張燦文，張 華

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

電子產(chǎn)品共振頻率檢測(cè)方法研究

張燦文，張 華

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

本文介紹了電子產(chǎn)品共振頻率檢測(cè)方法，主要有目測(cè)法、正弦掃描法、隨機(jī)振動(dòng)法和模態(tài)分析法，并結(jié)合工程案例對(duì)幾種方法進(jìn)行描述。

共振頻率；目測(cè)；正弦掃描；隨機(jī)振動(dòng)；模態(tài)分析

引言

在現(xiàn)實(shí)生活中我們能看到形形色色的振動(dòng)，有的可以直接應(yīng)用，有的可以間接應(yīng)用。篩分設(shè)備、輸送設(shè)備、粉碎設(shè)備以及家庭使用的微波爐等設(shè)備都是應(yīng)用振動(dòng)理論到實(shí)現(xiàn)生活的結(jié)果，振動(dòng)技術(shù)普遍應(yīng)用于機(jī)械、化學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及分子、原子物理學(xué)、工程技術(shù)等幾乎所有的科技領(lǐng)域。同時(shí)，振動(dòng)也會(huì)帶來(lái)災(zāi)害。尤其是發(fā)生共振時(shí)，會(huì)帶來(lái)極大的破壞。

1.振的產(chǎn)生與危害

什么是共振？共振是指一個(gè)物理系統(tǒng)在特定頻率下，以最大振幅做振動(dòng)的情形。即系統(tǒng)受外界激勵(lì)，作強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，若外界激勵(lì)的頻率接近于系統(tǒng)頻率時(shí)，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅可能達(dá)到非常大的值，這種現(xiàn)象叫共振。一個(gè)系統(tǒng)有無(wú)數(shù)個(gè)固有頻率，一般常研究低范圍的系統(tǒng)頻率。共振在聲學(xué)中叫“共鳴”，在電學(xué)中，振蕩電路的共振現(xiàn)象稱(chēng)為“諧振”。從共振的特點(diǎn)來(lái)看，它不需要外部施加很大的作用力，而能自動(dòng)進(jìn)行能量的積累，如果不適當(dāng)?shù)乩没蛘弑苊馑舱駮?huì)給我們的日常生活生產(chǎn)

帶來(lái)危害。最典型就是1940年11月7日那座舞動(dòng)的塔科馬海峽大橋因大風(fēng)的吹動(dòng)引起橋梁的共振導(dǎo)致了大橋的坍塌；還有，當(dāng)士兵以整齊的步伐通過(guò)橋梁時(shí)，當(dāng)火車(chē)以額定的速度通過(guò)額定長(zhǎng)度的鐵軌時(shí)，當(dāng)大鐘被以固定的頻率和力度敲擊時(shí)共振悲劇瞬間發(fā)生；同時(shí)共振會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，相關(guān)部門(mén)規(guī)定要求用手工操作的各類(lèi)振動(dòng)機(jī)械的頻率必須大于20Hz，盡量避免振動(dòng)源頻率與人體器官的固有頻率產(chǎn)生共振。共振同樣影響著電子產(chǎn)品的性能，當(dāng)筆記本產(chǎn)生共振時(shí)，硬盤(pán)和內(nèi)存位移達(dá)到極大，導(dǎo)致藍(lán)屏、螺絲松脫等現(xiàn)象，無(wú)法正常使用，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)能避開(kāi)共振頻率的破壞。以下就電子產(chǎn)品的共振頻率確定方法進(jìn)行描述。

2.振頻率檢測(cè)

2.1.測(cè)法

目測(cè)法主要用于觀察運(yùn)輸包裝件的危險(xiǎn)頻率[1]。國(guó)際運(yùn)輸安全協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ISTA-2A指出，少于68kg的包裝件可用彈跳振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)考核包裝對(duì)樣品的保護(hù)性能。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了彈跳頻率的檢測(cè)方法，如：振動(dòng)幅值25mm，從1Hz開(kāi)始起振。在振動(dòng)過(guò)程中觀察包裝件彈離振動(dòng)臺(tái)面時(shí)的頻率和高度，若滿足要求則記錄該頻率為彈跳頻率，即危險(xiǎn)頻率。目測(cè)法也可應(yīng)用于要求觀測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的場(chǎng)合，如紋波管、電路板的振動(dòng)軌跡，再根據(jù)振動(dòng)軌跡的最大振幅或結(jié)構(gòu)變形來(lái)確定部件的危險(xiǎn)頻率。利用頻閃儀能清晰地觀察到它們的振動(dòng)狀況。它通過(guò)調(diào)節(jié)光的閃動(dòng)頻率，使其與被測(cè)物的轉(zhuǎn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)速度接近并同步時(shí)，被測(cè)物雖然在高速運(yùn)動(dòng)著，但看上去卻是緩慢運(yùn)動(dòng)或相對(duì)靜止的。這種視覺(jué)暫留現(xiàn)象，使人目測(cè)就能輕易觀測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行狀況，從而能夠確定出被測(cè)物振幅的最大值及其對(duì)應(yīng)的頻率。

