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(jìng)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(jiàn)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(lái)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(wú)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(lái)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(wèn)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(lái)一直在許多試驗(yàn)室使用，效果不錯(cuò),，但有兩個(gè)問(wèn)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(zhǎng)度的限制，滑板越長(zhǎng),，上限工作頻率越低,，只有長(zhǎng)度小于300mm的滑臺(tái)才可能過(guò)到2000 Hz的上限工作頻率。所以許多滑臺(tái)無(wú)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(wèn)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(kāi)而油從兩者之間噴出來(lái),，這時(shí)滑臺(tái)實(shí)際上是無(wú)法工作的,。

隨者科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)滑臺(tái)也有改進(jìn),，國(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)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(jiǎn)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(guó)產(chǎn)振動(dòng)臺(tái)以及使用年限已久的振動(dòng)臺(tái)均沒(méi)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(kāi)展隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)都要碰到的問(wèn)題,。

一般國(guó)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(shuō)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(méi)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(kāi)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(guò)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(guó)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)電流極限值,，功放就會(huì)保護(hù)，這時(shí)輸出功率并沒(méi)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(lái)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(shuō)明正弦控制性能的優(yōu)劣,，但對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，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(lái)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*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(wèn)世了,，當(dāng)時(shí)由于價(jià)格太高，難以推廣,。近年來(lái)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(kāi)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(jiǎn)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(lái),，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(chǎng)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(jiǎn)單的試驗(yàn)發(fā)揮也不了儀器的特長(zhǎng)。其次選用國(guó)外的還是國(guó)內(nèi)的要看具體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,。國(guó)外生產(chǎn)的儀器一般說(shuō)質(zhì)量不錯(cuò),，但費(fèi)用很高，大約相當(dāng)國(guó)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(guó)廠家在國(guó)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(kāi)放的結(jié)果,，國(guó)內(nèi)的儀器也飛速地發(fā)展,，漸漸地可以與國(guó)外同類型產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。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(lái)源于：《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》