正弦振動試驗是試驗室經(jīng)常采用的試驗方法。凡是旋轉(zhuǎn)、脈沖、振蕩（在船舶、飛機(jī)、車輛、空間飛行器上）所產(chǎn)生的振動均是正弦振動。

要模擬這些振動環(huán)境，需用正弦振動試驗。當(dāng)振動環(huán)境是隨機(jī)的，但又無條件做隨機(jī)振動試驗時，某些情況下可以用正弦振動試驗來代替（不是等效）。此外，振動特性試驗中，用正弦信號激振是最基本的方法。正弦振動試驗控制的參數(shù)主要有頻率及幅值兩個，依照頻率是否改變可分為定頻和掃頻兩種。

1.正弦振動試驗準(zhǔn)備

① 試驗夾具的選取與設(shè)計

通常，振動臺面上有許多安裝螺孔，試件也有安裝固定孔。這兩者的孔一般是不一致的。為了將試件牢固地固定于振動臺面上，就必須使用夾具。初看起來夾具僅是連接或轉(zhuǎn)接件，似乎很簡單，但實際上夾具是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，因為振動夾具不僅要將試件與振動臺面連接在一起，而且還要將振動力不失真地傳遞給試件。

而振動力的傳遞與頻率有關(guān)，低頻一般比較簡單，高頻就難了。因為夾具也有共振頻率，在夾具共振時，振動力的傳遞肯定失真。另外，振動夾具質(zhì)量還必須盡可能小。

試件安裝的第一步是將試件牢固地固定在振動臺上，一些小試件或外殼能受力的試件可以用壓板、壓條固定（一定注意根據(jù)杠桿原理有支點、加力點和承力點，即必須有三點，否則固定不緊）。較復(fù)雜的試件或尺寸較大的試件必須用振動夾具。如果通用夾具能用，可選通用夾具；如果通用夾具不能用，就需設(shè)計制造專用振動夾具。

試件與夾具或夾具與振動臺面連接點都稱為固定點（通常是緊固試件的地方）。固定點一般多一些好，同一平面最少應(yīng)均布四個孔。連接時，螺栓緊固最好采用測力扳手，扭轉(zhuǎn)力矩根據(jù)振動臺說明書決定，扭轉(zhuǎn)力矩太大會損壞振動臺面的螺紋孔，扭轉(zhuǎn)力矩太小固定不緊。如果振動臺使用說明書未給出這樣的數(shù)據(jù)，則可以使用彈簧墊圈，以彈簧墊圈壓平為緊固的標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)經(jīng)驗）。

② 控制加速度計的安裝

控制傳感器應(yīng)安裝在控制點上，控制點應(yīng)選擇固定點或盡可能靠近固定點并與固定點剛性連接�？梢赃x在試件與夾具的分離面上，也可以選在夾具與振動臺的分離面上。選在試件與夾具分離面上比較合理，排除了夾具對振動傳遞造成的影響，但控制點是用來取得反饋信號以測量試件運動和驗證試驗要求的點，它可以是單個點，也可以是多個點（多點控制時的控制點是用人工和自動方法綜合處理各控制點信號而建立起來的一個假設(shè)點）。

③ 控制加速度計的安裝是極為重要的，安裝不好將直接影響試驗的結(jié)果。

所以，控制加速度計必須選擇質(zhì)量高的加速度計。安裝方式可以用螺釘固定，為了防止干擾，通常在加速度計下面加上絕緣塊（玻璃鋼或夾布膠木），用兩個分離的螺釘分別固定絕緣塊和加速度計。也可以用膠黏結(jié)，黏結(jié)不破壞夾具或臺面，但連接強(qiáng)度不如螺接，振動量級不太大（小于20g）時可使用。

加速度計安裝好之后，將導(dǎo)線連接好，并將導(dǎo)線用膠布固定在試件或夾具上，避免導(dǎo)線頭和加速度計產(chǎn)生相對運動（若導(dǎo)線頭與加速度計有相對運動時易松動），容易產(chǎn)生干擾，而且導(dǎo)線頭容易松動。

