一、振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的選擇和使用

在振動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)使用的激振設(shè)備就是振動(dòng)臺(tái)。試驗(yàn)中究競使用哪種振動(dòng)臺(tái)，首先要看試驗(yàn)頻率范圍。電液臺(tái)適用于中低頻范圍，電動(dòng)臺(tái)適用于中高頻范圍，機(jī)械臺(tái)頻率范圍最窄。此外還要從推力大小、波形優(yōu)劣、控制的方便性等綜合考慮。為了比較方便，下面分別對(duì)各類振動(dòng)臺(tái)的性能和優(yōu)缺點(diǎn)做一比較，見表1。

表1 三種振動(dòng)臺(tái)的主要性能比較

1．激振設(shè)備

（1）機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)。它是使用最早、價(jià)格*的振動(dòng)臺(tái)。機(jī)械振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍較窄，一般上限工作頻率100 Hz左右。通常只能進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)。運(yùn)輸模擬臺(tái)、用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛下面的滾輪、使車輛模擬道路行駛的振動(dòng)都近似一種偽隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)適用范圍不寬，精度不高，但經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前還在許多試驗(yàn)室中使用。

（2）電液振動(dòng)臺(tái)。它的特點(diǎn)是中低頻性能好，可以從0～250 Hz，近年來有的可達(dá)1000 Hz；推力大，直接承載能力強(qiáng)，波形較好，可控制性能好，可進(jìn)行正弦、隨機(jī)、混合模式的振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)低頻大位移振動(dòng)試驗(yàn)尤為合適。反映電液振動(dòng)臺(tái)性能的主要技術(shù)指標(biāo)有：①正弦峰值推力：取決于油壓和油缸的面積；②隨機(jī)均方根推力：取決于油壓和油缸的面積：③最大速度：取決于伺服閥的流量；④最大位移：取決于作動(dòng)筒的行程。

電液振動(dòng)臺(tái)配套的能源裝置叫油源，電液臺(tái)的性能與油源密切相關(guān)。其核心部件是電液伺服閥，流量-頻響特性直接決定著振動(dòng)臺(tái)上限工作頻率。

（3）電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。它是使用*泛的振動(dòng)臺(tái)，電動(dòng)臺(tái)頻率范圍從5～3000 Hz（有的小型電動(dòng)臺(tái)上限頻率可達(dá)8000 Hz），頻率范圍寬是其z突出的優(yōu)點(diǎn)。推力大小可以從10N到200 kN，可控制性能好，可進(jìn)行正弦、隨機(jī)、混合型以及沖擊試驗(yàn)。電動(dòng)臺(tái)的波形是所有振動(dòng)臺(tái)中z-hao的。反映電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)性能的主要技術(shù)指標(biāo)有：①正弦峰值推力；②隨機(jī)均方根推力；③空載最大加速度；④空載最大速度；⑤最大位移；⑥工作頻率范圍；⑦最大無補(bǔ)償承載能力。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)與功率放大器配套使用，功率放大器本身也有一些技術(shù)指標(biāo)，這里不再贅述。一般電動(dòng)臺(tái)生產(chǎn)廠的振動(dòng)臺(tái)和功率放大器均已系列化，不同的臺(tái)體和不同功放組合成推力不同的系列產(chǎn)品?？筛鶕?jù)試驗(yàn)的要求選擇所需要的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。

（4）振動(dòng)輔助設(shè)備----滑臺(tái)。許多振動(dòng)試驗(yàn)都要進(jìn)行三個(gè)相互垂直方向的振動(dòng)試驗(yàn)。小型試件一般用夾具來改變?cè)嚰囼?yàn)方向。但大型試件就不能用這種方法，因?yàn)橛脢A具翻轉(zhuǎn)試件會(huì)造成偏心力矩太大；還有些試件如陀螺儀等試驗(yàn)中要求與地球的相對(duì)位置不能改變。為解決這兩方面問題，油膜滑臺(tái)是一種很好的輔助設(shè)備，它可以完成任何試件三個(gè)方向的振動(dòng)。

油膜滑臺(tái)多年來一直在許多試驗(yàn)室使用，效果不錯(cuò)，但有兩個(gè)問題難以解決：首先是滑臺(tái)的上限工作頻率不高，滑臺(tái)的上限工作頻率受滑板長度的限制，滑板越長，上限工作頻率越低，只有長度小于300mm的滑臺(tái)才可能過到2000 Hz的上限工作頻率。所以許多滑臺(tái)無法滿足環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的要求（指上限工作頻率）。另一個(gè)問題是油膜滑臺(tái)抗俯仰和滾轉(zhuǎn)的能力比較差，當(dāng)試件比較重時(shí)，當(dāng)試件安裝有些偏心時(shí)，當(dāng)試件振動(dòng)加速度較大時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)油膜分離現(xiàn)象，即滑板和滑座離開而油從兩者之間噴出來，這時(shí)滑臺(tái)實(shí)際上是無法工作的。

