電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(7) ——沖擊試驗

前文介紹了電子設(shè)備振動環(huán)境試驗概念，以及正弦振動、掃頻和隨機振動。

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(1) —— 概述

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(2) —— 振動環(huán)境試驗類型

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(3) ——振動臺試驗系統(tǒng)

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(4) ——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(5) ——正弦振動和掃頻

電子設(shè)備振動環(huán)境試驗(6) ——隨機振動

本文將介紹振動環(huán)境試驗中的沖擊試驗。

沖擊試驗

嚴格地說，沖擊并不屬于振動的范疇；很多領(lǐng)域中，會把振動和沖擊的要求在不同的大類中規(guī)定；如《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》的標準中，將振動放在GJB150.16中，而將通用的沖擊放在GJB150.18中（還有一些特殊的沖擊放在了其他部分中）。

然而，沖擊與振動也有很多相似之處，并且兩種試驗都是對系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行考核，系列文章也簡要對沖擊試驗進行介紹。

沖擊引起的原因有多種，比如車輛撞擊、飛機迫降、炮彈火箭發(fā)射、化學(xué)能爆炸、火工品點火、產(chǎn)品跌落等；沖擊試驗主要目的是模擬產(chǎn)品經(jīng)受諸如上述各種形式的沖擊。

現(xiàn)實中沖擊的物理過程非常復(fù)雜，主要有一下特點：

• • 沖擊過程是一個瞬態(tài)過程，不具備穩(wěn)態(tài)特性；
  • 持續(xù)時間短，短時量級高；
  • 頻譜連續(xù)且頻率成分豐富。

沖擊試驗是一種真實載荷簡化后的試驗方法，反映產(chǎn)品的抗沖擊性能，主要有以下特點：

沖擊試驗有多種形式，根據(jù)不同行業(yè)和要求進行試驗；

沖擊的瞬態(tài)峰值響應(yīng)，一般可以用隨時間的指數(shù)衰減函數(shù)包絡(luò)；

沖擊試驗是一種破壞性試驗，需要充分評估后開展；

沖擊試驗需要指定試驗次數(shù)；

沖擊試驗激勵曲線需要多次調(diào)試，往往需要較長時間；

沖擊試驗也能獲取系統(tǒng)的動力學(xué)特性，不過一般不會采取這種方法；

有關(guān)沖擊及其分析案例可參見文章。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的反(響)應(yīng)譜分析(1) —— 反應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的反（響）應(yīng)譜分析（2）—— 響應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的時域分析(1) —— 單自由度系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的時域分析(2) —— 多自由度系統(tǒng)

沖擊的描述

現(xiàn)實中的沖擊非常復(fù)雜，也幾乎不可重現(xiàn)；實驗室條件下的沖擊試驗，一般需要將實際載荷進行處理，通常包括統(tǒng)計、包絡(luò)、頻譜等方法。

上圖是某實測沖擊信號的時域和頻域；可見完全的重現(xiàn)是非常困難；對于沖擊的描述主要有時域信號、沖擊響應(yīng)譜、能量譜密度和傅里葉譜幾種。

結(jié)合當前的行業(yè)標準和技術(shù)水平，目前實驗室主要的沖擊模擬包括：

• • 標準（經(jīng)典）的沖擊脈沖波形描述；
  • 沖擊響應(yīng)譜描述；
  • 在規(guī)定的沖擊試驗機上試驗；
  • 實測數(shù)據(jù)，通過振動臺復(fù)現(xiàn)；
  • 一些規(guī)定的動作，如跌落等；
  • 其他特殊的沖擊試驗。

沖擊試驗類型非常復(fù)雜，本文針對幾種常見的試驗類型展開討論。

經(jīng)典沖擊脈沖波形

經(jīng)典沖擊脈沖波形是最經(jīng)典的沖擊試驗方法。

這種方法基于給定時域下的沖擊波形，主要的試驗參數(shù)包括：

• • 沖擊波形形式，一般有半正弦、后峰鋸齒和梯形等幾種；
  • 沖擊峰值加速度A；
  • 沖擊脈沖持續(xù)時間D；
  • 沖擊次數(shù)。

其中，對于沖擊波形的加速度、持續(xù)時間、次數(shù)和控制容差要求，根據(jù)相關(guān)標準給出；對于大多數(shù)沖擊脈沖，標準給出在5-30ms。

