一、振動試驗設備的選擇和使用

在振動試驗室內(nei) 使用的激振設備就是振動台。試驗中究競使用哪種振動台，首先要看試驗頻率範圍。電液台適用於(yu) 中低頻範圍，電動台適用於(yu) 中高頻範圍，機械台頻率範圍最窄。此外還要從(cong) 推力大小、波形優(you) 劣、控製的方便性等綜合考慮。為(wei) 了比較方便，下麵分別對各類振動台的性能和優(you) 缺點做一比較，見表1。

 表1 三種振動台的主要性能比較

1．激振設備

（1）機械式振動台。它是使用最早、價(jia) 格*的振動台。機械振動台工作頻率範圍較窄，一般上限工作頻率100 Hz左右。通常隻能進行正弦振動試驗。運輸模擬台、用電機驅動車輛下麵的滾輪、使車輛模擬道路行駛的振動都近似一種偽(wei) 隨機振動試驗。機械式振動台適用範圍不寬，精度不高，但經濟實用，目前還在許多試驗室中使用。

（2）電液振動台。它的特點是中低頻性能好，可以從(cong) 0～250 Hz，近年來有的可達1000 Hz；推力大，直接承載能力強，波形較好，可控製性能好，可進行正弦、隨機、混合模式的振動試驗。對低頻大位移振動試驗尤為(wei) 合適。反映電液振動台性能的主要技術指標有：①正弦峰值推力：取決(jue) 於(yu) 油壓和油缸的麵積；②隨機均方根推力：取決(jue) 於(yu) 油壓和油缸的麵積：③最大速度：取決(jue) 於(yu) 伺服閥的流量；④最大位移：取決(jue) 於(yu) 作動筒的行程。

電液振動台配套的能源裝置叫油源，電液台的性能與(yu) 油源密切相關(guan) 。其核心部件是電液伺服閥，流量-頻響特性直接決(jue) 定著振動台上限工作頻率。

（3）電動振動台。它是使用*泛的振動台，電動台頻率範圍從(cong) 5～3000 Hz（有的小型電動台上限頻率可達8000 Hz），頻率範圍寬是其z突出的優(you) 點。推力大小可以從(cong) 10N到200 kN，可控製性能好，可進行正弦、隨機、混合型以及衝(chong) 擊試驗。電動台的波形是所有振動台中z-hao的。反映電動振動台性能的主要技術指標有：①正弦峰值推力；②隨機均方根推力；③空載最大加速度；④空載最大速度；⑤最大位移；⑥工作頻率範圍；⑦最大無補償(chang) 承載能力。

電動振動台與(yu) 功率放大器配套使用，功率放大器本身也有一些技術指標，這裏不再贅述。一般電動台生產(chan) 廠的振動台和功率放大器均已係列化，不同的台體(ti) 和不同功放組合成推力不同的係列產(chan) 品。可根據試驗的要求選擇所需要的電動振動台。

（4）振動輔助設備----滑台。許多振動試驗都要進行三個(ge) 相互垂直方向的振動試驗。小型試件一般用夾具來改變試件試驗方向。但大型試件就不能用這種方法，因為(wei) 用夾具翻轉試件會(hui) 造成偏心力矩太大；還有些試件如陀螺儀(yi) 等試驗中要求與(yu) 地球的相對位置不能改變。為(wei) 解決(jue) 這兩(liang) 方麵問題，油膜滑台是一種很好的輔助設備，它可以完成任何試件三個(ge) 方向的振動。

油膜滑台多年來一直在許多試驗室使用，效果不錯，但有兩(liang) 個(ge) 問題難以解決(jue) ：首先是滑台的上限工作頻率不高，滑台的上限工作頻率受滑板長度的限製，滑板越長，上限工作頻率越低，隻有長度小於(yu) 300mm的滑台才可能過到2000 Hz的上限工作頻率。所以許多滑台無法滿足環境振動試驗的要求（指上限工作頻率）。另一個(ge) 問題是油膜滑台抗俯仰和滾轉的能力比較差，當試件比較重時，當試件安裝有些偏心時，當試件振動加速度較大時，均會(hui) 出現油膜分離現象，即滑板和滑座離開而油從(cong) 兩(liang) 者之間噴出來，這時滑台實際上是無法工作的。

