1.2　振動、沖擊環境與試驗的內容

振動是機械系統在其平衡位置附近的往復運動；沖擊是系統受到瞬態激勵，其力、位移、速度或加速度發生突然變化的現象。

為研究與認識振動、沖擊，首先必須區分其不同類別，掌握表征各類振動的描述方法。振動分為確定性振動和隨機振動。確定性振動包括周期振動和非周期振動。

對于確定性振動、沖擊等動態信號，所測量的時間歷程中計算的有效值、峰值等信息僅反映了其大小，不能反映振動的快慢等動態特性，需要將測量的隨時間域變化的信號轉變為頻域中的幅值分布。正弦定頻振動的時域與頻域表示如圖1-1所示。

隨機振動是一種非周期的、不可重復的振動，不能用精確的數學表達式描述，只能用統計的方法來描述。對于隨機振動，單個樣本不能反映隨機振動的全部頻域特征，需要對相關函數進行傅里葉變換，得到頻率域中的有效值或均方值分布，即轉換為隨機振動的自功率譜密度進行分析。

理論上，一個隨機振動有著無限多個樣本，而實際上，只能對有限幾個樣本進行測量分析，有限的樣本必然會帶來誤差。對于隨機過程是各態歷經過程的情況，按理說它的一個樣本就足以代表該過程的無限樣本集合，但對于各態歷經過程，只有在平均時間為無限大時，單個樣本的時間平均特性才等同于其集合平均特性。由于我們只能分析有限長度的樣本，所以仍然會帶來誤差。因此，需要對隨機振動的自功率密度誤差進行分析，采取平均等手段降低分析誤差。

產品受振動作用產生振動響應，響應的大小取決于激勵的大小和產品本身的特性。為研究產品的振動特性，需要利用力學原理建立產品的動力學模型。研究產品的振動特性所采用的這類模型，稱為振動系統。振動系統由質量、阻尼、彈性等物理量組成。振動系統具有一定的質量，所以運動時具有動能；振動系統具有一定的彈性，所以運動時具有勢能，兩種能量不斷轉換；實際的系統還存在一定的阻尼，使振動衰減。

最簡單的振動系統是只有一個質量的彈簧，稱為單自由度系統，在受初始擾動后，質量將在平衡位置往復運動，無阻尼時，運動的位移、速度、加速度等物理量按正弦規律變化，稱為簡諧振動或正弦振動，振動的頻率取決于系統的質量和彈性系數等固有特性。若系統是由多個集中質量組成的多自由度系統，則其固有頻率也有多個，對某一特定的固有頻率，系統的各集中質量按一定的振型進行振動。振型由系統的固有特性確定。固有振型與固有頻率稱為系統的固有模態。

根據激勵信號與振動系統的響應信號，便可計算振動系統的固有頻率、振型、模態質量和模態阻尼等模態參數，以及彈性模量、彈性剛度等物理參數。具體的分析方法可分為時域法、頻域法等。時域法直接將時域響應用計算機進行處理，得到模態參數。頻域法根據頻率響應函數矩陣，由模態分析軟件對數據進行擬合，得到模態參數。各種方法各有優缺點。

基于振動失效模式的破壞特性，在振動系統響應的基礎上人們提出了振動破壞模型，用于指導工程應用。這些破壞模型主要集中于疲勞損壞和峰值破壞兩類假設。產品受振動作用時，振動的量值若超過設備、產品的極限耐振動值，則將導致設備、產品破壞，稱為峰值破壞。峰值破壞模型主要針對功能故障模式。若設備、產品長期受振動或沖擊作用，則產生的破壞稱為疲勞損壞。疲勞損壞模型主要針對耐久故障模式。

為研究振動系統的特性，考核產品承受振動和沖擊的能力，制定實驗室振動試驗條件，振動環境的測量是必不可少的手段。

為適應各種場合振動測量的需要，研究人員研制了各種原理的振動傳感器，如壓電式傳感器、壓阻式傳感器、伺服式傳感器、電渦流式傳感器等。目前，應用最廣泛的是利用慣性原理的絕對式壓電加速度傳感器，它利用質量塊、彈簧組成的單自由度系統對外界振動頻率響應的平直段來進行測量。

