電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(6) ——隨機振動

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

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(1) —— 概述

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(2) —— 振動環(huán)境試驗類型

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(3) ——振動臺試驗系統(tǒng)

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

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(5) ——正弦振動和掃頻

本文將介紹振動環(huán)境試驗中的隨機振動。

隨機振動

隨機振動試驗主要目的是模擬產(chǎn)品在運輸、存儲和使用等過程中經(jīng)受到的隨機振動。隨機振動相比正弦振動更為常見，如車輛在行駛中產(chǎn)生的顛簸、氣動噪聲對飛機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動、火箭發(fā)動機和氣動噪聲對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動等。

隨機振動試驗是一種相對更真實的環(huán)境振動測試，更能反映產(chǎn)品的抗振動環(huán)境適應(yīng)性，主要有以下特點：

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

隨機振動試驗也能獲取系統(tǒng)的動力學(xué)特性；

隨機振動試驗需要設(shè)定試驗時間，可以更真實的考驗系統(tǒng)可靠性和耐久性；

應(yīng)力篩選也采用隨機振動的方法實現(xiàn)；

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

有關(guān)隨機振動及其分析可參見文章。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的隨機振動分析(1) —— 隨機過程與隨機激勵

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的隨機振動分析(2) —— 隨機振動分析

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的隨機振動分析(3) —— 基于ANSYS的實現(xiàn)

隨機振動的描述

隨機振動的輸入條件通過隨機過程描述。

隨機過程有平穩(wěn)隨機過程和非平穩(wěn)隨機過程，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；盡管嚴格的要求難以達到，在實際的隨機振動中，我們?nèi)匀患僭O(shè)隨機過程是平穩(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)動力學(xué)中的隨機振動分析》的系列文章。

隨機振動試驗中，我們一般通過功率譜密度（PSD）對輸入進行描述；主要包括頻率范圍、頻率對應(yīng)的PSD幅值，同時可以計算出整個輸入的均方根值（RMS）；通常PSD的單位為g2/Hz，RMS的單位為g。

隨機振動試驗參數(shù)

隨機振動試驗中，需要確定試驗時間、隨機振動PSD曲線，同時也會標注出曲線對應(yīng)的RMS值。

試驗時間很好理解，一般指的是隨機加載穩(wěn)定后的總時長。

PSD曲線一般有2種形式：

按照頻率及其對應(yīng)的PSD形成表格；

通過包絡(luò)，形成多段折線描述（對數(shù)坐標下），這種方式使用最為廣泛。

上圖是一個典型的隨機振動輸入條件，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，表示在這個頻率區(qū)間內(nèi)，幅值沒有變化。上升段和下降段在對數(shù)坐標下為直線，一般用N dB/oct，描述；指的是每個倍頻程上升或下降N個dB。

很多設(shè)計師在隨機試驗的時候，斜線段的概念很困惑，這里先簡單介紹一下；有關(guān)這些參數(shù)的計算，后續(xù)的系列文章將會有專門的介紹。對于PSD而言，+3dB指的是量級提高一倍；舉個例子，如果頻率范圍10~40Hz，斜率為+3dB/oct，10Hz處量級為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為對應(yīng)的幅值，N為N dB/oct。

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

隨機振動試驗條件

試驗前，首先需要根據(jù)試驗?zāi)康?，確定隨機振動的試驗類型，通常包括：

按照隨機振動頻譜的分類，選擇寬帶隨機、窄帶隨機、寬帶+窄帶隨機，還是寬帶隨機+正弦；

滿量級的試驗，還是小量級摸底的試驗；

功能性試驗還是耐久性試驗；

確認是在哪個階段開展的試驗，包括研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗等；

當試驗頻率高于2000Hz，或者質(zhì)量體積較大，或者對聲敏感的設(shè)備，需要考慮用噪聲試驗代替隨機振動試驗。

理想的試驗曲線一般是一條或幾條折線描述，而實際試驗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。

由于振動臺控制能力不是無限的，在系統(tǒng)共振點、以及高頻處（由于振動臺系統(tǒng)和工裝聯(lián)合作用導(dǎo)致）可能會出現(xiàn)一定波動；在振動臺介紹的那篇系列文章中，我們討論到，“通常對于給定的振動譜，會設(shè)置一個容差限，其上下限作為允許的偏差，叫做上下報警限；原則上，認為試驗過程中，超出報警限的振動激勵是不符合試驗要求的；但是通常并不會要求的那么嚴格?！?/p>

此外，試驗過程中，由于各方面的原因，可能還會采取下凹（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。

隨機振動試驗的一些討論

隨機振動試驗中，由于各方面的原因，會采取下凹等措施；下凹的帶寬和幅值，通過仿真分析，以及以往的實測數(shù)據(jù)綜合評估；一般會要求下凹頻點PSD的下限，以及整個曲線RMS的下限；不過大多數(shù)情況下，上級單位會根據(jù)試驗方的下凹要求，綜合評估其方案，而不會明確指出可下凹的范圍。

隨機振動試驗比較復(fù)雜，在達到滿量級過程中，需要逐步增加量級進行均衡；通常按照-12dB、-9dB、-6dB、-3dB，逐步增加；每個量級會穩(wěn)定一小段時間，穩(wěn)定的時間不易過長，一般有標準進行規(guī)定；需要指出的是，均衡過程的加載試驗，不能從總時間中扣除，即試驗時間是從滿量級達到均衡后開始計算的。

在航天領(lǐng)域，隨機振動試驗和噪聲試驗可相互替代；通常需要經(jīng)過綜合評估選擇合適的試驗方法；一般來說，隨機振動的試驗頻率范圍小于2000Hz，當大于2000Hz時需要選擇噪聲試驗；此外，對于質(zhì)量體積較大，或者對聲敏感的設(shè)備也會考慮選擇噪聲試驗；噪聲試驗主要有混響試驗和行波試驗2種，衛(wèi)星大多選擇混響試驗。

最后

本文介紹了振動環(huán)境試驗中的隨機振動，下文將對沖擊試驗開展介紹。