隨者科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來滑臺(tái)也有改進(jìn)，國外已將滑板材料用鎂合金代替鋁合金。由于鎂合金的阻尼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金的阻尼，因此在高于滑板一階共振頻率仍可以工作，上限工作頻率可達(dá)2000 Hz。為提高滑臺(tái)的抗俯仰力距，國外相繼采用油*承，軸承由軸承架和滑塊組成?；瑝K可在軸承架（圓柱體）上滑動(dòng)?；瑝K與軸承架之間充高壓油，軸承架與滑塊放置在花崗巖的滑座中，讓滑塊上表面與滑座面平行，再將滑板固定在油*承的滑塊上。帶有油*承的滑臺(tái)性能改善了許多，基本能滿足使用要求。國內(nèi)采用的導(dǎo)柱滑套結(jié)構(gòu)，使用效果也較佳。

（5）隨機(jī)激振設(shè)備的選用。機(jī)械式、電動(dòng)式、電液式振動(dòng)臺(tái)均可進(jìn)行正弦定頻及正弦掃頻試驗(yàn)，但三者的工作頻率范圍相差較多，推力和承載能力也不一樣，目前使用較多的仍是電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)和機(jī)械振動(dòng)臺(tái)，對(duì)于那些要求低頻大振幅振動(dòng)和在中低頻范圍內(nèi)要求振動(dòng)臺(tái)面直接承受較大負(fù)荷的振動(dòng)，以及道路運(yùn)輸環(huán)境模擬的場合，推薦選用電液臺(tái)。對(duì)于那些頻率較低，振動(dòng)幅度又不大的正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)，采用價(jià)格低廉，簡易可靠的機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)也是明智之舉。

電液臺(tái)和電動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)均可以進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，首先要看頻率范圍，若頻率范圍滿足要求，兩者都可以選，其次是隨機(jī)均方根推力必須大于或等于計(jì)算出的所需均方根推力。許多振動(dòng)臺(tái)均標(biāo)明正弦峰值推力和隨機(jī)均方根推力。但目前有些國產(chǎn)振動(dòng)臺(tái)以及使用年限已久的振動(dòng)臺(tái)均沒給出隨機(jī)均方根推力。如何估計(jì)隨機(jī)均方根推力，這是許多初步開展隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)都要碰到的問題。

一般國內(nèi)廠家都給出正弦峰值推力。如果我們按正弦峰值推力的三分之一作為隨機(jī)均方根推力，這肯定是允許的，換句話說隨機(jī)振動(dòng)中出現(xiàn)的最大峰值推力才等于給定的正弦峰值推力。這當(dāng)然是安全的，但較保守。

有人從功率放大器的電流、電壓、溫度等限制給出了計(jì)算隨機(jī)推力的方法，但所需數(shù)據(jù)中許多要實(shí)測(cè)。這種方法對(duì)振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)者是個(gè)好辦法，但僅僅為了使用，沒有必要這么復(fù)雜，因?yàn)樗柰屏κ且环N估算，是否合適還應(yīng)該用試驗(yàn)驗(yàn)證。我們可以用試驗(yàn)的方法得到最大隨機(jī)均方根推力。方法之一是用空臺(tái)，此時(shí)動(dòng)圈質(zhì)量為活動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量W動(dòng)，采用正弦峰值推力的三分之一（P正弦/3）作為z低的隨機(jī)均方根推力，用20～2000 Hz平直譜輸入，（P正弦/3）/W動(dòng)，得出空臺(tái)均方根值，以這個(gè)值為基礎(chǔ)，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。開始以1m/s2為一級(jí)，然后以1m/s2為增加量慢慢增加，此時(shí)用示波器觀察控制加速度計(jì)的波形是否有削波現(xiàn)象，同時(shí)觀察功放的輸出電壓和輸出電流。在增加量級(jí)的過程中這三者有一個(gè)達(dá)到極*，試驗(yàn)即停，此時(shí)的均方根加速度grms乘以W動(dòng)就是最大隨機(jī)均方根推力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況首先出現(xiàn)削波現(xiàn)象。通常情況是最大隨機(jī)均方根推力大約是最大正弦峰值推力的一半。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)推薦在臺(tái)面上放置一定質(zhì)量的慣性負(fù)載，在此條件下測(cè)試振動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)推力。這種方法可以避免隨機(jī)振動(dòng)的加速度量值超過振動(dòng)臺(tái)的最大加速度極限，因此比較安全，且得到的隨機(jī)推力數(shù)據(jù)也比較準(zhǔn)確。附加慣性負(fù)載的質(zhì)量應(yīng)在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈質(zhì)量的1～2倍之間。

