一起了解正弦试验

       一般谈及振动试验，我们常常首先想到的就是正弦、随机、冲击等试验类型。确实，正弦试验是我们经常碰到的试验类型，也是发展较早的一种振动。通过正弦试验，我们可以在实验室内模拟产品在运输、使用过程中所可能经受到的正弦振动及其影响。例如车辆、船舶和电子元器件的旋转、脉动等所引起的振动都是正弦振动。

       在正弦振动试验的发展过程中，最早采用的是定频振动，后发展到扫频振动。而对扫频振动来说，最开始是线性扫频，后面发展到目前的对数扫频。通常来说，我们通过正弦振动试验，可以搜索出结构的初始共振频率，经过定频或扫频处理，再次进行共振频率检查，以确定产品通过耐振处理后的可靠程度。

       今天我们就以VENZO 880振动控制器的正弦模块为基础，一起来了解正弦试验，希望通过本文的介绍，能给大家在工作和学习中提供一些有意义的参考！

 

PART1 正弦振动的介绍

 

       物体的运动量随时间按正弦函数变化的运动称为正弦振动，它是一种周期性振动，也称为简谐振动，如下图所示为100Hz的正弦信号，其振动周期T=1/f=0.01s，即10ms。

 

 

       从图中可以看出，正弦振动的幅值和相位随着时间而变化，且可以预测运动状态，其位移数学方程式为：

 

       D（t）=Dsin（ωt+φ）

 

       其中，

 

       D----位移峰值（m）；

       ω----角频率或角速度（rad/s，ω=2πf）；

       φ----初相位（rad）；

       t----时间（s）。

 

       通过一次微分和二次微分可以得到速度和加速度的数学方程式，

 

       V（t）=ωDsin（ωt+φ+π/2）

       A（t）=ω^²Dsin（ωt+φ+π）

 

       从上面三个公式中，可以看出加速度和速度及位移的频率是相同的，但是相位上，速度比位移快π/2，加速度比位移快π。

       在正弦试验中，假设初相位为0，峰值可以用下面三个式子进行计算：

 

       A=（2πf）^²D

       V=2πfD

       A=2πfV

 

       由此可见，位移峰值D（m）、速度峰值V（m/s）、加速度峰值A（m/s2）、频率f（Hz）四个参数，只要知道其中的两个，我们便可以快速计算出其它两个参数。

 

PART2 正弦试验的分类

 

       正弦试验一般分为扫频试验和定频试验两种。

 

• 扫频试验

       扫频试验是指在试验过程中维持一个或两个振动参数（位移、速度或加速度）量级不变，而振动频率在一定范围内连续往复变化的试验。

       扫频又分为线性扫频和对数扫频。线性扫频时，单位时间内扫过的频率是固定的，其扫频速度单位为Hz/s或Hz/min。而对数扫频时，频率按对数变化，其扫频速度单位一般为oct/min（oct是倍频程）。这里给大家简要说明一下倍频程的概念。如果上限频率为fh，下限频率为fl，fh/fl=2的n次方，则下限频率到上限频率经过了n个倍频程。例如10Hz到40Hz是2个倍频程，从1000Hz到4000Hz也是2个倍频程。在对数扫频时，扫过这两个频段的时间是相同的。这也是在对数扫频试验时，我们总感觉低频扫得慢而高频扫得快的原因。

       扫频试验一般应用于产品振动频响的检查或在找不到危险频率时考核其耐振的能力。

       典型的对数扫频时域波形如下图所示：

 

 

• 定频试验

       试验过程中，频率始终不变的即定频试验。定频试验一般应用于模拟转速固定的旋转机械引起的振动或考核产品在预定危险频率处的耐振能力。

       典型的定频时域波形如下图所示：

 

 

PART3 正弦试验条件和容差

 

• 试验条件

       正弦振动试验条件包括频率范围、试验量级、扫频速度及试验时间。试验量级常以表格形式或幅频曲线的形式给出。下图为以幅频曲线形式给出的电容器电子元件典型的正弦高频振动试验条件：

 

 

       VENZO 880控制器软件正弦模块中，对上述试验条件进行扫频谱设置，设置10-2000Hz频率，低频恒位移，高频恒加速度，设置位移和加速度数值即可，如下图所示。

 

 

       试验条件中，扫频速度单位一般为oct/min或Hz/min，此时直接在控制软件中输入对应的速率数值即可。有些条件给的是在某频段内的扫频时间，比如10到2000Hz一次来回扫频时间20min，此时设置的扫频率单位为min/sweep，软件中sweep为单向扫频，所以设置为10min/sweep,如下图所示。

 

 

       试验持续时间一般会指定扫频的时间、次数或周期数。定频试验一般会指定定频的周期数。

 

• 试验容差

       试验容差也是试验条件的一部分，试验时能否满足容差要求决定了试验是否有效。根据国军标GJB360B的规定，元件正弦高频试验的容差为：

 

       A)幅值容差

       控制点：±10%

 

       B)频率容差

       10-100Hz：±0.5Hz；

       >100Hz：±5%。

 

PART4 正弦试验案例

 

       VENZO 880振动控制器软件的正弦模块可满足国军标、国标、国际标准、产品行业标准等标准的试验需求。下面我们进行一个正弦试验的案例：

 

       ■ 某汽车发动机部件的扫频试验

 

• 试验条件：

       根据QCT413-2018的试验要求，产品应能经受X/Y/Z三个方向的扫频振动试验。根据产品的安装部位，其扫频振动试验的严酷度等级如下表所示。

产品通常在不工作及正常安装状态下经受试验。产品经振动试验后，零部件应无损坏，紧固件应无松脱现象，性能应符合3.2规定。

 

 

       现对某发动机上的某部件进行Z向的正弦扫频试验，按注2说明将试件安装在台面上。

 

 

       传感器使用IEPE传感器，灵敏度为9.8mv/g，软件设置如下图所示：

 

 

       对扫频谱进行设置，该试验条件有跳变点，跳变点频率设置两次即可，位移峰峰值为幅值的2倍，所以分别设置5mm和0.32mm，如下图所示：

 

 

       对计划表进行设置，扫频上下限频率设置好，试验时间8小时，如下图所示。

 

 

       确认硬件设备及线缆连接正确，即开始试验，试验运行曲线如下图所示。