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[摘 要]本文对随机振动试验中常见问题进行分析说明，并结合作者实际工作对随机振动试验中常见问题提出了解决方法。
[关键词]随机振动试验 常见问题 分析说明 解决方法
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0020-01
1.引言
产品在运输和实际使用中所遇到的振动一般都是随机振动，利用随机振动试验来考核产品才能更真实地反映产品对振动环境的适应性和考核其结构的完好性。据统计，在作者所在实验室现场振动试验中，随机振动试验大约占有60%的比例。且作者在实验室完成随机振动试验时，经常会遇到一些问题，例如：怎样才能选择合适的振动设备；怎样才能解决试验过程中超差中断问题等。因此，如何克服随机振动试验中常见问题，保证试验顺利进行，是作者所关心的问题，也是当前必须解决的问题。
2.随机振动试验的参数计算及分析
随机振动的试验条件由频率范围、加速度谱密度、加速度谱密度的频谱、总均方根加速度和试验持续时间等参数共同确定。频率范围是指随机信号的有效频率成分的带宽。加速度谱密度（或称功率谱密度）是指每单位频率上的能量，其单位为g2/Hz。加速度谱密度的频谱是指随机振动能量在整个频率范围上的分布。总均方根加速度是施加给产品的总能量的标志。试验持续时间通常由试验目的和试验的能级等因素来确定，对于特别重要的产品也可根据其寿命来确定。
2.1 随机振动所需推力的计算
随机振动所需推力通常指随机均方根推力，是表征随机振动总能量的统计参数。计算公式如下：
F=marms其中：m为运动系统的质量总和（动圈质量+试件质量+夹具质量+滑台滑板和连接件质量）；arms为随机振动的加速度总均方根，单位为m/s2。由于试件是弹性体，所需推力用适合于刚体的公式计算，其结果只是一个估算。按经验F应乘一个1.2系数。即：FX=1.2F（FX应小于或等于所用振动台的额定推力）。
2.2 随机振动均方根值的计算
随机振动试验条件一般给出功率谱密度与频率的关系曲线（PSD图形）。首先必须计算出总均方根加速度，这是估计振动台推力所必须的，总均方值等于PSD曲线下所包含的面积，只要将曲线下总面积和计算出来再开方就得出总均方根加速度。这种计算方式是近似的，它与实际用计算机按真实图形计算出来的值相比，数值偏大，但实际误差不大，大约在15%左右。
2.3 随机振动最大位移的计算
由于振动台的位移有限，所以在试验前必须对可能达到的最大位移进行估算。以避免试验时振动台超行程，造成振动台损坏。在工程上我们常用如下公式来估算：XPP=1067[W0/F03]1/2式中XPP是最大的峰峰位移（mm），W0为F0处的PSD值（g2/Hz），F0为低频限（Hz）。
3.随机振动试验的超差中断分析
在作者实验室现场随机振动试验中，某些频率域经常会出现超差现象，而引起试验中断。一般来说，振动台台面特性、振动夹具特性和安装方式、传感器特性和安装方式等因素都能引起超差现象。现将相关因素特性分析归纳如下：
3.1 振动台台面特性
电动振动台一般由水平台面和垂直台面两部分组成。水平台面的材料是镁铝合金，传递特性非常好，如果控制点安装在水平台面上基本不会出现超差现象，除非出现紧固螺钉松动的情况。而垂直台面则不同，不管是材料还是结构都很难达到滑台的标准，传递特性差，在试验中易产生超差中断。
3.2 振动夹具特性和安装方式
当试件体积比较小，而且形状比较规则时，试件可以用螺杆、压板的方式把试件牢牢的固定在振动台面衬套螺钉上。但当试件体积较大，而且形状复杂时，这种固定方法显然很困难，这时需要制作夹具，让试件安装在夹具上然后把夹具牢固地固定在振动台面上，因此实际上夹具是试件与振动台面连接的过渡体，其功能是将振动台的振动和能量不失真的传递给试件。通常在夹具设计时，要对夹具的材料进行分析比对，要考虑夹具材料的刚度和疲劳特性，刚度不足样品容易损坏，要想提高响应频率，就要尽量减轻夹具的质量。
3.3 传感器特性和安装方式
压电式加速度传感器是振动测试的最主要传感器。选用压电式加速度传感器时，一般从传感器的灵敏度与量程范围以及测量频率范围进行考虑。传感器的安装方式很重要，一般常用螺栓固定法和粘贴固定法进行安装。控制传感器应安装在控制点上，控制点应选择国定点或尽可能靠近固定点并与固定点刚性连接。可以选在试件与夹具的分离面上，也可以选在夹具与振动台的分离面上。加速度传感器安装好之后，将导线连接好，并将导线用胶布固定在试件或夹具上，避免导线头和传感器产生相对移动。