④ 測量加速度計的安裝。

測量加速度計的安裝與控制加速度計的安裝類似，但測量點必須選在試件剛性較大的地方，否則測出的振動可能是局部振動，并不反映測點總體的振動情況。

⑤ 控制儀的設(shè)置。

正弦振動控制儀有多種多樣，試驗前為將儀器設(shè)置好，一般先要了解清楚試驗條件。正弦掃描設(shè)置比較麻煩，首先設(shè)置頻率的上下限，然后設(shè)置掃描方式（對數(shù)還是線性，從下向上掃，還是從上向下掃，或是來回掃），設(shè)定掃描次數(shù)，再設(shè)置掃描速度（dec/min 或 Hz/s）或掃描一次的時間。其次設(shè)置試驗量級，先設(shè)置交越點而后設(shè)置試驗量級（位移、速度或加速度）。

最后設(shè)置壓縮速度或壓縮速率，這是比較難選擇的內(nèi)容，壓縮速度太快會出現(xiàn)控制不穩(wěn)定，當(dāng)外界一有變化，控制儀立刻做出反應(yīng)，很快改變輸出，常常會把振動臺壓死（不振）。反之當(dāng)壓縮速度太慢，則振動控制往往容易超差。因此，必須選擇合理的壓縮速度。

而它又與許多因素有關(guān)。如掃描速度、試驗頻率特性、可允許的失真度、從動濾波器帶寬、最低掃描頻率等。所以，無法用簡單的方法來確定合理的壓縮速度。許多儀器都設(shè)有自動壓縮功能，能滿足低頻壓縮速度低而高頻壓縮速度高的特點。

控制允差和保護(hù)限的設(shè)置也是控制儀設(shè)置的一項重要內(nèi)容。目前許多試驗條件并沒有給允差限，然而，試驗誤差是客觀存在的，國標(biāo)GB/T 2423.10和標(biāo)準(zhǔn)GJB 150對正弦試驗誤差的規(guī)定如表1所示。

表1 正弦振動的試驗容差表

⑥ 試驗系統(tǒng)的導(dǎo)通

無論是控制系統(tǒng)或測量系統(tǒng)，為確保試驗的正常進(jìn)行，必須在試驗前對各系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)通，保證控制回路、測量通道都是暢通的。各系統(tǒng)均有多個儀器用導(dǎo)線連接而成，連接是否可靠，一方面可以從外觀檢查，如接頭是否擰緊、電源插頭是否插好。

常用的方法是敲擊加速度計附近的區(qū)域，從儀器上看是否有反應(yīng)，反應(yīng)是否正常。如系統(tǒng)連接有問題，或其中某臺儀器沒打開，都可以被發(fā)現(xiàn)。導(dǎo)通也可以用別的辦法，如有些功放自身帶有信號發(fā)生器，也可以開環(huán)給振動臺和試件一個單頻小振動（小于試驗條件的 1/4 量級），觀察各儀器的指示和反應(yīng)判斷是否正常。

⑦ 試驗準(zhǔn)備工作的總檢查

試驗準(zhǔn)備工作就緒以后，必須對各項試驗工作進(jìn)行一次總檢查，對每一項準(zhǔn)備工作進(jìn)行評價，這在大型試驗中尤為重要。大型試驗一般安裝復(fù)雜，測點多，因此，總檢查是十分必要的。例如，測量系統(tǒng)、加速度計的安裝、加速度計與電荷放大器的連接、電荷放大器與記錄儀的連接、電荷放大器靈敏度的設(shè)置、輸出擋位設(shè)置、高低通濾波器的設(shè)置等都需要專人負(fù)責(zé)，并由另一專人負(fù)責(zé)校對，最后進(jìn)行總檢查。測點一多，只要錯一個環(huán)節(jié)，可能造成整個測量不準(zhǔn)確。經(jīng)驗證明，即使有專人設(shè)置、校對、總檢查，如果稍不注意，仍會出現(xiàn)錯誤。

實際試驗中可將容差限設(shè)置為報警限，試驗中止限應(yīng)比報警限更大。為保證試件的安全，先進(jìn)的儀器有許多保護(hù)功能，如開路保護(hù)（無反饋信號時立即停機(jī)），-20dB輸出（最大輸出為1V），控制量級超過規(guī)定值的多少dB值就停機(jī)等。

