電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(6) ——隨機(jī)振動(dòng)

前文介紹了電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)概念，以及正弦振動(dòng)和掃頻。

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(1) —— 概述

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(2) —— 振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)類型

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(3) ——振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)(5) ——正弦振動(dòng)和掃頻

本文將介紹振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中的隨機(jī)振動(dòng)。

隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)主要目的是模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用等過程中經(jīng)受到的隨機(jī)振動(dòng)。隨機(jī)振動(dòng)相比正弦振動(dòng)更為常見，如車輛在行駛中產(chǎn)生的顛簸、氣動(dòng)噪聲對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)等。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是一種相對(duì)更真實(shí)的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試，更能反映產(chǎn)品的抗振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性，主要有以下特點(diǎn)：

相比正弦振動(dòng)，頻率范圍更寬，并且是連續(xù)譜，振動(dòng)過程中各個(gè)頻段激勵(lì)相互作用，更真實(shí)有效地反映系統(tǒng)綜合抗振能力；

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)也能獲取系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)需要設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間，可以更真實(shí)的考驗(yàn)系統(tǒng)可靠性和耐久性；

應(yīng)力篩選也采用隨機(jī)振動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)；

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始把隨機(jī)振動(dòng)作為振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分。

有關(guān)隨機(jī)振動(dòng)及其分析可參見文章。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)振動(dòng)分析(1) —— 隨機(jī)過程與隨機(jī)激勵(lì)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)振動(dòng)分析(2) —— 隨機(jī)振動(dòng)分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)振動(dòng)分析(3) —— 基于ANSYS的實(shí)現(xiàn)

隨機(jī)振動(dòng)的描述

隨機(jī)振動(dòng)的輸入條件通過隨機(jī)過程描述。

隨機(jī)過程有平穩(wěn)隨機(jī)過程和非平穩(wěn)隨機(jī)過程，有各態(tài)歷經(jīng)和非各態(tài)歷經(jīng)，有正態(tài)分布和非正態(tài)分布；盡管嚴(yán)格的要求難以達(dá)到，在實(shí)際的隨機(jī)振動(dòng)中，我們?nèi)匀患僭O(shè)隨機(jī)過程是平穩(wěn)的、各態(tài)歷經(jīng)的、和正態(tài)分布的。以上概念的說明可以參考《結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)振動(dòng)分析》的系列文章。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，我們一般通過功率譜密度（PSD）對(duì)輸入進(jìn)行描述；主要包括頻率范圍、頻率對(duì)應(yīng)的PSD幅值，同時(shí)可以計(jì)算出整個(gè)輸入的均方根值（RMS）；通常PSD的單位為g2/Hz，RMS的單位為g。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，需要確定試驗(yàn)時(shí)間、隨機(jī)振動(dòng)PSD曲線，同時(shí)也會(huì)標(biāo)注出曲線對(duì)應(yīng)的RMS值。

試驗(yàn)時(shí)間很好理解，一般指的是隨機(jī)加載穩(wěn)定后的總時(shí)長(zhǎng)。

PSD曲線一般有2種形式：

按照頻率及其對(duì)應(yīng)的PSD形成表格；

通過包絡(luò)，形成多段折線描述（對(duì)數(shù)坐標(biāo)下），這種方式使用最為廣泛。

上圖是一個(gè)典型的隨機(jī)振動(dòng)輸入條件，一般包含上升段、平穩(wěn)段和下降段。其中平穩(wěn)段最容易理解，為x g2/Hz，表示在這個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)，幅值沒有變化。上升段和下降段在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下為直線，一般用N dB/oct，描述；指的是每個(gè)倍頻程上升或下降N個(gè)dB。

很多設(shè)計(jì)師在隨機(jī)試驗(yàn)的時(shí)候，斜線段的概念很困惑，這里先簡(jiǎn)單介紹一下；有關(guān)這些參數(shù)的計(jì)算，后續(xù)的系列文章將會(huì)有專門的介紹。對(duì)于PSD而言，+3dB指的是量級(jí)提高一倍；舉個(gè)例子，如果頻率范圍10~40Hz，斜率為+3dB/oct，10Hz處量級(jí)為0.01 g2/Hz，那么在20Hz處就是0.02 g2/Hz，40Hz處就是0.04 g2/Hz。