隨者科學技術的發展，近年來滑台也有改進，國外已將滑板材料用鎂合金代替鋁合金。由於(yu) 鎂合金的阻尼遠遠大於(yu) 鋁合金的阻尼，因此在高於(yu) 滑板一階共振頻率仍可以工作，上限工作頻率可達2000 Hz。為(wei) 提高滑台的抗俯仰力距，國外相繼采用油*承，軸承由軸承架和滑塊組成。滑塊可在軸承架（圓柱體(ti) ）上滑動。滑塊與(yu) 軸承架之間充高壓油，軸承架與(yu) 滑塊放置在花崗岩的滑座中，讓滑塊上表麵與(yu) 滑座麵平行，再將滑板固定在油*承的滑塊上。帶有油*承的滑台性能改善了許多，基本能滿足使用要求。國內(nei) 采用的導柱滑套結構，使用效果也較佳。

（5）隨機激振設備的選用。機械式、電動式、電液式振動台均可進行正弦定頻及正弦掃頻試驗，但三者的工作頻率範圍相差較多，推力和承載能力也不一樣，目前使用較多的仍是電動式振動台和機械振動台，對於(yu) 那些要求低頻大振幅振動和在中低頻範圍內(nei) 要求振動台麵直接承受較大負荷的振動，以及道路運輸環境模擬的場合，推薦選用電液台。對於(yu) 那些頻率較低，振動幅度又不大的正弦定頻振動試驗，采用價(jia) 格低廉，簡易可靠的機械式振動台也是明智之舉(ju) 。

電液台和電動台係統均可以進行隨機振動試驗，首先要看頻率範圍，若頻率範圍滿足要求，兩(liang) 者都可以選，其次是隨機均方根推力必須大於(yu) 或等於(yu) 計算出的所需均方根推力。許多振動台均標明正弦峰值推力和隨機均方根推力。但目前有些國產(chan) 振動台以及使用年限已久的振動台均沒給出隨機均方根推力。如何估計隨機均方根推力，這是許多初步開展隨機振動試驗時都要碰到的問題。

一般國內(nei) 廠家都給出正弦峰值推力。如果我們(men) 按正弦峰值推力的三分之一作為(wei) 隨機均方根推力，這肯定是允許的，換句話說隨機振動中出現的最大峰值推力才等於(yu) 給定的正弦峰值推力。這當然是安全的，但較保守。

有人從(cong) 功率放大器的電流、電壓、溫度等限製給出了計算隨機推力的方法，但所需數據中許多要實測。這種方法對振動台設計者是個(ge) 好辦法，但僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 了使用，沒有必要這麽(me) 複雜，因為(wei) 所需推力是一種估算，是否合適還應該用試驗驗證。我們(men) 可以用試驗的方法得到最大隨機均方根推力。方法之一是用空台，此時動圈質量為(wei) 活動係統質量W動，采用正弦峰值推力的三分之一（P正弦/3）作為(wei) z低的隨機均方根推力，用20～2000 Hz平直譜輸入，（P正弦/3）/W動，得出空台均方根值，以這個(ge) 值為(wei) 基礎，進行隨機振動試驗。開始以1m/s²為(wei) 一級，然後以1m/s²為(wei) 增加量慢慢增加，此時用示波器觀察控製加速度計的波形是否有削波現象，同時觀察功放的輸出電壓和輸出電流。在增加量級的過程中這三者有一個(ge) 達到極*，試驗即停，此時的均方根加速度grms乘以W動就是最大隨機均方根推力。根據經驗，一般情況首先出現削波現象。通常情況是最大隨機均方根推力大約是最大正弦峰值推力的一半。目前，國家標準推薦在台麵上放置一定質量的慣性負載，在此條件下測試振動台的隨機推力。這種方法可以避免隨機振動的加速度量值超過振動台的最大加速度極限，因此比較安全，且得到的隨機推力數據也比較準確。附加慣性負載的質量應在振動台動圈質量的1～2倍之間。