如果知道了隨機(jī)均方根推力就可以了解到試驗(yàn)?zāi)芊襁M(jìn)行。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)均方根推力不夠，但差得不太多，又沒有其他大的振動(dòng)臺(tái)，有一種變通辦法，即將寬帶隨機(jī)的頻率范圍分成兩個(gè)或更多的頻段，每一段分別做試驗(yàn)，這樣，每段所需的均方根加速度就下降，例如分成兩段則每段所需的均方根加速度是原來的0.707倍。這樣分段做是個(gè)折衷方法，所用振動(dòng)臺(tái)的推力小了，但不同頻段峰值之間的相互影響被忽視了，為了考慮這種影響，分段的原則是盡可能將大的響應(yīng)峰值分在同一段。

如果功率放大器有輸出變壓器，改變輸出變壓器的繞組接法可以提高隨機(jī)推力。這是由于輸出變壓器繞組一般按正弦最佳狀態(tài)接的，但動(dòng)圈的阻抗在正弦試驗(yàn)和隨機(jī)試驗(yàn)時(shí)是不同的，隨機(jī)試驗(yàn)較低，因此用正弦的接法做隨機(jī)試驗(yàn)時(shí)往往輸出電壓不大時(shí)，輸出電流已超過電流極限值，功放就會(huì)保護(hù)，這時(shí)輸出功率并沒有達(dá)到額定功率。改變繞組接法就能改善這種匹配。所以早期進(jìn)口的電動(dòng)臺(tái)做隨機(jī)試驗(yàn)時(shí)要接另一個(gè)變壓器，這樣可以充分發(fā)揮功率放大器的效率。

電磁式振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)

2．振動(dòng)控制設(shè)備

振動(dòng)控制設(shè)備是振動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)用來控制振動(dòng)臺(tái)的裝置，按其功能一般分為正弦控制儀、隨機(jī)控制儀和多功能控制儀三類。

（1）正弦振動(dòng)控制儀。它是做正弦掃頻試驗(yàn)*的設(shè)備。雖然用正弦信號(hào)發(fā)生器加上振動(dòng)臺(tái)就可以在試驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生正弦振動(dòng)，量級(jí)大小和頻率均可用手動(dòng)調(diào)整，但要進(jìn)行定幅值振動(dòng)掃描試驗(yàn)，即頻率按一定要求變化，而振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的振動(dòng)量級(jí)保持不變（定加速度、定速度、定位移），這就必須使用正弦振動(dòng)控制儀。其功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

1）頻率范圍和可進(jìn)行壓縮控制的頻率范圍；

2）頻率穩(wěn)定度和顯示精度；

3）掃描功能、掃描速度范圍；

4）壓縮的動(dòng)態(tài)范圍；

5）測(cè)振批示精度；

6）控制精度，即實(shí)際控制振動(dòng)量級(jí)與預(yù)置振動(dòng)量級(jí)之間的偏差。

以上技術(shù)指標(biāo)均在某個(gè)方面說明正弦控制性能的優(yōu)劣，但對(duì)使用者來說，儀器的性能穩(wěn)定、經(jīng)久耐用更為重要。目前模擬式和數(shù)字式正弦控制儀并存，今后估計(jì)還是這樣，因?yàn)槟M式正弦控制儀的優(yōu)點(diǎn)很突出，如結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，易于操作，價(jià)格便宜（約是數(shù)字式價(jià)格的一半），而且高頻性能比數(shù)字式還*，但是數(shù)字正弦控制儀功能全，尤其是保護(hù)功能對(duì)貴重的試件試驗(yàn)時(shí)特別有用，加之顯示醒目直觀，其*性也很突出。試驗(yàn)時(shí)究竟采用哪一種控制儀要根據(jù)試驗(yàn)的要求來定，不要盲目認(rèn)定某一種。

（2）隨機(jī)振動(dòng)控制儀。它分為模擬式和數(shù)字式兩種，模擬式隨機(jī)振動(dòng)控制儀又叫均衡器，均衡器由一系列并聯(lián)濾波器組成，將寬帶隨機(jī)信號(hào)分割成許多窄帶，每個(gè)窄帶隨機(jī)信號(hào)可以用電位計(jì)進(jìn)行衰減或增大，然后把調(diào)好的窄帶信號(hào)再合成輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶功率譜密度的譜形控制，總能量由輸出信號(hào)電位器控制。自動(dòng)均衡器是其中較為先進(jìn)的一種。