控制儀的設(shè)置是試驗的重要環(huán)節(jié)，一旦試驗開始，整個試驗就將按設(shè)置的內(nèi)容進(jìn)行，設(shè)置錯了，試驗也就錯了。設(shè)置時必須對每項要設(shè)置的內(nèi)容非常清楚，設(shè)置完后必須有專人校對。確認(rèn)無誤后，才開始試驗。

2.預(yù)試驗

在正式試驗以前要進(jìn)行預(yù)試驗。預(yù)試驗的目的有兩個：一是振動試驗本身需要了解各系統(tǒng)的配合情況，需要知道試件初始的振動響應(yīng)值；二是振動試驗中有時還要對試件性能進(jìn)行測試，試件的測試往往由試件生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)。因此，在正式試驗前有必要進(jìn)行聯(lián)合試驗。觀察各系統(tǒng)一起工作有無相互干擾問題。如果有，必須在正式試驗前排除。

① 對試件進(jìn)行檢查和機(jī)械、電性能的檢測。在試驗前必須對試件的原始狀態(tài)進(jìn)行檢查和詳細(xì)記錄。

② 初始振動響應(yīng)檢查。使用正式試驗的1/4頻級，用1倍頻程/min掃描率，進(jìn)行正弦掃描試驗，試驗時記錄全部測試結(jié)果。試件同時工作并進(jìn)行測試，如果試件工作時影響機(jī)械振動特性，應(yīng)將試件處于不工作狀態(tài)，再進(jìn)行一次掃描預(yù)試驗。

由于預(yù)試驗是在小量級下進(jìn)行的，如果需要，可以多次重復(fù)，直至達(dá)到預(yù)試驗?zāi)康臑橹埂?/span>

3.正式試驗

正式試驗應(yīng)嚴(yán)格按照試驗條件和試驗任務(wù)書的要求進(jìn)行。正式試驗必須統(tǒng)一指揮，分工明確。試驗中指派專人負(fù)責(zé)觀察試件，了解試件在整個試驗中的變化并進(jìn)行記錄。

4.最終的振動響應(yīng)檢查

在正式試驗結(jié)束后，再進(jìn)行一次附加的振動響應(yīng)檢查，方法與初始振動響應(yīng)檢查一樣，以便對比試驗前后的振動特性，從而初步確定試驗之后是否有損傷。

一般需進(jìn)行 x，y，z 三個方向的試驗，通常依次進(jìn)行，每個方向均應(yīng)重復(fù)步驟1～4。

5.試驗善后工作

當(dāng)全部試驗內(nèi)容進(jìn)行完之后，觀察試驗結(jié)果及測試數(shù)據(jù)（包括振動和試件性能參數(shù)）。若比較滿意，即可清理現(xiàn)場，將測試導(dǎo)線收好，取下表面的加速度計并清洗裝盒，把試件從振動臺上取下，恢復(fù)試驗前狀態(tài)，準(zhǔn)備下次試驗。

6.數(shù)據(jù)和結(jié)果整理

凡是試驗中測試的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行整理，判斷其是否正常，有疑問的數(shù)據(jù)要討論是否取舍，所有數(shù)據(jù)、表格、曲線均應(yīng)簽名并校對。

7.編寫試驗報告

許多真實的振動環(huán)境是隨機(jī)的，如噴氣式發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)引起的振動、車輛在不平路面行駛引起的振動、飛行器附面層紊流引起的振動等等。因此，要真實地模擬外場振動環(huán)境，隨機(jī)振動試驗是不可缺少的。隨機(jī)振動試驗遠(yuǎn)比正弦振動試驗復(fù)雜。下面詳細(xì)介紹隨機(jī)振動試驗的有關(guān)內(nèi)容。