4.随机振动试验中常见问题解决方法
4.1 振动试验设备选择
在进行振动试验时，首先需选择合适的振动试验设备。而通过随机振动均方根值、随机振动所需推力和随机振动最大位移计算结果，结合振动试验设备的技术参数，可以合理选择相应的振动台，来完成相關随机振动试验。也可判断出试验室现有的振动试验设备能否满足试验大纲中的试验要求。
4.2 随机振动试验的超差中断解决方法
在随机振动试验中，出现超差中断时，只有采取有效的解决方法，方可继续进行试验。针对超差因素特性分析，将解决方法归纳如下：
（1）当在垂直台面上振动时，低量级的时候就有超差现象，而且振动的声音比较尖锐，有杂音，此时应该更换振动台面，选用较小的质量轻的台面，或者直接固定在动圈上。如果样品较大，建议使用更大推力的振动台，条件允许的话还可以到水平滑台上进行垂直方向的振动。
（2）如果振动夹具特性不好，在高频阶段的共振峰值比较多，对于大量级的随机振动试验，就很容易出现超差现象。在夹具安装中，夹具固定螺钉必须均匀分布，尽可能让夹具的固定平面与台面完全接触，条件允许的话多固定几个点。如果超差依然存在，可以适当地在台面刚性强的地方增加控制点。
（3）在大量级随机振动试验时经常会出现，在预试验的时候控制信号比较正常，一旦加到满量级，低频阶段控制信号会向上超出容差线。此时可以判断是传感器特性差引起的超差。此时应选用稳定性好的传感器进行试验。
试验时，如果台面符合试验要求，夹具安装正确，控制传感器也没有问题，还有超差现象，可适当降低分析谱线。另外削波因子能限制随机过程的瞬时值，当只有个别频率点超差时，可以加大削波因子，以保证试验顺利进行。
5.结论
随机振动试验的测试系统较为复杂，技术难度较大，从开始进行试验时应考虑到各方面的情况。本文从常用参数识别与计算、超差中断分析及处理等方面入手，切实解决了随机振动试验中常见问题。
参考文献
[1] GJB150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》。
[2] 胡志强，洪宝林等.随机振动试验应用技术.中国计量出版社，1996.12。
[关键词]随机振动试验 常见问题 分析说明 解决方法
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0020-01
1.引言
产品在运输和实际使用中所遇到的振动一般都是随机振动，利用随机振动试验来考核产品才能更真实地反映产品对振动环境的适应性和考核其结构的完好性。据统计，在作者所在实验室现场振动试验中，随机振动试验大约占有60%的比例。且作者在实验室完成随机振动试验时，经常会遇到一些问题，例如：怎样才能选择合适的振动设备；怎样才能解决试验过程中超差中断问题等。因此，如何克服随机振动试验中常见问题，保证试验顺利进行，是作者所关心的问题，也是当前必须解决的问题。
2.随机振动试验的参数计算及分析
随机振动的试验条件由频率范围、加速度谱密度、加速度谱密度的频谱、总均方根加速度和试验持续时间等参数共同确定。频率范围是指随机信号的有效频率成分的带宽。加速度谱密度（或称功率谱密度）是指每单位频率上的能量，其单位为g2/Hz。加速度谱密度的频谱是指随机振动能量在整个频率范围上的分布。总均方根加速度是施加给产品的总能量的标志。试验持续时间通常由试验目的和试验的能级等因素来确定，对于特别重要的产品也可根据其寿命来确定。
2.1 随机振动所需推力的计算
随机振动所需推力通常指随机均方根推力，是表征随机振动总能量的统计参数。计算公式如下：
F=marms其中：m为运动系统的质量总和（动圈质量+试件质量+夹具质量+滑台滑板和连接件质量）；arms为随机振动的加速度总均方根，单位为m/s2。由于试件是弹性体，所需推力用适合于刚体的公式计算，其结果只是一个估算。按经验F应乘一个1.2系数。即：FX=1.2F（FX应小于或等于所用振动台的额定推力）。
2.2 随机振动均方根值的计算
随机振动试验条件一般给出功率谱密度与频率的关系曲线（PSD图形）。首先必须计算出总均方根加速度，这是估计振动台推力所必须的，总均方值等于PSD曲线下所包含的面积，只要将曲线下总面积和计算出来再开方就得出总均方根加速度。这种计算方式是近似的，它与实际用计算机按真实图形计算出来的值相比，数值偏大，但实际误差不大，大约在15%左右。
