电动振动台低频振动试验的特点和实现

电动振动台电动振动台低频低频低频振动振动振动试验试验试验的特点和实现的特点和实现北京航天希尔测试技术有限公司 张 涌在振动试验中，把振动试验频率低于20Hz 的振动试验称之为低频振动试验。

在现实生活中货物在运输过程中所受到的振动，车辆在运动过程中所产生的振动，地震时发生的振动以及舰船由于海浪拍打而产生的振动等等都会产生频率比较低的振动。

它们的频率范围大致在0。

1Hz ～200Hz 。

它们的共同特点是频率低，振动加速度小，位移比较大。

在实验室里再现现场环境中的低频振动以往都采用液压振动试验系统。

随着电动振动试验系统技术上的进步，现在一些小质量的试件（例如试件质量为几公斤到几吨）经常采用电动振动试验系统来进行试验。

这是因为电动振动试验系统属于线性系统，容易实现各种控制。

而液压振动试验系统属于非线性系统，并且体积比较大。

所以，目前只在试件比较大（例如试件的质量有几吨或几十吨）时才采用。

目前，电动振动试验系统的工作频率范围大都在5Hz ～3000Hz 。

进一步降低工作频率的下限将受到悬挂系统的自振频率，振动台最大位移，振动试验系统本底噪声，功率放大器与振动台的匹配，功率放大器输出频率响应的下限频率以及控制仪低频控制能力等诸多因素的限制。

下面我们逐一进行讨论。

1．悬挂系统自振频率 由于试件是被安装在振动台的工作台面上，振动台的工作台 面实际上就是振动台动圈的顶端面，而动圈是通过悬挂系统与振动台的磁缸体等零件连接成一体。

悬挂系统是由上导轮，下导轮和支撑系统组成。

因此，悬挂系统的自振频率主要是由支撑系统的自振频率决定。

也就是说，支撑系统的自振频率将直接影响振动系统工作频率的下限。

振动系统工作频率的上限主要由动圈本身的一阶共振频率决定。

要想降低电动振动台工作频率的下限，必须要求悬挂系统的自振频率低，即悬挂系统的支撑系统的自振频率要低，这就希望支撑系统要软一些。

而试件是被直接安装在动圈顶端的工作台面上，动圈是由支撑系统支撑的，为了要振动台有一定的承载能力，这就希望支撑系统要硬一些，这是相互矛盾的。

以前，为了保证振动台有一定的承载能力，能做试验，支撑系统的自振频率不能太低。

现在，支撑系统使用空气弹簧后，很好地解决了这个问题。

空气弹簧具有自振频率低，轴向刚度大，径向刚度小。

而且低频时对失真度的影响也小，低频波形好的优点。

所以电动振动台的支撑系统采用空气弹簧后，大大降低了电动振动台工作频率的下限。

目前，电动振动台工作频率的下限，一般可以达到2Hz 。

如果进一步降低系统噪声，电动振动台工作频率的下限可以达到1Hz 。

而有一种低频电动振动台，采取了低频波形补偿方法后，其工作频率的下限甚至可以达到0。

1Hz 。

2． 最大位移限制。

在环境适应性振动试验中，低频时的加速度一般都比较小，通常不超过5g。

由于在物理中加速度a是速度V的变化率，即a = dV/dt。

而试件在频率比较低的振动状态中，速度的变化是比较慢的，其加速度自然就不会很大。

但是加速度与位移的关系由下式决定：a = （2πf）2·D式中：a —加速度D —位移f —频率也就是说，在频率低时候，为了达到同样的加速度，位移将变得很大。

例如，在工作频率为5Hz时，我们要求加速度达到1g，根据上式，此时的位移D计算如下：D = a /（2πf）2 = （1×9。

8×1000）/（2×3。

14×5）2 = 9。

94（mm）如果，现在要求工作频率为2Hz时，我们同样要求加速度达到1g，根据上式，此时的位移D计算如下：D = a /（2πf）2 = （1×9。

8×1000）/（2×3。

14×2）2 = 62。

1（mm）显然，位移是大大的增加了。

对于电动振动台来讲，由于结构上的原因，其最大运动位移是有限制的。

所以，当确定了振动试验的频率下限后，同时确定试验要求的加速度比较大时，应该按上述公式核算一下，此时振动试验的位移幅值有没有超过该振动台的最大位移限制值，否则将会损坏振动设备。

