諧振搜索和駐留試驗(yàn)

諧振搜索和駐留試驗(yàn)（RSTD）是指先通過正弦掃頻試驗(yàn)搜索出試驗(yàn)體的共振頻率，然后在共振頻率上進(jìn)行跟蹤駐留試驗(yàn)。搜索功能通過傳遞信號(hào)來確認(rèn)共振頻率，并在實(shí)時(shí)控制過程中，對(duì)每一個(gè)共振頻率進(jìn)行跟蹤和駐留。當(dāng)駐留期間頻率變化時(shí)，其特殊的跟蹤特性使用相角信息調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率跟蹤諧振。即自動(dòng)偵測(cè)諧振峰的偏移，并自動(dòng)調(diào)整正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率來跟蹤諧振峰的偏移。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，比如高周期關(guān)鍵部件的渦輪機(jī)葉片或汽車曲軸的疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟一般分為以下幾步：

第一步，共振點(diǎn)調(diào)查 在要求的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，找出共振點(diǎn)。

第二步，諧振搜索 找出共振點(diǎn)以外的諧振點(diǎn)，選擇駐留試驗(yàn)的頻率點(diǎn)。

第三步，駐留試驗(yàn)設(shè)定 駐留時(shí)間、加振量級(jí)等。

第四步，駐留試驗(yàn)。

試驗(yàn)1：

位移峰值推定；跟蹤方式（tracking）

掃頻速度：1oct/min、單程1次

共振點(diǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)：傳遞率3以上

共振點(diǎn)駐留模式：標(biāo)準(zhǔn)位移搜索（還有高速位移搜索、相位搜索、頻率固定三種方式）

共振點(diǎn)使用：共振點(diǎn)搜索中最初的峰值對(duì)應(yīng)的頻率。

加振量級(jí)：10m/s²

報(bào)警（Alarm）上下限：±3dB、中斷（Abort）上下限：±6dB

駐留時(shí)間：1小時(shí)、試驗(yàn)時(shí)間：無往返

共振點(diǎn)偏移判定：傳遞率比率-10%～+10%

頻率步長(zhǎng)：1.0Hz/s

共振點(diǎn)搜索范圍：頻率比率±10%

（注意：振動(dòng)控制儀的軟件不同，對(duì)應(yīng)的參數(shù)會(huì)有變化。）

多正弦試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)時(shí)，多個(gè)頻率的正弦同步掃頻或者定頻，可以大大的減少試驗(yàn)時(shí)間。這種方法由德國(guó)的一家汽車制造商提出，目前正越來越廣泛地為其他諧波試驗(yàn)所應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組件可靠性試驗(yàn)的一個(gè)重要方法。

試驗(yàn)1：多個(gè)掃頻同時(shí)進(jìn)行。

頻率分割

區(qū)域1：掃頻20～63.3Hz

區(qū)域2：掃頻63.3～200Hz

區(qū)域3：掃頻200～632.5Hz

區(qū)域4：掃頻632.5～2000Hz

掃頻速度：1oct/min

來回掃頻次數(shù)：32次

掃頻開始頻率：20Hz

△試驗(yàn)中振動(dòng)控制儀圖像

試驗(yàn)2：多個(gè)定頻試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行

試驗(yàn)時(shí)間：1小時(shí)

△試驗(yàn)中振動(dòng)控制儀圖像

試驗(yàn)3：波形疊加

△參考波形

混合模式控制試驗(yàn)（SOR、ROR）

應(yīng)用于模擬寬帶振動(dòng)上疊加窄帶或者周期性的振動(dòng)環(huán)境。周期性能量通過正弦的形式或者窄帶隨機(jī)來模擬。比如直升機(jī)的振動(dòng)就是正弦加隨機(jī)（SOR）信號(hào)，氣流擾動(dòng)造成寬帶隨機(jī)而旋翼產(chǎn)生正弦振動(dòng)。SOR也常常應(yīng)用在汽車測(cè)試中的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。履帶式車輛的振動(dòng)是典型的隨機(jī)加隨機(jī)（ROR）信號(hào)，履帶的窄帶隨機(jī)疊加在道路的寬帶隨機(jī)上。對(duì)于正弦加隨機(jī)加隨機(jī)（SOROR），疊加分量可以固定或掃頻。

試驗(yàn)1：SOR

寬帶隨機(jī)振動(dòng)：上圖中10-1000Hz，量級(jí)50m/s²rms。

窄帶掃頻：

掃頻速度：1oct/min，往返掃頻次數(shù)：5次。

基波掃頻：

100-400Hz，如上圖掃頻，初相位0°。

2次諧波掃頻：

基波的80%量級(jí)掃頻，初相位180°。

試驗(yàn)2：ROR

寬帶隨機(jī)振動(dòng)：上圖中10-1000Hz（虛線部分），量級(jí)50m/s²rms

窄帶隨機(jī)振動(dòng)：基波和2次諧波窄帶掃頻隨機(jī)振動(dòng)。

掃頻速度：1oct/min、來回掃頻5次。

基波：100-400Hz，量級(jí)75（m/s²）/Hz，頻寬15Hz的PSD。

2次諧波：量級(jí)為基波的-2dB，頻寬30Hz的PSD。

△試驗(yàn)中振動(dòng)控制儀圖像

時(shí)域模擬試驗(yàn)（路譜再現(xiàn)（TWR，time wave replication）試驗(yàn)）

在試驗(yàn)室中再現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以是隨機(jī)或者正弦振動(dòng)數(shù)據(jù)波形。比如使用路面或者飛行記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以模擬最真實(shí)的振動(dòng)環(huán)境，確保高品質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果。