2.3 随机振动最大位移的计算
由于振动台的位移有限，所以在试验前必须对可能达到的最大位移进行估算。以避免试验时振动台超行程，造成振动台损坏。在工程上我们常用如下公式来估算：XPP=1067[W0/F03]1/2式中XPP是最大的峰峰位移（mm），W0为F0处的PSD值（g2/Hz），F0为低频限（Hz）。
3.随机振动试验的超差中断分析
在作者实验室现场随机振动试验中，某些频率域经常会出现超差现象，而引起试验中断。一般来说，振动台台面特性、振动夹具特性和安装方式、传感器特性和安装方式等因素都能引起超差现象。现将相关因素特性分析归纳如下：
3.1 振动台台面特性
电动振动台一般由水平台面和垂直台面两部分组成。水平台面的材料是镁铝合金，传递特性非常好，如果控制点安装在水平台面上基本不会出现超差现象，除非出现紧固螺钉松动的情况。而垂直台面则不同，不管是材料还是结构都很难达到滑台的标准，传递特性差，在试验中易产生超差中断。
3.2 振动夹具特性和安装方式
当试件体积比较小，而且形状比较规则时，试件可以用螺杆、压板的方式把试件牢牢的固定在振动台面衬套螺钉上。但当试件体积较大，而且形状复杂时，这种固定方法显然很困难，这时需要制作夹具，让试件安装在夹具上然后把夹具牢固地固定在振动台面上，因此实际上夹具是试件与振动台面连接的过渡体，其功能是将振动台的振动和能量不失真的传递给试件。通常在夹具设计时，要对夹具的材料进行分析比对，要考虑夹具材料的刚度和疲劳特性，刚度不足样品容易损坏，要想提高响应频率，就要尽量减轻夹具的质量。
3.3 传感器特性和安装方式
压电式加速度传感器是振动测试的最主要传感器。选用压电式加速度传感器时，一般从传感器的灵敏度与量程范围以及测量频率范围进行考虑。传感器的安装方式很重要，一般常用螺栓固定法和粘贴固定法进行安装。控制传感器应安装在控制点上，控制点应选择国定点或尽可能靠近固定点并与固定点刚性连接。可以选在试件与夹具的分离面上，也可以选在夹具与振动台的分离面上。加速度传感器安装好之后，将导线连接好，并将导线用胶布固定在试件或夹具上，避免导线头和传感器产生相对移动。
4.随机振动试验中常见问题解决方法
4.1 振动试验设备选择
在进行振动试验时，首先需选择合适的振动试验设备。而通过随机振动均方根值、随机振动所需推力和随机振动最大位移计算结果，结合振动试验设备的技术参数，可以合理选择相应的振动台，来完成相關随机振动试验。也可判断出试验室现有的振动试验设备能否满足试验大纲中的试验要求。
4.2 随机振动试验的超差中断解决方法
在随机振动试验中，出现超差中断时，只有采取有效的解决方法，方可继续进行试验。针对超差因素特性分析，将解决方法归纳如下：
（1）当在垂直台面上振动时，低量级的时候就有超差现象，而且振动的声音比较尖锐，有杂音，此时应该更换振动台面，选用较小的质量轻的台面，或者直接固定在动圈上。如果样品较大，建议使用更大推力的振动台，条件允许的话还可以到水平滑台上进行垂直方向的振动。
（2）如果振动夹具特性不好，在高频阶段的共振峰值比较多，对于大量级的随机振动试验，就很容易出现超差现象。在夹具安装中，夹具固定螺钉必须均匀分布，尽可能让夹具的固定平面与台面完全接触，条件允许的话多固定几个点。如果超差依然存在，可以适当地在台面刚性强的地方增加控制点。
（3）在大量级随机振动试验时经常会出现，在预试验的时候控制信号比较正常，一旦加到满量级，低频阶段控制信号会向上超出容差线。此时可以判断是传感器特性差引起的超差。此时应选用稳定性好的传感器进行试验。
试验时，如果台面符合试验要求，夹具安装正确，控制传感器也没有问题，还有超差现象，可适当降低分析谱线。另外削波因子能限制随机过程的瞬时值，当只有个别频率点超差时，可以加大削波因子，以保证试验顺利进行。
5.结论
随机振动试验的测试系统较为复杂，技术难度较大，从开始进行试验时应考虑到各方面的情况。本文从常用参数识别与计算、超差中断分析及处理等方面入手，切实解决了随机振动试验中常见问题。
参考文献
[1] GJB150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》。
[2] 胡志强，洪宝林等.随机振动试验应用技术.中国计量出版社，1996.12。