理論上的波形如上述所描述，然而細心的讀者可能發(fā)現(xiàn)，理論上的波形在振動臺上是無法實現(xiàn)的。由于以上的沖擊波形都是加速度，并且全過程中加速度都大于零，導(dǎo)致速度和位移都是單調(diào)向上的，而振動臺的位移不可能無限增大，因此實際的沖擊波形，在平穩(wěn)段，會出現(xiàn)一段小于零的波動。

上面兩個圖是某次實際的半正弦波和梯形波。

沖擊試驗還有一個特點是需要在試驗前進行大量的調(diào)試，以保證沖擊波形符合試驗要求；如果被測物較大且質(zhì)心較高，可能會影響整個試驗系統(tǒng)的動力學(xué)特性，有時還需要將模擬件或配重固定后調(diào)試。

沖擊響應(yīng)譜

相比經(jīng)典沖擊脈沖波形，沖擊響應(yīng)譜的沖擊試驗是一種相對新的試驗手段。

沖擊響應(yīng)譜曲線可通過統(tǒng)計分析，對產(chǎn)品可能經(jīng)歷的沖擊載荷進行包絡(luò)、平均等處理，得到一種蘊含多種沖擊形式的特殊頻域曲線；隨著各行各業(yè)及技術(shù)的發(fā)展，沖擊響應(yīng)譜的試驗方法應(yīng)用越來越廣泛。

沖擊響應(yīng)譜沖擊試驗主要由頻率、譜值（需要指定阻尼比或品質(zhì)因子）、試驗次數(shù)等描述。

沖擊響應(yīng)譜的調(diào)試比較復(fù)雜；有通過調(diào)整經(jīng)典沖擊脈沖波形，以匹配曲線的；也有通過專門的沖擊響應(yīng)譜試驗機，生成復(fù)雜的沖擊曲線匹配曲線；這部分非常復(fù)雜，本文不做詳細介紹。

此外，由于沖擊和隨機振動都具有寬帶連續(xù)譜特性，在某些場合下，隨機振動試驗可以覆蓋沖擊試驗。

專用沖擊試驗機

對一些特殊的沖擊環(huán)境，依據(jù)特定的標準，有一些專門的沖擊試驗機進行試驗。

艦船沖擊試驗是一類典型的例子；艦船在戰(zhàn)斗中可能經(jīng)受水下或空中爆炸等非接觸性的沖擊波；這類沖擊波對艦船本身并不造成致命傷害，但對艦船上裝備的電子設(shè)備可能帶來嚴重的影響；為了保證其持續(xù)戰(zhàn)斗能力，艦船上的電子設(shè)備需要具備抵抗這類沖擊的環(huán)境適應(yīng)能力。

這類沖擊非常復(fù)雜，其持續(xù)時間較一般的沖擊更長；對于這類沖擊試驗，有專門的強碰撞沖擊機；依據(jù)相關(guān)標準，不同的被測設(shè)備選用合適類型的試驗機，不同的沖擊量級采用不同的落錘高度或角度；而在條件不具備的情況下，國內(nèi)常用30ms半正弦波形模擬。

專用的沖擊試驗機有多種，依據(jù)不同行業(yè)不同標準可開展相關(guān)的試驗。

其他沖擊試驗

沖擊試驗的類型有很多種。

有些連續(xù)沖擊，如炮擊等，依據(jù)實測沖擊數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定算法和控制，在振動臺上復(fù)現(xiàn)進行沖擊試驗。

還有一些跌落試驗，采用實際產(chǎn)品在一定高度、角度和速度下進行跌落試驗。手機跌落試驗是一種典型的跌落試驗，對于場景區(qū)別，分為裸機試驗和帶包裝試驗。

海軍船舶類還有一種非常特殊的沖擊試驗——艦船抗沖擊試驗。艦船設(shè)備抗沖擊試驗主要包括實際艦船爆炸試驗、虛擬沖擊試驗和沖擊試驗機試驗。其中虛擬沖擊試驗主要指仿真分析，沖擊試驗機試驗上文已闡述。而實際艦船爆炸試驗成本及其昂貴，需要使用真實型號進行試驗；美軍軍艦服役按照慣例需要進行這類測試，不僅對船體、設(shè)備進行測試，船員也需要承受考核。此外，爆炸試驗也有在浮動平臺上開展的。

最后

本文介紹了振動環(huán)境試驗中的沖擊試驗，下文將對噪聲試驗開展介紹。