫描振动数据处理
• 对于正弦扫描振动响应数据，一般要求 给出它的幅频特性，因此信号的频率辨 识及其相应的幅频分析就成为处理该类 数据的主要内容．
(1) 频率跟踪辨识
• 正弦扫描振动数据是非稳态信号，频率随 时间按线性或对数规律变化，振动激励的 频率应跟踪辨识．频率辨识可以用锁相电 路或跟踪滤波器硬件实现，也可以用数字 跟踪滤波或快速傅氏变换软件实现．这里 介绍数字跟踪滤波的频率辨识算法．在扫 描某一瞬时，振动数据的离散时间序列可 模型化为AR(2)模型．通过离散时间序列与 AR(2)模型的最小二乘拟合，可获得模型系 数a1和a2的估计．
（1）振动台的选择
• 选用振动台应满足试验条件规定的频率 范围、最大加速度和最大位移等基本要 求。 a. 频率范围 振动台的使用频率范围应满足试验条件 规定的上下限频率要求。
b. 推力估算 根据试验产品、试验夹具、振动台动框、 台面（或水平滑台台面）总质量和试验 最大加速度所估算出来的需用推力，应 小于振动台额定推力： FT=ma<F0 式中FT--试验需用推力,N; • m-- 试件、夹具、台面、动框组成的运 动系统总有效质量，Ｋg; • a– 试验规范给定的最大加速度，m/s2; • F0 –振动台的额定推力，N;
• 一般振动控制仪上的压缩速度vp有两种 方式，一种是与频率无关的常压缩速度， 另一种是随频频变化的压缩速度．选择 时根据试件固有频率fr的高低，放大因子 Q值的大小，以及扫描速度vb等因素确 定． • 放大因子Q值高，扫描速度小，固有频率 低者选择慢的压缩速度．
• 上面的压缩速度选择依据仅仅是原则性 的，一般情况是凭借经验．对于重要试 件，可以在低振级下反复调试压缩速度， 以得到满意结果为止．对一般试件，通 常选取中等压缩速度即可．
1 fr 2
K f max m
将连续螺栓刚度K=AE/L，连接螺栓截面积A，代入上式，则有
m n (2f max ) 4l E
2
d
2
式中n—— 螺栓个数； d ——螺栓直径，m； l ——螺栓有效长度，m； fmax ——试验上限频率，Hz； m ——夹具与试件的总质量，kg； E ——材料弹性模量，Pa 可计算螺栓的直径、个数及材料．
（4）振动控制仪压缩速度的选择
• 在正弦扫描振动试验中，在频率缓慢变化下， 输给振动台一个合适的驱动信号，以保证控制 振动量级不变．但是由于试件、夹具及振动台 等的共振及反共振，如要保持试件的输入振动 量级不变，则振动控制仪的输出电压需相应改 变.
• 例如当试件共振时，台面振动量级增加， 将引起控制点加速度计输出电压的增加， 此时振动控制仪输出电压乃至振动台输 入功率会自动地减小，直至恢复到变化 前的同样振动量级为止．当控制加速度 计感觉到振动量级增加或减小时，振动 台的输入功率不是自动地减小或增加， 而是用一定的时间恢复原来的振动量级， 这就是所谓调节速度的时间常数，也就 是压缩速度．因此压缩速度选择的好坏 直接影响到控制精度．
• b．控制加速度计的安装 • 安装控制加速度计时，应使加速度计与地绝缘， 以减少接地回路引起的噪声电平．否则由于噪 声电平过大，影响控制质量，降低了控制精 度．通常选用薄的胶木片和小的胶木块作为绝 缘材料． • 控制加速度计的安装优先采用螺接方式．因螺 接方式最牢靠，即使在很高的量级下振动，加 速度计也不致脱落．其次采用胶接方式，通过 胶水与绝缘薄片把加速计直接粘在控制点部 位．这种方法简单、方便、灵活，但在高振动 量级时，加速度计可能会发生脱落现象．