1.2　振动、冲击环境与试验的内容

振动是机械系统在其平衡位置附近的往复运动；冲击是系统受到瞬态激励，其力、位移、速度或加速度发生突然变化的现象。

为研究与认识振动、冲击，首先必须区分其不同类别，掌握表征各类振动的描述方法。振动分为确定性振动和随机振动。确定性振动包括周期振动和非周期振动。

对于确定性振动、冲击等动态信号，所测量的时间历程中计算的有效值、峰值等信息仅反映了其大小，不能反映振动的快慢等动态特性，需要将测量的随时间域变化的信号转变为频域中的幅值分布。正弦定频振动的时域与频域表示如图1-1所示。

随机振动是一种非周期的、不可重复的振动，不能用精确的数学表达式描述，只能用统计的方法来描述。对于随机振动，单个样本不能反映随机振动的全部频域特征，需要对相关函数进行傅里叶变换，得到频率域中的有效值或均方值分布，即转换为随机振动的自功率谱密度进行分析。

理论上，一个随机振动有着无限多个样本，而实际上，只能对有限几个样本进行测量分析，有限的样本必然会带来误差。对于随机过程是各态历经过程的情况，按理说它的一个样本就足以代表该过程的无限样本集合，但对于各态历经过程，只有在平均时间为无限大时，单个样本的时间平均特性才等同于其集合平均特性。由于我们只能分析有限长度的样本，所以仍然会带来误差。因此，需要对随机振动的自功率密度误差进行分析，采取平均等手段降低分析误差。

产品受振动作用产生振动响应，响应的大小取决于激励的大小和产品本身的特性。为研究产品的振动特性，需要利用力学原理建立产品的动力学模型。研究产品的振动特性所采用的这类模型，称为振动系统。振动系统由质量、阻尼、弹性等物理量组成。振动系统具有一定的质量，所以运动时具有动能；振动系统具有一定的弹性，所以运动时具有势能，两种能量不断转换；实际的系统还存在一定的阻尼，使振动衰减。

最简单的振动系统是只有一个质量的弹簧，称为单自由度系统，在受初始扰动后，质量将在平衡位置往复运动，无阻尼时，运动的位移、速度、加速度等物理量按正弦规律变化，称为简谐振动或正弦振动，振动的频率取决于系统的质量和弹性系数等固有特性。若系统是由多个集中质量组成的多自由度系统，则其固有频率也有多个，对某一特定的固有频率，系统的各集中质量按一定的振型进行振动。振型由系统的固有特性确定。固有振型与固有频率称为系统的固有模态。

根据激励信号与振动系统的响应信号，便可计算振动系统的固有频率、振型、模态质量和模态阻尼等模态参数，以及弹性模量、弹性刚度等物理参数。具体的分析方法可分为时域法、频域法等。时域法直接将时域响应用计算机进行处理，得到模态参数。频域法根据频率响应函数矩阵，由模态分析软件对数据进行拟合，得到模态参数。各种方法各有优缺点。

基于振动失效模式的破坏特性，在振动系统响应的基础上人们提出了振动破坏模型，用于指导工程应用。这些破坏模型主要集中于疲劳损坏和峰值破坏两类假设。产品受振动作用时，振动的量值若超过设备、产品的极限耐振动值，则将导致设备、产品破坏，称为峰值破坏。峰值破坏模型主要针对功能故障模式。若设备、产品长期受振动或冲击作用，则产生的破坏称为疲劳损坏。疲劳损坏模型主要针对耐久故障模式。

为研究振动系统的特性，考核产品承受振动和冲击的能力，制定实验室振动试验条件，振动环境的测量是必不可少的手段。

为适应各种场合振动测量的需要，研究人员研制了各种原理的振动传感器，如压电式传感器、压阻式传感器、伺服式传感器、电涡流式传感器等。目前，应用最广泛的是利用惯性原理的绝对式压电加速度传感器，它利用质量块、弹簧组成的单自由度系统对外界振动频率响应的平直段来进行测量。