换句话说，电动振动台实际的工作频率下限，受到振动台最大位移幅值的限制。

目前，电动振动台的额定位移有25mmp-p、51mmp-p、100mmp-p三种。

第一种是使用最早，也是最普通的一种。

从20世纪70年代开始，为了适应随机振动和瞬态振动的需要，开发了额定位移为51mmp-p的电动振动台，也改善了电动式振动台的低频工作性能。

同时它又保持了25mmp-p电动振动台的额定频率范围的上限频率（3000Hz）。

所以受到了用户的广泛欢迎，这是目前电动振动台的主导产品。

随着环境适应性振动试验的发展需要，从20世纪90年代起又开发了额定位移可达100mmp-p的电动振动台，进一步适应环境适应性振动试验在低频试验中对振动台额定位移的要求。

也就是说低频时加速度可以大一些。

或者说在同样加速度要求下，试验的频率可以低一些。

如果在低频试验中要进一步提高振动的加速度幅值，那只能采取电液式振动台了。

但此时作动器的运动速度限制了液压台低频时的加速度值。

3．信噪比的限制电动振动台在空载是的信噪比，按国标GB/T 13310-91《电动振动台技术条件》的规定“振动台台面加速度信噪比应大于60dB”。

电动振动台空载时额定加速度值是由振动台的最大正弦激振力所决定。

电动振动台空载时最小加速度值是由 励磁线圈所产生的电噪声反应在振动台面上的加速度值和风机冷却振动台的风通过风道时的风噪声反应在振动台面上的加速度值所组成。

例如：对于本系统来讲，其空载时最大加速度为100g，此时，从台面上检测到的振动信号为10V（峰值）。

如果，信噪比要达到60dB以上，则在功率放大器没有输出信号给振动台时，振动台工作台面上的最小加速度应小于0。

1g。

此时，从台面上检测到的振动信号应小于10mV（峰值）。

由于本系统的最低工作频率为1Hz，对于12。

5mm的位移，通过上面公式的计算，可以得到此时的加速度为0。

05g，从台面上检测到的振动信号为5mV（峰值）。

也就是说，如果，系统的本底噪声的峰值大于5mV，那么振动信号将淹没在噪声中而无法控制。

由上述结果表明，电动振动台的本底噪声决定了其最低频率所能实现的最小加速度振动幅值。

若想进一步降低电动振动台低频工作下限频率，则必须设法降低电动振动台的本底噪声。

电动振动台的本底噪声一般是5mV～10mV之间。

随着电动振动台推力的增加，振动台的本底噪声呈上升的趋势。

本系统采用专门设计的低噪声风机，通过合理设计功率放大器的地回路来降低功率放大器的输出噪声，这些综合措施使系统的本底噪声降到3mV以下，从而本系统可以稳定地在1Hz工作。

每一台电动振动台的信噪比是有差别的，这主要与振动台的制造和装配质量有关。

同一型号的电动振动台的信噪比差别不是很大。

不同型号的电动振动台与最大正弦激振力的大小有关。

一般来讲，最大正弦激振力小的电动振动台，其信噪比大一些；最大正弦激振力大的电动振动台，其信噪比要小一些。

实际上振动台在加上负载后，由于各种噪声对振动台面产生的力是一个常数；根据F = M·a，加上负载后，总质量也就增大了，所以最小加速度值a0就会更小一些，一般能减小30%左右。