一般用于驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)確實(shí)存在著一些缺點(diǎn)。波形再現(xiàn)只會(huì)產(chǎn)生給定的數(shù)據(jù)振動(dòng)，缺乏隨機(jī)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)變化。可以認(rèn)為隨機(jī)數(shù)據(jù)是真實(shí)世界多樣性的代表，隨機(jī)試驗(yàn)可以比這種試驗(yàn)需要更少的時(shí)間。但時(shí)域模擬試驗(yàn)提供了從現(xiàn)場(chǎng)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)到在單個(gè)或多個(gè)振動(dòng)臺(tái)上再現(xiàn)的所有功能。

同樣，通過數(shù)據(jù)編輯（單位和采樣頻率指定、過濾處理、首尾數(shù)據(jù)處理、頻率變換、數(shù)值間演算、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)變更、補(bǔ)償波附加等過程）后得到可以在電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的波形。

試驗(yàn)1：某試驗(yàn)中進(jìn)行的波形。

拍波試驗(yàn)（sine beat）

主要用于耐震或抗震試驗(yàn)，特別是構(gòu)造物受到短時(shí)間的脈沖力和周期性力沖擊后的環(huán)境情況。類似于擁有一個(gè)共振頻率的單純構(gòu)造物的地面受到水平方向地震波，試驗(yàn)后確認(rèn)其健全性。

波形如下圖，試驗(yàn)條件中需掌握，振幅值A(chǔ)是多少？生成的正弦波的頻率f是多少？波形長(zhǎng)度（波數(shù)n和拍數(shù)）是多少？波形是調(diào)制的正弦波，頻率為試驗(yàn)結(jié)構(gòu)體的自振頻率，以期望產(chǎn)生共振效應(yīng)，其幅值被一個(gè)長(zhǎng)周期正弦波所調(diào)制。

拍波的每一拍中，一般包含5-10個(gè)同頻循環(huán)。通常試驗(yàn)中，幾個(gè)拍（常見為5拍）同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)拍之間應(yīng)有足夠的間隔（常見為2秒），如下圖。

常見試驗(yàn)規(guī)格有IEC 60068-2-59。

試驗(yàn)1：

頻率：7Hz

加速度幅值：3G

波數(shù)：10

垂直水平三方向各10拍，各拍間隔2秒。

正弦脈沖試驗(yàn)（sine burst）

一種準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境模擬的試驗(yàn)方法，主要用于衛(wèi)星在運(yùn)載火箭升空的主動(dòng)段，受到火箭高值加速度而產(chǎn)生靜力過載的模擬試驗(yàn)。為了確定衛(wèi)星承受的靜載荷對(duì)其本身結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的影響，要對(duì)衛(wèi)星做加速度過載試驗(yàn)，以模擬衛(wèi)星在火箭發(fā)射過程中受到的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加速度慣性載荷。

波形如下圖，試驗(yàn)條件中同樣需掌握，振幅值A(chǔ)是多少？生成的正弦波的頻率f是多少？波形長(zhǎng)度（波數(shù)n）是多少？

在實(shí)際試驗(yàn)中，為了避免試驗(yàn)一開始就受到大量級(jí)的負(fù)荷，需要加入上升和下降領(lǐng)域，如下圖所示。

非高斯（正態(tài)分布）隨機(jī)試驗(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是一種模擬試驗(yàn)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)測(cè)波形的提取，得到PSD，再進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)能量相同。按照其試驗(yàn)規(guī)格試驗(yàn)后，產(chǎn)品通過要求，但是，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，還是會(huì)出現(xiàn)破損等不合格現(xiàn)象，尤其在運(yùn)輸環(huán)境下。通過研究，在進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有些動(dòng)態(tài)環(huán)境的時(shí)間歷程具有非高斯分布特性。于是，提出了非高斯分布振動(dòng)試驗(yàn)，在原來的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求中，加入了尖度K（Kurtosis）和偏度S（Skewness）兩個(gè)要求，使波形更接近實(shí)際環(huán)境的波形。

式中，Xi是加速度，m是加速度平均，N是數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，σ是標(biāo)準(zhǔn)方差。通過對(duì)實(shí)測(cè)波形分析和變換，在得到原來隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)PSD的基礎(chǔ)上，計(jì)算出K和S。再反過來在振動(dòng)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)含有K和S的波形，從而飛躍性提高隨機(jī)振動(dòng)的精度，這就是非高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。下圖是含有不同K和S波形對(duì)應(yīng)的概率密度圖，供參考。

試驗(yàn)1：

如下圖PSD，調(diào)整到rms值為10m/s²。非高斯分布特性為峰值發(fā)散性，K=5。試驗(yàn)時(shí)間30min。

總結(jié)：

以上羅列一些比較特殊的試驗(yàn)要求，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說明。初學(xué)者只需適當(dāng)?shù)牧私饧纯?，受制于振?dòng)控制儀軟件授權(quán)碼的限制，有可能永遠(yuǎn)也不會(huì)碰到。

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