2.2.弦掃描法

正弦掃描法和隨機(jī)振動(dòng)法都是施加振動(dòng)使產(chǎn)品作強(qiáng)迫振動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)，得出振動(dòng)響應(yīng)的FRF曲線，觀察分析FRF曲線來(lái)確定產(chǎn)品的自然頻率和共振頻率。使用正弦掃描法試驗(yàn)時(shí)一般以低G值（例如0.5g1.0g）作為強(qiáng)迫力，由低頻往高頻依照一定的掃描率進(jìn)行掃描。當(dāng)激勵(lì)頻率與產(chǎn)品的自然頻率耦合時(shí)，從監(jiān)測(cè)界面上看到產(chǎn)品振幅的變化，當(dāng)振幅出現(xiàn)最大，產(chǎn)品振動(dòng)劇烈時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率就是產(chǎn)品的自然頻率或共振頻率。一般結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)反應(yīng)有一定的時(shí)間，低頻反應(yīng)慢、高頻反應(yīng)快，因此采用對(duì)數(shù)掃描率較為合適，避免因太快結(jié)構(gòu)未能及時(shí)反應(yīng)，信號(hào)虛弱無(wú)法辨識(shí)情況。

在進(jìn)行共振頻率檢測(cè)試驗(yàn)前必須先確定掃描的頻率范圍、器件的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)量級(jí)大小。頻率范圍必須是產(chǎn)品在使用過(guò)程及運(yùn)輸過(guò)程中主要會(huì)受到的頻率為主，在此范圍外的頻率可以忽略。以下就車(chē)載硬盤(pán)減震系統(tǒng)為例，對(duì)正弦掃描法檢測(cè)共振頻率進(jìn)行說(shuō)明。掃描時(shí)設(shè)定頻率范圍10-500Hz，掃描速率1Oct/min，激勵(lì)加速度為1g，經(jīng)掃描得出頻譜響應(yīng)。頻譜如圖1所示。

從響應(yīng)曲線（紅色）和激勵(lì)曲線（白色）可看出車(chē)載硬盤(pán)在頻率430Hz附近時(shí)達(dá)到最大振幅，能量放大接近30倍，在低頻階段響應(yīng)較為平緩，可認(rèn)為該頻率是車(chē)載硬盤(pán)減震系統(tǒng)的共振頻率。

2.3.機(jī)振動(dòng)法

除了正弦掃描法，還可以利用隨機(jī)振動(dòng)來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的共振頻率。正弦掃描法在任意時(shí)刻只包含一種頻率的振動(dòng)，而隨機(jī)振動(dòng)法在任意時(shí)刻包含頻譜范圍內(nèi)的各種頻率的振動(dòng)，產(chǎn)品上所有的共振頻率都能同時(shí)激發(fā)出來(lái)。頻譜圖如圖2所示。

進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)法檢測(cè)共振頻率時(shí)，采用低量級(jí)的激勵(lì)源就能激發(fā)出產(chǎn)品的共振頻率，一般取0.001～0.01 g2/Hz功率譜密度。頻率分辨率精度影響著檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，0.5～1.0Hz的精度可滿足要求，其它要求與正弦掃描法相同。以下就車(chē)載硬盤(pán)減震系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。檢測(cè)頻譜如圖3。

隨機(jī)振動(dòng)設(shè)定頻率范圍10～1000Hz，采用汽車(chē)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行共振檢測(cè)。在高頻范圍400 ～1000 Hz，響應(yīng)頻譜（紅色）能量有明顯的放大，在頻率大約460 Hz、800 Hz出現(xiàn)共振峰。與正弦掃描法所得結(jié)果相近。兩種結(jié)果的偏差是由于激勵(lì)方式不同所造成的。

2.4.態(tài)分析法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在功能振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。它能通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型?；静襟E可分為[2]：

1) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)物施加一定動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采集各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)力及響應(yīng)信號(hào)，用各種參數(shù)識(shí)別方法獲取模態(tài)參數(shù)。激勵(lì)源可分為正弦掃描、隨機(jī)振動(dòng)和脈沖響應(yīng)，激勵(lì)方式可分為單輸入單輸出（SISO）、單輸入多輸出（SIMO）和多輸入多輸出（MIMO）。

2) 建立結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，作為計(jì)算及識(shí)別參數(shù)依據(jù)。可分為頻域模型、時(shí)域模型和混合模型。

3) 參數(shù)識(shí)別

利用識(shí)別方法得出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)模型，包括固有頻率、模態(tài)阻尼和各階模態(tài)的振型。

4) 振型動(dòng)態(tài)再現(xiàn)

以動(dòng)畫(huà)方式形象生動(dòng)地再現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)多自由度各階振動(dòng)型態(tài)。

2.5.振頻率判斷

在檢測(cè)共振頻率過(guò)程中，往往會(huì)得出多個(gè)共振峰（如圖2），其對(duì)應(yīng)的頻率不一定都是產(chǎn)品的固有頻率，需要結(jié)合共振幅頻特性和相頻特性來(lái)判斷。[3]

1)結(jié)合共振點(diǎn)幅頻特性判斷

幅頻特性曲線如圖4所示。

出現(xiàn)共振時(shí)，共振點(diǎn)幅值出現(xiàn)不少于2倍的放大，Q值（品質(zhì)因子）越大，共振峰越尖銳。

2)結(jié)合共振點(diǎn)相頻特性判斷

相頻特性曲線如圖5所示。

隨著頻率的變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與激勵(lì)源相位差也發(fā)生變化。在共振頻率處監(jiān)測(cè)點(diǎn)相位滯后激勵(lì)源90°，并在共振點(diǎn)前后相位差出現(xiàn)180°的突變。

結(jié)合以上兩點(diǎn)能準(zhǔn)確判斷出共振頻率范圍。例如檢測(cè)頻譜如圖6、圖7，圖中顯示了傳遞函數(shù)（FRF）曲線與相位差曲線。在傳遞函數(shù)曲線出現(xiàn)了幾個(gè)共振峰，放大倍數(shù)超過(guò)3倍，但從相位關(guān)系看只有在120.0Hz和244.4Hz時(shí)相位差接近90°，而前后相位差變化明顯，可確定為共振頻率。

2.6.用場(chǎng)合

目測(cè)法適用于檢測(cè)包裝材料對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)性能，能檢測(cè)出運(yùn)輸過(guò)程中低頻對(duì)包裝的影響，同時(shí)也能直觀地觀察到振動(dòng)環(huán)境下機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況。正弦掃描法是檢測(cè)共振頻率的常用方法，對(duì)零器件、電路板、整機(jī)結(jié)構(gòu)都適用。隨機(jī)振動(dòng)法能在瞬間激發(fā)出產(chǎn)品上所有的固有頻率，但因固有頻率間的相互影響會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)偏差。模態(tài)分析能系統(tǒng)全面地描述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征，是了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的重要手段，常應(yīng)用于軍品或航天工程研究分析，試驗(yàn)成本相對(duì)較高。前三種方法的實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)便快捷，在試驗(yàn)室和研究所已得到廣泛應(yīng)用。模態(tài)分析技術(shù)復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)要求相對(duì)較高，已成為一門(mén)學(xué)科。

3.束語(yǔ)

本文對(duì)共振頻率檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹，利用該方法能有效檢測(cè)出電子產(chǎn)品的共振頻率。對(duì)共振頻率進(jìn)行駐留振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)苡行У陌l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問(wèn)題，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性提供依據(jù)。

[1] 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第二部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Fc：振動(dòng)（正弦）2008

[2] 傅志方 模態(tài)分析理論與應(yīng)用 上海交通大學(xué)出版社 2000

[3] 顧海明，周勇軍 機(jī)械振動(dòng)理論與應(yīng)用，東南大學(xué)出版社，2007

Discussion on the Test Methods of Electronic Products Resonant Frequency

ZHANG Can-wen，ZHANG Hua
（Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection，Shenzhen 518055）

This paper introduced the electronic products resonant frequency test methods，including Ocular estimate, Sine scanning, Random vibration and Modal analysis method, and described these methods combined with project case.

resonant frequency；ocular estimate；sine scanning；random vibration；modal analysis

TN406

B

1004-7204（2012）03-0045-04

張燦文（1980-），男，廣東清遠(yuǎn)人，工學(xué)學(xué)士，環(huán)境與可靠性試驗(yàn)室工程師

張 華（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工學(xué)碩士，環(huán)境與可靠性試驗(yàn)室工程師