随机振动和正弦振动区别
随机振动的频带宽,且有连续的频谱,能同时在所有的频率上对试件进行激励,远比正弦振动仅对某些频率或连续扫频来模拟实际环境振动的影响更严酷、更真实和更有效。因此,利用随机振动来考核产品才能更真实地反映产品对振动环境的适应性和考核其结构的完好性。
正弦振动是分析共振频率和阻尼特性的有用工具,也是研究振型最好的方法,其试验结果极易被工程技术人员理解和使用,且比随机振动试验经济,易于普及。
一般正弦振动试验适合于试件的最初分析阶段,而随机振动试验用于最终阶段。
简单的说, 正弦振动的振动在于找出产品设计或包装设计的脆弱点, 看在哪一个具体的频率点响应最大. 就是所谓的共振点.(ResonantFrequency, Natural Frequency). 找到共振点后在该共振点作驻留测试.(10 min.dwell or more), 确定产品能否承受共振带来的影响。在做packagedesign的时候,要尽量避开该频率点.随机振动要根据不同的运输方式来确定psd level, 正弦振动在任意一瞬间只包含一种频率的振动,而随机振动在任意一瞬间包含频谱范围内的各种频率的振动,这些频率能量的大小按照规定的谱图分布。
正弦振动是一种确定性的振动,其任一时刻的状态是可以计算得到的,而且是一个确定的数值。随机振动的是一种非确定性的振动,预选是不可能确定物体上某一时刻的运动瞬时值,只服从统计规律。
由于随机振动包涵频谱内所有的频率,所以样品上的共振点会同时激发并可能相互影响,所以试验比同量级的正弦试验严酷。
理论上,随机振动加速度的峰值可能是其总均方根值的任意倍,但在实现中不可能,一般标准要求其峰值不得少于总均方根值的3倍。
物体或质点相对于平衡位置所作的往复运动叫振动。振动又分为正弦振动、随机振动、复合振动、扫描振动、定频振动。描述振动的主要参数有:振幅、速度振动又分、加速度。在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行的试验。振动系统是受振动源激励的质量弹性系统,如机器、结构或其零部件、生物体等。振动试验是从航空航天部门发展起来的,现在已被推广到动力机械、交通运输、建筑等各个工业部门及环境保护、劳动保护方面,其应用日益广泛。振动试验包括响应测量、动态特性参量测定、载荷识别以及振动环境试验等内容。
确定性振动的物理描述量可以预测;随机振动的物理描述量不能预测。比如:
单摆振动是确定性振动,汽车在路面行驶时的上下振动是随机振动。 2、简述简谐振动周期、频率和角频率(圆频率)之间的关系。
随机振动通常要用概率论的方法描述。概率反映随机事件出现可能性的大小。将随机事件的结果用数量描述,就得出随机变量的概念,因为它描述随机变量的发展过程,故又称随机过程,而随机振动只是随机过程的一类实例。
假设在一定条件下重复某个随机试验(如汽车道路试验),得到系统响应(如司机座的铅垂加速度)的一系列时变历程记录(见图)。其中每个记录
都可看作一个样本,而大量样本构成一个集合,记为X(t),用它代表这一随机过程。
对于随机现象,人们感兴趣的往往不是各个样本本身,而是从这些样本总体得出的统计特性。例如,以随机函数X在瞬时t取值不大于x的概率,可定义一维概率分布函数:
并由此导出一维概率密度函数:
类似地,可定义多维概率分布与密度函数。从随机函数的概率密度函数又可确定各种数字特征;例如,各次矩可以定义如下:
记号E{ }表述集合平均。可以看出,一次矩即随机函数的平均值
二次矩即均方值
而二次中心矩
称为方差,它的平方根
常称为标准差。平均值反映过程的总倾向;均方值往往与平均能量相联系;方差则可用来表征随机变量分散程度。
平均特性可区分为集合平均和时间平均。前者是对集合求平均,后者是对单个样本来求的。根据统计特性是否随采样时间原点的选取而变化,随机过程可分为非平稳过程和平稳过程。根据集合平均特性是否等同于时间平均特性,随机过程又可分为遍历的和非遍历的。遍历的随机过程一定是平稳的;反之则不一定。
在各种平均特性中,最重要的是相关函数和功率谱密度。一个随机振动又可以看作大量数目的具有随机振幅与相位的谐和振动之和。它的总功率就等于各个谐和分量的功率之和。人们感兴趣的是找出这种功率如何按频率分布。平稳随机函数
X的自相关函数
定义为乘积
的集合平均值。它是时延的函数,反映相隔的的两个时刻的随机变量之间的线性相关程度,同时它还蕴藏着随机过程中各个谐和分量的频率和平均功率的信息。因此,从自相关函数的谐和变换
可得到功率谱密度(简称自谱)的概率,它恰好描述随即过程的平均功率按频率的分布规律。按定义有:
由逆谐和变换,得:
当=0时,
由此可见,
正是X关于频率f的均方谱密度.