振動測量屬于動態測量的范圍。為增加信噪比，提高抗干擾能力，減小隨機誤差，動態測量需將傳感器測量的電信號經過放大、濾波等失調環節做適當調節，對測量結果進行顯示、分析。

模態式分析存在分析速度慢、精度低、分辨率不高等問題。建立在快速傅里葉變換基礎上的數字信號分析方法，得到了迅速的發展和廣泛的應用。由于工程中的振動、沖擊等物理量是隨時間連續變化的，使用計算機處理需要將模擬信號轉變為數字信號。將連續的隨時間變化的信號轉變為離散的數字信號的過程稱為采樣。時域采樣將產生頻率混疊的問題，為避免出現混疊，需在采樣前增加低通濾波器。

為消除噪聲干擾及動態范圍和分辨率不夠等因素的影響，對振動環境的數字信號需進行數據預處理、數據檢查與分離等工作。

為考核在最惡劣的振動環境應力作用下設備、產品的工作狀態或輸入/輸出特性是否發生不允許的變化，以及各構件的連接、固定、安裝、變形及間隙限制之類的工藝要求是否受到破壞，通常在實驗室要進行振動功能試驗。振動功能試驗按峰值破壞模型處理。

為確保設備、產品在整個壽命周期的結構完整性和功能、性能不發生不允許的變化，要在實驗室進行長時間的振動試驗。例如，軌道交通產品中的長壽命試驗、道路車輛產品主要考核由疲勞引起的失效模式及核電站設備要做的老化試驗等，都是按疲勞損壞模型處理的。

將現場平臺環境的振動數據轉換為設計與實驗用的振動環境條件還需要做很多工作，原因是實測數據在產品壽命周期不同階段可能是多種多樣的，而作為產品設計和試驗依據的環境條件要求則相對簡單和統一。這些工作主要集中于兩個方面：一方面是如何對多次測量的數據進行歸納處理，目前，主要采用統計歸納的方法，即給出一定置信度下環境的上限；另一方面是如何將壽命周期內各種差異顯著的振動環境數據統一為少數幾種典型的環境條件。

當有大量可用的實例環境數據時，依據統計歸納方法所確定的環境條件最能符合實際情況。但工程上需要在實測環境數據很少，甚至根本沒有的情況下制定環境條件。例如，飛機等需要研制生產出來并經過多次飛行試驗后才能得到可供統計分析的大量實測環境數據，而飛機研制總要求在設計之前提供環境條件，用于在研制中進行相應的設計和試驗考核，以保證飛行試驗的成功。因此，確定振動環境條件本身的需求和產品研制對振動環境條件的需求往往是矛盾的。在這種情況下，采用環境預估技術是解決問題的必然條件，而預估的準確性將直接影響環境條件制定的合理性。振動環境預估目前主要有兩類方法：一類是相似產品外推方法，另一類是計算分析方法。

產品對振動環境的適應性是產品在壽命周期內預計在可能的振動環境作用下能實現其功能和性能不被破壞的能力，是通過設計過程反映于產品之中的一種固有的質量特性。振動環境適應性設計主要包括兩方面的技術：一方面是振動環境加固設計，即增強產品自身的抗振能力；另一方面是振動環境控制設計，即通過各種緩沖減振措施降低產品經受的振動環境量級。

沖擊的特點是持續時間短、量值大。沖擊響應就是系統在受到短暫的非周期激勵下的響應。對于工業實際問題，由于沖擊帶來的嚴重破壞性，對沖擊的研究引起了人們的重視。尤其是經常用到的半正弦波、后峰鋸齒波等幾種經典沖擊波形的頻域特征及實驗方法。由于產品所承受的沖擊實際上是一種復雜的瞬態振動，因此采用等效損傷原理提出和規定的半正弦波、后峰鋸齒波不可能模擬實際復雜的沖擊振動環境，它是一種早期解決實驗室模擬現場沖擊并一直沿用至今的方法。而沖擊響應譜是裝備與產品受沖擊后的響應，裝備與產品按沖擊響應譜設計是最接近現場使用的，用沖擊響應譜試驗效果比較接近實際使用環境，在試驗中能充分暴露沖擊環境造成的故障，因此，沖擊響應譜試驗方法是主要的方法之一。