如果知道了隨機均方根推力就可以了解到試驗能否進行。有時會(hui) 出現這樣的情況，振動台隨機均方根推力不夠，但差得不太多，又沒有其他大的振動台，有一種變通辦法，即將寬帶隨機的頻率範圍分成兩(liang) 個(ge) 或更多的頻段，每一段分別做試驗，這樣，每段所需的均方根加速度就下降，例如分成兩(liang) 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(ge) 折衷方法，所用振動台的推力小了，但不同頻段峰值之間的相互影響被忽視了，為(wei) 了考慮這種影響，分段的原則是盡可能將大的響應峰值分在同一段。

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推力。這是由於(yu) 輸出變壓器繞組一般按正弦最佳狀態接的，但動圈的阻抗在正弦試驗和隨機試驗時是不同的，隨機試驗較低，因此用正弦的接法做隨機試驗時往往輸出電壓不大時，輸出電流已超過電流極限值，功放就會(hui) 保護，這時輸出功率並沒有達到額定功率。改變繞組接法就能改善這種匹配。所以早期進口的電動台做隨機試驗時要接另一個(ge) 變壓器，這樣可以充分發揮功率放大器的效率。

電磁式振動試驗機

2．振動控製設備

振動控製設備是振動試驗室內(nei) 用來控製振動台的裝置，按其功能一般分為(wei) 正弦控製儀(yi) 、隨機控製儀(yi) 和多功能控製儀(yi) 三類。

（1）正弦振動控製儀(yi) 。它是做正弦掃頻試驗*的設備。雖然用正弦信號發生器加上振動台就可以在試驗室內(nei) 產(chan) 生正弦振動，量級大小和頻率均可用手動調整，但要進行定幅值振動掃描試驗，即頻率按一定要求變化，而振動台台麵的振動量級保持不變（定加速度、定速度、定位移），這就必須使用正弦振動控製儀(yi) 。其功能和技術指標如下：

1）頻率範圍和可進行壓縮控製的頻率範圍；

2）頻率穩定度和顯示精度；

3）掃描功能、掃描速度範圍；

4）壓縮的動態範圍；

5）測振批示精度；

6）控製精度，即實際控製振動量級與(yu) 預置振動量級之間的偏差。

以上技術指標均在某個(ge) 方麵說明正弦控製性能的優(you) 劣，但對使用者來說，儀(yi) 器的性能穩定、經久耐用更為(wei) 重要。目前模擬式和數字式正弦控製儀(yi) 並存，今後估計還是這樣，因為(wei) 模擬式正弦控製儀(yi) 的優(you) 點很突出，如結構緊湊，使用方便，易於(yu) 操作，價(jia) 格便宜（約是數字式價(jia) 格的一半），而且高頻性能比數字式還*，但是數字正弦控製儀(yi) 功能全，尤其是保護功能對貴重的試件試驗時特別有用，加之顯示醒目直觀，其*性也很突出。試驗時究竟采用哪一種控製儀(yi) 要根據試驗的要求來定，不要盲目認定某一種。

（2）隨機振動控製儀(yi) 。它分為(wei) 模擬式和數字式兩(liang) 種，模擬式隨機振動控製儀(yi) 又叫均衡器，均衡器由一係列並聯濾波器組成，將寬帶隨機信號分割成許多窄帶，每個(ge) 窄帶隨機信號可以用電位計進行衰減或增大，然後把調好的窄帶信號再合成輸出信號，以實現對寬帶功率譜密度的譜形控製，總能量由輸出信號電位器控製。自動均衡器是其中較為(wei) *一種。