实用上,常用功率谱的形状作为随机过程的标志,例如在随机振动试验中,各种基准谱都是按谱形来规定的。人们按谱形将偏于两个极端的情况分为称为窄带过程和宽带过程。窄带过程是指它的功率谱具有尖峰特性,并只有在尖峰附近的一个窄带内才取有意义的量级。典型的例子是随机信号通过窄带滤波器后所得的结果。相反地,宽带过程的功率谱在相当宽(带宽至少与其中心频率有相同的数量级)的频带上取有意义的量级。最极端的情形是白噪声,它的谱密度是均匀的并有无限的带宽。白噪声只是一种数学抽象,因为在无限的带宽上都有有限的功率意味着有无限的总功率。不过,当随机激励的频带足够宽,以致将系统所有的固有频率覆盖无遗时,把该激励视为白噪声是可取得,这样做数学上便于处理。
自相关和自谱是从同一个随机过程得到的统计特性,类似地可以定义两个不同随机过程X和Y之间的互相关函数
与互谱
从互谱还可定义相干函数:
互谱和相干函数在实验确定系统频率特性以及确定振源和振动传递路径方面有独特的作用。
随机过程中的一类特别重要的过程,称为正态过程,亦称高斯过程。平稳正态过程的一维概率密度函数可表示为:
正态过程有以下特点:许多自然现象可以用正态过程近似地描述;正态过程的线性变换仍然是正态过程;只需知道正态过程的一次钜与二次钜,就可确定概率密度。这些特点给随机振动研究带来很大方便。首先,随机振动的许多激振源(如大气湍流、海浪、路面等)都可以看作正态过程。其次,从第二点可知,对于常系数线性系统,当输入是正态过程,输出也一定是正态过程,只要确定它们的平均值和方差,就可确定它们的全部统计特性。
随机振动试验的功用
随机振动试验台,主要用于电子零件的耐振动性,通过对电子零件进行动力学仿真分析来确定电子零件的振动特性,从而检测其用于产品的性能稳定性和可靠性。
随机振动试验是通过模拟装备平台振动环境,利用随机振动试验台对产品输入特定的随机振动激励谱,检验产品在随机振动环境下可靠工作的能力。
随机振动台试验一般具有以下功用:
1)功能试验:
通过功能试验,对产品施加使用环境下的最大振动应力,检验产品能否正常工作。
2)耐久试验:
通过耐久试验,确认产品在给定的使用寿命期内能够可靠工作的能力。耐久试验考核产品结构强度及疲劳寿命等问题,考验产品在一定随机振动试验台环境下是否产生疲劳破坏、机械磨损等引起的寿命缩短或失效。由于这种试验与寿命相关,所以试验强度和试验时间都必须考虑使用要求。
3)振动频率响应特性试验:
通过振动频率响应特性试验,掌握产品的动力学特性,便于对产品进行抗振设计。本文仅关注振动频率响应特性试验,即通过对随机振动试验的仿真确定产品的频率响应特性。
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