目前已很少有廠家生產(chǎn)均衡器，只有用于生產(chǎn)線上進(jìn)行隨機(jī)篩選試驗(yàn)時(shí)還有廠家推薦使用，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉。數(shù)字式振動(dòng)控制儀早在20世紀(jì)70年代就問世了，當(dāng)時(shí)由于價(jià)格太高，難以推廣。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格下降得又很快，目前各生產(chǎn)廠家?guī)缀醢央S機(jī)振動(dòng)控制儀都做成數(shù)字式的。隨機(jī)振動(dòng)控制儀有以下主要技術(shù)指標(biāo)：

1）頻率范圍；

2）頻率分辨率：指多少譜線；

3）動(dòng)態(tài)范圍：設(shè)置譜動(dòng)態(tài)范圍，驅(qū)動(dòng)譜動(dòng)態(tài)范圍；

4）均衡精度：指在一定置信度情況下，完成均衡之后實(shí)際的功率譜密度曲線與預(yù)定的功率譜密度曲線間的誤差，用dB表示；

5）回路時(shí)間：完成一次閉環(huán)控制所需的時(shí)間。

（3）多用途振動(dòng)控制儀。在數(shù)字式控制儀剛剛出現(xiàn)時(shí)，多半都是多用途的控制儀，即可做正弦也可做隨機(jī)、沖擊試驗(yàn)，有的還可以做數(shù)據(jù)分析。這是由于計(jì)算機(jī)開始比較昂貴，因此用戶總希望用途越多越好。隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的降低和硬件功能的增強(qiáng)，單一功能的控制儀才出現(xiàn)、目前單一功能和多用途的振動(dòng)控制儀并存。多用途控制儀適用于大型振動(dòng)試驗(yàn)室和研究所的試驗(yàn)室。單一功能的控制儀適用于工廠振動(dòng)試驗(yàn)室，直接為生產(chǎn)服務(wù)。

（4）振動(dòng)控制設(shè)備的選用。正弦振動(dòng)控制儀的選取一般應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的要求考慮頻率范圍、交越點(diǎn)數(shù)目（交越點(diǎn)是預(yù)置位移-加速度或位移-速度或速度-加速度改變的點(diǎn)，該點(diǎn)的頻率叫交越頻率）、掃描速率范圍、掃描方式等均能滿足試驗(yàn)要求即可選用。目前數(shù)字式正弦控制儀和模擬式正弦振動(dòng)控制儀并存。模擬式控制儀操作簡單，價(jià)格便宜，使用方便。數(shù)字式控制儀功能全，顯示直觀，價(jià)格高。

選擇隨機(jī)振動(dòng)控制儀（或系統(tǒng)）時(shí)，振動(dòng)譜動(dòng)態(tài)范圍，功率譜均衡精度和回路時(shí)間是很重要的技術(shù)指標(biāo)，尤其是振動(dòng)譜的動(dòng)態(tài)范圍是決定隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)（RVCS）控制能力的指標(biāo)，直接影響著功率譜的均衡精度。在早期，回路時(shí)間也是一個(gè)重要指標(biāo)，它是控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的標(biāo)志，近年來，由于FFT及IFFT的運(yùn)算均采用硬件完成，完成一次閉環(huán)控制的回路時(shí)間在幾至幾十毫秒之內(nèi)，已經(jīng)能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。目前，市場上可供選擇的振動(dòng)控制儀很多，這里介紹一般的選擇原則。首先要根據(jù)使用要求，即要進(jìn)行何種類型的試驗(yàn)，一般只要能滿足試驗(yàn)要求的控制儀就可以，例如只要做正弦定頻試驗(yàn)，用信號(hào)發(fā)生器就行。使用儀器并不是越高級(jí)越好，因?yàn)楦呒?jí)儀器的使用、維護(hù)都比較復(fù)雜，僅做簡單的試驗(yàn)發(fā)揮也不了儀器的特長。其次選用國外的還是國內(nèi)的要看具體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。國外生產(chǎn)的儀器一般說質(zhì)量不錯(cuò)，但費(fèi)用很高，大約相當(dāng)國內(nèi)同類型儀器價(jià)格的2～5倍。而且維修不方便，即使現(xiàn)在許多外國廠家在國內(nèi)有維修點(diǎn)，修一次的花費(fèi)也很可觀。這幾年由于改革開放的結(jié)果，國內(nèi)的儀器也飛速地發(fā)展，漸漸地可以與國外同類型產(chǎn)品競爭。此外對(duì)儀器要做深入了解。一般廠家的指標(biāo)可參考，是否*能達(dá)到，還要請(qǐng)教實(shí)際使用單位。許多試驗(yàn)室用較普通的儀器設(shè)備完成較復(fù)雜的振動(dòng)試驗(yàn)，這仍然是我們工程技術(shù)人員需要保持和發(fā)揚(yáng)的精神。

來源于：《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》