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振動耐久試驗——正弦掃頻

“振動耐久試驗,是在振動台上進行的長時間振動試驗。本文及之後的幾篇文章将詳細介紹振動耐久試驗的幾種常用試驗類型。”

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試驗目的

振動耐久試驗目的:

産品在實際應用中受到振動激勵(三個方向同時激勵),需要在振動台上進行加速考核或複現。

在試驗過程中可進行多個樣品的試驗,以提高置信度。

振動耐久試驗——正弦掃頻

圖0. 振動台豎直方向和水準方向簡圖

目前主流振動台多是單向振動,可将台體調節為豎直方向和水準方向(如圖0),進而實作對産品三個方向分别試驗。也有三向解耦的三軸振動台可以實作三個方向同時振動控制,但目前應用還不太廣泛。

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主要試驗類型

本文及之後的幾篇文章将介紹如下幾種常用試驗類型:

正弦掃頻:線性掃頻,對數掃頻

寬頻随機:高斯分布随機,非高斯分布随機

正弦疊加随機:着重介紹時域信号

沖擊:半正弦沖擊

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正弦掃頻——線性掃頻

線性掃頻,即每個時間段内均為純正弦信号,頻率線性變化(等差),幅值為定義的正弦掃頻曲線。

振動耐久試驗——正弦掃頻

圖1. 線性掃頻

圖1及視訊1中,掃頻從100Hz~400Hz,掃頻速率為:40Hz/s。頻率間隔設定為10Hz。

即:掃頻頻率為:100,110,120,……,400 Hz;各個單一頻率下停留時間為0.25s。

左上圖: 線性掃頻曲線;右上圖: 時域信号FFT變換

左下圖: 整體時域信号;右下圖: 目前頻率時域信号

視訊1. 線性掃頻

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正弦掃頻——對數掃頻

對數掃頻,即每個時間段内均為純正弦信号,頻率對數變化(等比),幅值為定義的正弦掃頻曲線。

振動耐久試驗——正弦掃頻

圖2. 對數掃頻

圖2及視訊2中,掃頻從100Hz~400Hz,掃頻速率為:16倍頻程/min。頻率等比間隔設定為:2的1/15次方。

即:掃頻頻率為:100,100*2^(1/15),100*2^(2/15)……,100*2^(30/15) Hz;各個單一頻率下停留時間為0.25s。

左上圖: 對數掃頻曲線;右上圖: 時域信号FFT變換

左下圖: 整體時域信号;右下圖: 目前頻率時域信号

視訊2. 對數掃頻

通過圖1,圖2的對比發現:

對數掃頻相對于線性掃頻,低頻停留時間長,高頻停留時間短。

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一個細節引起的問題

從視訊1,視訊2的最後可以看到:不論是線性掃頻,還是對數掃頻,用FFT的方法,計算出的峰值和峰值頻率總是和預設曲線存在一定偏差,如圖3。

例子中的時間視窗是0.25s,則FFT頻率分辨率為4Hz,而圖3中的正弦信号頻率為109.68Hz,是以FFT取到的峰值頻率為108Hz,那麼峰值也就和實際峰值存在偏差,這種偏差即使在FFT前使用窗函數也會存在。

振動耐久試驗——正弦掃頻

圖3. FFT計算,峰值及峰值頻率偏差

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問題的解答

上一節的問題,如果用獨立的數采系統進行振動采集的話,均會遇到,但是工程中這些偏差問題不大。

振動台自身的控制系統是如何避免此偏差的呢?實際上對于掃頻試驗來說,振動台的控制軟體不用FFT。

因其可以精确的知道目前的掃頻頻率。是以,個人認為:隻要用目前掃頻頻率的原始信号x(t)和同頻率的正餘弦信号進行相乘,然後求平均值,即可得到圖4中的黃色部分,進而精确得到幅值A。

該方法的具體計算可參見之前的文章2,文章3。

振動耐久試驗——正弦掃頻

圖4. 提取某已知頻率正餘弦信号幅值的計算過程

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後記

本文原計劃将振動試驗幾種常用試驗類型進行通篇介紹,但在對視訊1和視訊2程式設計的過程中發現了05節的問題,是以又花了些時間進行仔細研究,覺得有必要詳細解釋一下。

故後面幾篇文章每一篇都将單獨介紹一種試驗類型,如讀者對這幾種試驗類型中的一些細節問題比較感興趣,請留言告知,後續将盡力用通俗易懂的例子進行解釋。謝謝!