式中f為頻率，W為對(duì)應(yīng)的幅值，N為N dB/oct。

曲線確定后，還可以計(jì)算整個(gè)曲線的RMS值；其大小等于頻域曲線的面積開方，也等于統(tǒng)計(jì)分析中1σ下的幅值；RMS值可以綜合評(píng)估整個(gè)輸入的量級(jí)；其具體計(jì)算方法在后續(xù)的系列文章中專門介紹。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前，首先需要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，確定隨機(jī)振動(dòng)的試驗(yàn)類型，通常包括：

按照隨機(jī)振動(dòng)頻譜的分類，選擇寬帶隨機(jī)、窄帶隨機(jī)、寬帶+窄帶隨機(jī)，還是寬帶隨機(jī)+正弦；

滿量級(jí)的試驗(yàn)，還是小量級(jí)摸底的試驗(yàn)；

功能性試驗(yàn)還是耐久性試驗(yàn)；

確認(rèn)是在哪個(gè)階段開展的試驗(yàn)，包括研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)等；

當(dāng)試驗(yàn)頻率高于2000Hz，或者質(zhì)量體積較大，或者對(duì)聲敏感的設(shè)備，需要考慮用噪聲試驗(yàn)代替隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

理想的試驗(yàn)曲線一般是一條或幾條折線描述，而實(shí)際試驗(yàn)過程的控制曲線常常是這樣的；其中畫紅圈的位置就是高頻處可能存在由于控制能力帶來的誤差。

由于振動(dòng)臺(tái)控制能力不是無限的，在系統(tǒng)共振點(diǎn)、以及高頻處（由于振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和工裝聯(lián)合作用導(dǎo)致）可能會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)；在振動(dòng)臺(tái)介紹的那篇系列文章中，我們討論到，“通常對(duì)于給定的振動(dòng)譜，會(huì)設(shè)置一個(gè)容差限，其上下限作為允許的偏差，叫做上下報(bào)警限；原則上，認(rèn)為試驗(yàn)過程中，超出報(bào)警限的振動(dòng)激勵(lì)是不符合試驗(yàn)要求的；但是通常并不會(huì)要求的那么嚴(yán)格。”

此外，試驗(yàn)過程中，由于各方面的原因，可能還會(huì)采取下凹（也有叫做帶谷）、限幅等措施；其曲線大致是這樣的，其中畫紅圈的就是下凹的區(qū)間和幅度。

有關(guān)下凹和限幅等討論，將在后續(xù)系列文章一并開展。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的一些討論

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，由于各方面的原因，會(huì)采取下凹等措施；下凹的帶寬和幅值，通過仿真分析，以及以往的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合評(píng)估；一般會(huì)要求下凹頻點(diǎn)PSD的下限，以及整個(gè)曲線RMS的下限；不過大多數(shù)情況下，上級(jí)單位會(huì)根據(jù)試驗(yàn)方的下凹要求，綜合評(píng)估其方案，而不會(huì)明確指出可下凹的范圍。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)比較復(fù)雜，在達(dá)到滿量級(jí)過程中，需要逐步增加量級(jí)進(jìn)行均衡；通常按照-12dB、-9dB、-6dB、-3dB，逐步增加；每個(gè)量級(jí)會(huì)穩(wěn)定一小段時(shí)間，穩(wěn)定的時(shí)間不易過長(zhǎng)，一般有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定；需要指出的是，均衡過程的加載試驗(yàn)，不能從總時(shí)間中扣除，即試驗(yàn)時(shí)間是從滿量級(jí)達(dá)到均衡后開始計(jì)算的。

在航天領(lǐng)域，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)可相互替代；通常需要經(jīng)過綜合評(píng)估選擇合適的試驗(yàn)方法；一般來說，隨機(jī)振動(dòng)的試驗(yàn)頻率范圍小于2000Hz，當(dāng)大于2000Hz時(shí)需要選擇噪聲試驗(yàn)；此外，對(duì)于質(zhì)量體積較大，或者對(duì)聲敏感的設(shè)備也會(huì)考慮選擇噪聲試驗(yàn)；噪聲試驗(yàn)主要有混響試驗(yàn)和行波試驗(yàn)2種，衛(wèi)星大多選擇混響試驗(yàn)。

最后

本文介紹了振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中的隨機(jī)振動(dòng)，下文將對(duì)沖擊試驗(yàn)開展介紹。