1.隨機(jī)振動試驗和正弦振動試驗的等效問題

當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)許多振動環(huán)境是隨機(jī)的，而用正弦振動試驗不能解決隨機(jī)的工程問題時，就希望進(jìn)行隨機(jī)試驗。正弦振動與隨機(jī)振動不存在一般的等效關(guān)系。只是在振動強(qiáng)度中正弦振動和隨機(jī)振動按疲勞損傷原理存在某種等效，即

式中，A 為等效正弦振幅；r 為正態(tài)化系數(shù)；f 為頻率；Q 為放大系數(shù)（響應(yīng)/輸入）；W 為頻率f上的譜密度值。

這一公式常用于正弦掃描代替隨機(jī)振動，但使用條件是在共振峰附近，且局限于疲勞強(qiáng)度等效，而對于考核產(chǎn)品性能的試驗不適用。許多產(chǎn)品隨機(jī)振動試驗?zāi)芡ㄟ^但正弦振動試驗通不過，而實際環(huán)境又是隨機(jī)的。

正弦振動試驗的優(yōu)點如下：①是分析共振頻率和阻尼特性（共振時）的有用工具；②是研究振型的好方法；③試驗結(jié)果極易被工程技術(shù)人員理解和使用；④比隨機(jī)振動試驗經(jīng)濟(jì)，易于普及。

然而，隨機(jī)振動試驗在大多數(shù)情況下更代表實際環(huán)境，所有頻率成分同時激振而且各個頻率的輸入振幅是隨機(jī)變化的。一般，正弦振動試驗適合于試件的最初分析階段，而隨機(jī)振動試驗適用于最終檢驗。

2.隨機(jī)振動試驗的準(zhǔn)備

① 試驗夾具的選用和設(shè)計

進(jìn)行隨機(jī)振動試驗和正弦振動試驗一樣，首先應(yīng)將試件牢固地固定在振動臺臺面上。通常情況下必須借助于夾具。

在隨機(jī)振動試驗中，如果夾具選擇不好，除會使試件受到失真的振動考核外，還可能使振動控制變得困難，有些地方超差很嚴(yán)重，甚至使試驗難以進(jìn)行。隨機(jī)振動試驗比正弦振動對夾具設(shè)計與制作的要求更高，也更嚴(yán)。

② 試件的安裝

試件的安裝要求基本上與正弦試驗一樣，只是隨機(jī)振動更容易使緊固件振松。因此，在每次試驗前都應(yīng)檢查緊固件是否松動。在試驗過程中如果發(fā)現(xiàn)控制不穩(wěn)定，應(yīng)停機(jī)檢查緊固件和傳感器的連接，這兩種連接有問題時，都會造成控制不穩(wěn)定。

在擰緊安裝螺栓時應(yīng)該使用測力扳手。這樣既可以保證擰緊，又保證緊固件不受損傷。這里推薦對 M8 的螺栓擰緊力矩為3.46kg/m；對M10的螺栓擰緊力矩為7.6kg/m。如果沒有條件使用測力扳手，在擰緊螺栓時要保證彈簧墊圈剛剛壓平，不要用大扳手使勁擰，以防將螺紋擰壞或螺栓擰斷。

③ 控制加速度計和測量加速度計的安裝

試驗前必須按試驗條件的要求安裝好控制和測量的加速度計。安裝方法和注意要點與正弦試驗相同。為了防止靜電干擾，一般在加速度計和夾具或試件之間加絕緣片和絕緣塊，其中絕緣塊可以在三個垂直方向上粘加速度計。可用502膠黏結(jié)，也可以用小螺釘連接絕緣塊，另用小螺釘連接加速度計和絕緣塊。

④ 隨機(jī)振動控制儀設(shè)置

隨機(jī)振動試驗的試驗條件及控制參數(shù)均需要事先（試驗前）輸入控制儀，由于控制儀的種類不同，需要輸入的參數(shù)也不盡相同，這里只選較為通用的參數(shù)進(jìn)行說明。

選擇頻率范圍。大部分控制儀需要選擇頻率范圍。一般有幾檔供選擇，只要將試驗頻率上限值輸入，控制儀就可以自動選到級合適的頻率范圍。個別控制儀則不需要選，頻率范圍是固定的。

