电子设备振动环境试验(6) ——随机振动

前文介绍了电子设备振动环境试验概念，以及正弦振动和扫频。

电子设备振动环境试验(1) —— 概述

电子设备振动环境试验(2) —— 振动环境试验类型

电子设备振动环境试验(3) ——振动台试验系统

电子设备振动环境试验(4) ——数据采集系统

电子设备振动环境试验(5) ——正弦振动和扫频

本文将介绍振动环境试验中的随机振动。

随机振动

随机振动试验主要目的是模拟产品在运输、存储和使用等过程中经受到的随机振动。随机振动相比正弦振动更为常见，如车辆在行驶中产生的颠簸、气动噪声对飞机结构产生的振动、火箭发动机和气动噪声对结构产生的振动等。

随机振动试验是一种相对更真实的环境振动测试，更能反映产品的抗振动环境适应性，主要有以下特点：

相比正弦振动，频率范围更宽，并且是连续谱，振动过程中各个频段激励相互作用，更真实有效地反映系统综合抗振能力；

随机振动试验也能获取系统的动力学特性；

随机振动试验需要设定试验时间，可以更真实的考验系统可靠性和耐久性；

应力筛选也采用随机振动的方法实现；

随着技术的发展，越来越多的行业开始把随机振动作为振动环境试验的重要组成部分。

有关随机振动及其分析可参见文章。

结构动力学中的随机振动分析(1) —— 随机过程与随机激励

结构动力学中的随机振动分析(2) —— 随机振动分析

结构动力学中的随机振动分析(3) —— 基于ANSYS的实现

随机振动的描述

随机振动的输入条件通过随机过程描述。

随机过程有平稳随机过程和非平稳随机过程，有各态历经和非各态历经，有正态分布和非正态分布；尽管严格的要求难以达到，在实际的随机振动中，我们仍然假设随机过程是平稳的、各态历经的、和正态分布的。以上概念的说明可以参考《结构动力学中的随机振动分析》的系列文章。

随机振动试验中，我们一般通过功率谱密度（PSD）对输入进行描述；主要包括频率范围、频率对应的PSD幅值，同时可以计算出整个输入的均方根值（RMS）；通常PSD的单位为g2/Hz，RMS的单位为g。

随机振动试验参数

随机振动试验中，需要确定试验时间、随机振动PSD曲线，同时也会标注出曲线对应的RMS值。

试验时间很好理解，一般指的是随机加载稳定后的总时长。

PSD曲线一般有2种形式：

按照频率及其对应的PSD形成表格；

通过包络，形成多段折线描述（对数坐标下），这种方式使用最为广泛。

上图是一个典型的随机振动输入条件，一般包含上升段、平稳段和下降段。其中平稳段最容易理解，为x g2/Hz，表示在这个频率区间内，幅值没有变化。上升段和下降段在对数坐标下为直线，一般用N dB/oct，描述；指的是每个倍频程上升或下降N个dB。

很多设计师在随机试验的时候，斜线段的概念很困惑，这里先简单介绍一下；有关这些参数的计算，后续的系列文章将会有专门的介绍。对于PSD而言，+3dB指的是量级提高一倍；举个例子，如果频率范围10~40Hz，斜率为+3dB/oct，10Hz处量级为0.01 g2/Hz，那么在20Hz处就是0.02 g2/Hz，40Hz处就是0.04 g2/Hz。

式中f为频率，W为对应的幅值，N为N dB/oct。

曲线确定后，还可以计算整个曲线的RMS值；其大小等于频域曲线的面积开方，也等于统计分析中1σ下的幅值；RMS值可以综合评估整个输入的量级；其具体计算方法在后续的系列文章中专门介绍。

随机振动试验条件

试验前，首先需要根据试验目的，确定随机振动的试验类型，通常包括：

按照随机振动频谱的分类，选择宽带随机、窄带随机、宽带+窄带随机，还是宽带随机+正弦；

满量级的试验，还是小量级摸底的试验；

功能性试验还是耐久性试验；

确认是在哪个阶段开展的试验，包括研制试验、鉴定试验、验收试验和准鉴定试验等；

当试验频率高于2000Hz，或者质量体积较大，或者对声敏感的设备，需要考虑用噪声试验代替随机振动试验。

理想的试验曲线一般是一条或几条折线描述，而实际试验过程的控制曲线常常是这样的；其中画红圈的位置就是高频处可能存在由于控制能力带来的误差。

由于振动台控制能力不是无限的，在系统共振点、以及高频处（由于振动台系统和工装联合作用导致）可能会出现一定波动；在振动台介绍的那篇系列文章中，我们讨论到，“通常对于给定的振动谱，会设置一个容差限，其上下限作为允许的偏差，叫做上下报警限；原则上，认为试验过程中，超出报警限的振动激励是不符合试验要求的；但是通常并不会要求的那么严格。”

此外，试验过程中，由于各方面的原因，可能还会采取下凹（也有叫做带谷）、限幅等措施；其曲线大致是这样的，其中画红圈的就是下凹的区间和幅度。

有关下凹和限幅等讨论，将在后续系列文章一并开展。

随机振动试验的一些讨论

随机振动试验中，由于各方面的原因，会采取下凹等措施；下凹的带宽和幅值，通过仿真分析，以及以往的实测数据综合评估；一般会要求下凹频点PSD的下限，以及整个曲线RMS的下限；不过大多数情况下，上级单位会根据试验方的下凹要求，综合评估其方案，而不会明确指出可下凹的范围。

随机振动试验比较复杂，在达到满量级过程中，需要逐步增加量级进行均衡；通常按照-12dB、-9dB、-6dB、-3dB，逐步增加；每个量级会稳定一小段时间，稳定的时间不易过长，一般有标准进行规定；需要指出的是，均衡过程的加载试验，不能从总时间中扣除，即试验时间是从满量级达到均衡后开始计算的。

在航天领域，随机振动试验和噪声试验可相互替代；通常需要经过综合评估选择合适的试验方法；一般来说，随机振动的试验频率范围小于2000Hz，当大于2000Hz时需要选择噪声试验；此外，对于质量体积较大，或者对声敏感的设备也会考虑选择噪声试验；噪声试验主要有混响试验和行波试验2种，卫星大多选择混响试验。

最后

本文介绍了振动环境试验中的随机振动，下文将对冲击试验开展介绍。