振动测量属于动态测量的范围。为增加信噪比，提高抗干扰能力，减小随机误差，动态测量需将传感器测量的电信号经过放大、滤波等失调环节做适当调节，对测量结果进行显示、分析。

模态式分析存在分析速度慢、精度低、分辨率不高等问题。建立在快速傅里叶变换基础上的数字信号分析方法，得到了迅速的发展和广泛的应用。由于工程中的振动、冲击等物理量是随时间连续变化的，使用计算机处理需要将模拟信号转变为数字信号。将连续的随时间变化的信号转变为离散的数字信号的过程称为采样。时域采样将产生频率混叠的问题，为避免出现混叠，需在采样前增加低通滤波器。

为消除噪声干扰及动态范围和分辨率不够等因素的影响，对振动环境的数字信号需进行数据预处理、数据检查与分离等工作。

为考核在最恶劣的振动环境应力作用下设备、产品的工作状态或输入/输出特性是否发生不允许的变化，以及各构件的连接、固定、安装、变形及间隙限制之类的工艺要求是否受到破坏，通常在实验室要进行振动功能试验。振动功能试验按峰值破坏模型处理。

为确保设备、产品在整个寿命周期的结构完整性和功能、性能不发生不允许的变化，要在实验室进行长时间的振动试验。例如，轨道交通产品中的长寿命试验、道路车辆产品主要考核由疲劳引起的失效模式及核电站设备要做的老化试验等，都是按疲劳损坏模型处理的。

将现场平台环境的振动数据转换为设计与实验用的振动环境条件还需要做很多工作，原因是实测数据在产品寿命周期不同阶段可能是多种多样的，而作为产品设计和试验依据的环境条件要求则相对简单和统一。这些工作主要集中于两个方面：一方面是如何对多次测量的数据进行归纳处理，目前，主要采用统计归纳的方法，即给出一定置信度下环境的上限；另一方面是如何将寿命周期内各种差异显著的振动环境数据统一为少数几种典型的环境条件。

当有大量可用的实例环境数据时，依据统计归纳方法所确定的环境条件最能符合实际情况。但工程上需要在实测环境数据很少，甚至根本没有的情况下制定环境条件。例如，飞机等需要研制生产出来并经过多次飞行试验后才能得到可供统计分析的大量实测环境数据，而飞机研制总要求在设计之前提供环境条件，用于在研制中进行相应的设计和试验考核，以保证飞行试验的成功。因此，确定振动环境条件本身的需求和产品研制对振动环境条件的需求往往是矛盾的。在这种情况下，采用环境预估技术是解决问题的必然条件，而预估的准确性将直接影响环境条件制定的合理性。振动环境预估目前主要有两类方法：一类是相似产品外推方法，另一类是计算分析方法。

产品对振动环境的适应性是产品在寿命周期内预计在可能的振动环境作用下能实现其功能和性能不被破坏的能力，是通过设计过程反映于产品之中的一种固有的质量特性。振动环境适应性设计主要包括两方面的技术：一方面是振动环境加固设计，即增强产品自身的抗振能力；另一方面是振动环境控制设计，即通过各种缓冲减振措施降低产品经受的振动环境量级。

冲击的特点是持续时间短、量值大。冲击响应就是系统在受到短暂的非周期激励下的响应。对于工业实际问题，由于冲击带来的严重破坏性，对冲击的研究引起了人们的重视。尤其是经常用到的半正弦波、后峰锯齿波等几种经典冲击波形的频域特征及实验方法。由于产品所承受的冲击实际上是一种复杂的瞬态振动，因此采用等效损伤原理提出和规定的半正弦波、后峰锯齿波不可能模拟实际复杂的冲击振动环境，它是一种早期解决实验室模拟现场冲击并一直沿用至今的方法。而冲击响应谱是装备与产品受冲击后的响应，装备与产品按冲击响应谱设计是最接近现场使用的，用冲击响应谱试验效果比较接近实际使用环境，在试验中能充分暴露冲击环境造成的故障，因此，冲击响应谱试验方法是主要的方法之一。