目前已很少有廠家生產(chan) 均衡器，隻有用於(yu) 生產(chan) 線上進行隨機篩選試驗時還有廠家推薦使用，其優(you) 點是價(jia) 廉。數字式振動控製儀(yi) 早在20世紀70年代就問世了，當時由於(yu) 價(jia) 格太高，難以推廣。近年來隨著計算機技術的發展，價(jia) 格下降得又很快，目前各生產(chan) 廠家幾乎把隨機振動控製儀(yi) 都做成數字式的。隨機振動控製儀(yi) 有以下主要技術指標：

1）頻率範圍；

2）頻率分辨率：指多少譜線；

3）動態範圍：設置譜動態範圍，驅動譜動態範圍；

4）均衡精度：指在一定置信度情況下，完成均衡之後實際的功率譜密度曲線與(yu) 預定的功率譜密度曲線間的誤差，用dB表示；

5）回路時間：完成一次閉環控製所需的時間。

（3）多用途振動控製儀(yi) 。在數字式控製儀(yi) 剛剛出現時，多半都是多用途的控製儀(yi) ，即可做正弦也可做隨機、衝(chong) 擊試驗，有的還可以做數據分析。這是由於(yu) 計算機開始比較昂貴，因此用戶總希望用途越多越好。隨著計算機價(jia) 格的降低和硬件功能的增強，單一功能的控製儀(yi) 才出現、目前單一功能和多用途的振動控製儀(yi) 並存。多用途控製儀(yi) 適用於(yu) 大型振動試驗室和研究所的試驗室。單一功能的控製儀(yi) 適用於(yu) 工廠振動試驗室，直接為(wei) 生產(chan) 服務。

（4）振動控製設備的選用。正弦振動控製儀(yi) 的選取一般應根據試驗的要求考慮頻率範圍、交越點數目（交越點是預置位移-加速度或位移-速度或速度-加速度改變的點，該點的頻率叫交越頻率）、掃描速率範圍、掃描方式等均能滿足試驗要求即可選用。目前數字式正弦控製儀(yi) 和模擬式正弦振動控製儀(yi) 並存。模擬式控製儀(yi) 操作簡單，價(jia) 格便宜，使用方便。數字式控製儀(yi) 功能全，顯示直觀，價(jia) 格高。

選擇隨機振動控製儀(yi) （或係統）時，振動譜動態範圍，功率譜均衡精度和回路時間是很重要的技術指標，尤其是振動譜的動態範圍是決(jue) 定隨機振動控製係統（RVCS）控製能力的指標，直接影響著功率譜的均衡精度。在早期，回路時間也是一個(ge) 重要指標，它是控製係統實時性的標誌，近年來，由於(yu) FFT及IFFT的運算均采用硬件完成，完成一次閉環控製的回路時間在幾至幾十毫秒之內(nei) ，已經能滿足係統實時性的要求。目前，市場上可供選擇的振動控製儀(yi) 很多，這裏介紹一般的選擇原則。首先要根據使用要求，即要進行何種類型的試驗，一般隻要能滿足試驗要求的控製儀(yi) 就可以，例如隻要做正弦定頻試驗，用信號發生器就行。使用儀(yi) 器並不是越高級越好，因為(wei) 高級儀(yi) 器的使用、維護都比較複雜，僅(jin) 做簡單的試驗發揮也不了儀(yi) 器的特長。其次選用國外的還是國內(nei) 的要看具體(ti) 的經濟實力。國外生產(chan) 的儀(yi) 器一般說質量不錯，但費用很高，大約相當國內(nei) 同類型儀(yi) 器價(jia) 格的2～5倍。而且維修不方便，即使現在許多外國廠家在國內(nei) 有維修點，修一次的花費也很可觀。這幾年由於(yu) 改革開放的結果，國內(nei) 的儀(yi) 器也飛速地發展，漸漸地可以與(yu) 國外同類型產(chan) 品競爭(zheng) 。此外對儀(yi) 器要做深入了解。一般廠家的指標可參考，是否*能達到，還要請教實際使用單位。許多試驗室用較普通的儀(yi) 器設備完成較複雜的振動試驗，這仍然是我們(men) 工程技術人員需要保持和發揚的精神。

來源於(yu) ：《力學環境試驗技術》