譜線數(shù)和自由度數(shù)的選擇。數(shù)控儀的分辨率是由譜線數(shù)決定的，試驗帶寬除以譜線數(shù)就是分辨率。例如，試驗頻率上限為 2000Hz，試驗帶寬也就是 2000Hz，如選 200線，則分辨率為 10Hz。選 400 線，則分辨率為 5Hz。常用的譜線數(shù)為 200、400 和800。譜線數(shù)越多，分辨率越高，但回路時間（即對輸出譜進(jìn)行一次修正的時間）也越長，也就是說要達(dá)到同樣精度時均衡的時間也加長。在選擇譜線數(shù)時，如果試驗規(guī)范譜形簡單，可以先選 200 線，只有當(dāng)它不能滿足要求時，例如，譜的設(shè)置由于分辨率不夠無法設(shè)置，或者某頻段內(nèi)均衡后超差嚴(yán)重等，再增加譜線數(shù)。

自由度數(shù)是統(tǒng)計學(xué)上的術(shù)語，它實質(zhì)上代表最后計算結(jié)果所具有的獨立變量（測量值）數(shù)。測量次數(shù)（平均數(shù)）越多，自由度數(shù)就越高。自由度數(shù)與功率譜控制精度要求、置信水平有關(guān)。一般儀器給出默認(rèn)值，即按回車鍵默認(rèn)值就進(jìn)入。

譜的設(shè)置。將試驗規(guī)范的譜形輸入控制儀，一般試驗功率譜密度曲線由折線組成，輸入前先要了解有幾個折點，每個折點處的功率譜密度值（PSD 值）和折點的頻率值，起始和最終折線的斜率（單位是 3dB/倍頻程）。如果規(guī)范給出的值與輸入值要求不同，應(yīng)該換算成要求的值，例如，規(guī)范譜一般起始和終點只給出頻率和斜率，而不給出 PSD 值，有些儀器輸入需要這點的 PSD 值，那么就需要計算，并按規(guī)范譜將各折點數(shù)據(jù)依次輸入儀器。

容差的設(shè)置。隨機(jī)振動試驗的容差由兩部分組成，即譜形的容差和均方根加速度的容差。前者是控制譜形的，后者是控制總能量的。而設(shè)置的容差又分為報警限和終止限，試驗中控制譜或均方根加速度超過報警限，儀器報警但不停止試驗；超過中止限就要切斷輸出，停止試驗。容差的設(shè)置一般應(yīng)按試驗條件的要求設(shè)置，可以全頻段只設(shè)一種，也可以分頻段設(shè)置不同值。如果試驗條件沒給出容差要求，推薦使用譜容差如下：報警極限±3dB，中止極限±6dB。均方根容差報警極限±5dB，中止極限±3dB。

有些儀器還要設(shè)置允許超過譜線的數(shù)目，這就與置信度有關(guān)，如果置信度為 90%，那么允許10%超限，即 400 線，可最多允許 40 條超限。雖然這種說法不是很嚴(yán)格，但一般試驗中可以這樣使用。

預(yù)試量級的設(shè)置。隨機(jī)振動試驗首先要在低量級下均衡，均衡完成后，逐步將量級升至試驗量級。通常均衡量級要很低，這樣不會對試件造成損傷。但低量級均衡到高量級做試驗會出現(xiàn)非線性問題，均衡好的譜還要修正。因此，在什么量級下進(jìn)行均衡、分幾個量級、用多長時間升到試驗量級都需要設(shè)置。如果試驗條件沒給出特殊要求的話，推薦設(shè)五個預(yù)置量級，即-12dB、-9dB、-6dB、-3dB、0dB，上升時間以 30～60s 為宜。GB/T 2423 規(guī)定，在正式隨機(jī)試驗前，所允許的預(yù)調(diào)激勵時間（即建立時間）如下：

a.小于規(guī)定量級的25%（-12dB），無時間限制。

b.在規(guī)定量級的25%～50%（-12～-6dB），其時間不大于規(guī)定時間的1.5倍。

c.在規(guī)定量級的50%～100%（-6～0dB），其時間不大于規(guī)定時間的10%。

上述建立的時間不應(yīng)從規(guī)定試驗中扣除。有些隨機(jī)振動試驗一共才幾十秒的時間，其預(yù)置量級上升的時間不能設(shè)得太長，但太短又恐怕不穩(wěn)定，造成短期過試驗。因此，對于時間不長的試驗，特別要注意在-3dB試驗量級上停留時間不能太長。如果試驗時間很長，如幾個小時，這些就無關(guān)緊要了。