也就是说，加上负载后，振动台的实际工作最小加速度还能小一些。

有时在扫频振动试验时会发现低频时振动台不工作，即通常说的没有起振。

这就是此时试验加速度幅值小于该振动台的低频加速度幅值，信号给噪声淹没了，无法形成闭环控制。

此时，只有提高试验的最小加速度值，或者提高试验工作频率的下限频率，试验才能进行。

4．功率放大器与振动台的匹配。

电动振动台的台体必须由功率放大器输出一个激励信号给它才能够工作。

早期的功率放大器是采用电子管功率放大器。

由于电子管功率放大器的输出阻抗比较高，而电动台动圈的阻抗比较低，因此，为了达到阻抗匹配，电子管功率放大器必须通过输出变压器才能与振动台的动圈相连。

但是，输出变压器传输信号的频率与它的体积有关。

也就是说，输出变压器输出信号的频率越低，要求输出变压器的体积就越大。

这就限制了电动振动台工作频率的下限。

随着晶体管OTL电路在电动振动台功率放大器输出回路上的应用，由于OTL电路的输出阻抗很低，这样，功率放大器的输出就可以直接与电动振动台的动圈相连。

这就大大地改善了电动振动台的低频特性，使电动振动台工作频率的下限能够很容易地下降到5Hz。

如果再采用一些其他措施，电动振动台工作频率的下限还能降低。

本系统所采用的开关型功率放大器通过将开关频率提高到112kHz，较好地解决了波形失真问题，使功率放大器的频率响应曲线几乎可以从0。

01Hz开始。

这无疑对电动振动台的低频特性非常有利。

就最大位移的限制5．控制仪的限制 无论是正弦定频振动还是正弦扫频振动（其他正弦振动试验方法是这两种基本类型的扩展），在振动试验中均应该实行闭环控制，才能使试件的受控试验在可控状态中进行。

而实现这一功能的关键部件就是正弦振动控制仪。

由于早期的正弦振动控制仪均是采用模拟式正弦振动控制仪，其核心的信号源是采用RC振荡电路，而RC振荡电路由于受到元器件的限制，振荡频率不可能做到很低，所以其闭环时的工作频率也就只能做到5～5000Hz。

如果想进一步降低低频控制频率，将增加控制仪本身输出信号的失真度，这也就限制了振动台的工作频率的下限频率。

这种控制仪目前还是在不少单位使用。

若想扩展低频工作频率，则必须要用数字式正弦振动控制仪。

目前生产和使用中的数字式正弦振动控制仪其正弦试验时的工作频率范围为1～5000Hz。

例如：本系统所用的DSC-1数字式正弦振动控制仪。

还有美国DACTRON公司的COMET，日本IMV公司的SC1120。

而有的数字式振动控制仪在进行正弦振动试验时的工作频率范围可达0.1～12000Hz(如美国DACTRON公司的LASER).而日本IMV公司生产的F2数字式振动控制仪在正弦振动试验时,更可达到0.1～20000Hz。

正弦振动在进行低频试验时，要注意与之相配套的加速度传感器和电荷放大器的低频特性，也应满足要求。

即它们的工作频率下限应该低于振动试验的工作频率下限。

按照测量精度的要求，加速度传感器和电荷放大器的工作频率下限是振动试验工作频率下限的五分之一。

需要注意的是，当电动振动台在低于5Hz的频率工作时，由于受到本底噪声的影响，振动波形的加速度谐波失真度将随着频率的下降而越来越大。

电动振动台在振动频率为1Hz 工作时的加速度谐波失真度可以达到80%以上。

因此，电动振动台可以在频率低于5Hz时工作，但此时电动振动台波形的加速度谐波失真度无法满足相应计量检定标准的要求，即加速度谐波失真度≤25%。

如果振动试验的规范要求低频工作时的加速度谐波失真度一定要满足计量检定标准，那么只能使用专门设计的低频电动振动台来进行振动试验。