⑤ 試驗系統(tǒng)的導(dǎo)通

試驗前，無論是控制系統(tǒng)還是測量系統(tǒng)，都需要導(dǎo)通。所謂導(dǎo)通，就是看系統(tǒng)連接是否有效、是否可靠，一般常用的方法是給試件及振動臺一個段擊，觀察傳感器、電荷放大器及示波器有無反應(yīng)。試驗前的導(dǎo)通工作十分重要，它是進(jìn)行安全試驗，提高測量可靠性的有效方法。

3.隨機(jī)振動的預(yù)試驗

一般大型隨機(jī)振動試驗在試驗準(zhǔn)備工作做完后都要進(jìn)行預(yù)試驗。其目的是通過小 t 級的振動試驗了解系統(tǒng)工作是否正常、試件安裝是否合適，并了解試驗的振動特性，觀察控制曲線和驅(qū)動曲線，估計正式試驗是否會出現(xiàn)什么問題，想辦法解決出現(xiàn)的各種問題。

① 用試驗量級的1/4（-12dB）進(jìn)行隨機(jī)振動的預(yù)試驗，時間為60s。記錄全部測點的影響，畫出控制曲線及驅(qū)動曲線，觀察功放最大的輸出電壓和電流。通過試驗了解各系統(tǒng)工作是否正常，控制曲線是否完全滿足容差要求，驅(qū)動曲線的動態(tài)范圍是否達(dá)到控制儀的極限，功放的最大輸出電壓和電流是否小于額定值的1/4。研究這些問題是為了估計滿t級試驗是否有把握，在預(yù)試驗中出現(xiàn)的問題必須解決，如果要解決的問題較多，預(yù)試驗還可以重復(fù)進(jìn)行，直至滿意為止。

②頻率特性測量

用正弦振動測量試件的頻率特性，選擇試件上有代表性的若干個測點，給振動臺面施加一定加速度值（由表 2給出），在整個試驗頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描試驗，掃描速率為1倍頻程，記錄各測點的頻率響應(yīng)曲線。

表2 頻率特性測量時附加的正弦掃描量級

③ 試驗件的初始檢查

許多試件要求在隨機(jī)振動試驗過程中進(jìn)行測試。因此，在正式試驗前必須對試件進(jìn)行初始檢查及通電測試，并記錄初始靜態(tài)數(shù)據(jù)，還可以利用預(yù)試過程觀察試件各參數(shù)在預(yù)試驗中的變化。

4.正式隨機(jī)振動試驗

預(yù)試驗順利后就可以開始正式試驗。正式試驗的注意事項和中斷處理與正弦試驗基本相同。其中要強(qiáng)調(diào)的是試驗由一個人統(tǒng)一指揮，各崗位分工明確，職責(zé)清楚，試驗中出現(xiàn)問題及時報告指揮，由指揮處理。每次試驗結(jié)束，要檢查一下控制曲線及測量信號是否已記錄下來。

一般試驗要進(jìn)行x，y，z，3 個方向的試驗，三個方向依次進(jìn)行，但換一個方向后應(yīng)從預(yù)試驗開始。因為更換方向，許多部分都要重新連接，重新安裝。

在每一方向正式試驗做完后，在同樣的狀態(tài)下，按預(yù)試驗中第二項再做一次頻率特性測量，使用的試驗參數(shù)完全相同，記錄下各測點的頻率響應(yīng)曲線。

5.數(shù)據(jù)處理及編寫試驗報告

正式試驗全部結(jié)束后，試驗現(xiàn)場可以清理，試件、夾具拆卸后分別送走，測量系統(tǒng)也要收線，拆下傳感器清洗處理后準(zhǔn)備下一次再用。