IEC 试验方法 Fh 宽带随机振动 数字控制 及指引
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IEC 68-2-64 试验方法Fh：宽带随机振动(数字控制)及指引IEC 68-2-64 Test Fh：Vibration, broad-band random(digital control) and guidance前言本试验法之目的在决定试件于特定严厉度的随机振动环境下之存活能力，亦可探讨随机振动对试件之疲劳累积效应、机械弱点及特定功能之退化情形。
除可依此信息及相关规范制订产品之允收标准外，尚可用以验证试件之强韧性且(或)研究其动态行为。
范围本试验法适用于运输或使用过程中遭遇随机振动之组件、装备或产品。
本试验法主要针对无包装之试件及含运输箱之试件，如为后者，则运输箱可视为试件本体之一部份。
本试验共有两种方法，分述如下：∙试验方法Ι通常仅用于验证试件在随机振动环境之存活能力；如在相关规范中另有规定，可于振动试验之前或后，以正弦或随机方式激振，进行振动响应调查。
∙试验方法Ⅱ通常仅用于调查试件之振动响应；可在随机振动验证之前(或后，如相关规范要求)，以正弦或随机方式激振，求得试件在最窄-3dB共振频宽时之共振频率。
限制本试验法不适用于运输或使用过程遭遇简谐(harmonic)振动之组件、装备或产品。
测试步骤1.试验前试件应依相关规范之规定执行目视检查、电性及机械检验。
2.按规格依序在三相互垂直轴向执行试验(轴向另有规定者除外)，且其严厉度应在相关规范中明定。
其程序如下：A.初始振动响应调查：依相关规范规定以正弦或随机方式激振，求得试件之共振频率及最窄的-3dB共振频宽，执行细节请参考第7.(2)节。
对试验方法Ι而言，若相关规范未要求则可省略此步骤。
B.以低位准激振方式进行等化(equalization)程序：在执行相关规范所订位准之振动试验前，振动控制系统须以较低位准之试振程序，使达到等化状态，亦即试件所受振动量在规格之要求容差内。
表1为试振位准与时间限制。
3.依相关规范规定之试验规格进行试验，主要参数如下：试验频率范围。
ASD(acceleration spectral density)位准。
随机振动之频谱形状。
试验时间。
4.在随机振动试验中，依相关规范规定对试件进行功能检验。
如相关规范有要求，可进行最终振动响应调查。
若所求得之共振频率与初始振动响应调查结果不同，则可能是因试件特性改变或发生失效所致。
5.俟试件回复至原来状况后，应执行目视检查、电性及机械检验。
测试条件∙试件固定方式除相关规范另有规定外，试件固定应遵循IEC 68-2-47之规定。
∙振动严厉度振动严厉度系由频率范围、ASD位准、频谱形状及试验时间表示。
决定上述参数的方式为：参照5.(2)b.～5.(2)e.之建议值。
由试件之已知环境推导而得者。
由类似产品之环境规格推导而得者。
ASD 位准(g2/Hz)0.005 0.01 0.05 0.10.5 1.0 5.0 10.0频率范围：如表2所示。
∙频谱形状试验频谱可依照图1之形状决定；亦可由相关规范制订ASD位准与频率对应之频谱曲线，但频率与位准值尽可能选用第5.(2)节与第5.(3)节之建议值。
∙试验时间(每一振动轴向，容差0～+5 %)：1分钟，3分钟，10分钟，30分钟，100分钟，300分钟∙振动时之运动需求在试件夹持点的运动大体上应符合规范之规定，且其瞬间加速度须呈直线性(rectilinear)、随机及常态(normal)分布。
在试件参考点的瞬间加速度值应为常态分布，其容差要求如图2所示。
若为虚拟参考点，则应将上述容差要求之对象改为所有用以控制ASD频谱之检查点。
应在相关规范中明订驱动讯号之波高率(crest factor)及其截断位准(clipping level)，但不可低于2.5，亦即讯号峰值至少为均方根值之2.5倍。
检查点之侧向振动位准不可超过振动轴向ASD位准5dB，也不可超过轴向振动均方根值的50%。
对于较小试件可将限制加严，例如，将上述5dB限制降为3dB。
对于大型或较重试件，可能无法满足上述限制，因此，须在相关规范中规定：于试验报告中记载所有超过上述限制之侧向运动。
已知对试件不造成危害之侧向运动，可不监测。
∙试验容差与频谱形状要求控制系统或其输入设备中的模拟组件会造成仪器误差，因此在振动规格之频率范围内(f1～f2)，检查点与参考点于振动轴向测得之ASD位准可有±3dB之容差，但随机与偏移误差并不包括在内。
使用试验方法Ⅱ时，应在相关规范明订允许之最高偏移误差。
在频率范围f1～f2 内所测得或算出之加速度均方根值，应在规格之±10%容差内，此一要求对单点或多点控制均适用。
上述之ASD位准与均方根植限制在大型或较重试件时可能无法满足，因此可在相关规范中应订较宽之容差。
振动频谱之初始斜率≧6dB，末端斜率≦-24dB(如图1)。
∙频率分辨率应尽量提高控制或分析系统之频率分辨率，以降低ASD位准测示值和真值之误差，可依试验方法选用频率分辨率如下：∙试验方法Ι：如表3所示。
∙试验方法Ⅱ频率分辨率(Be)须由频率响应调查所求得之-3dB 共振频宽B r 推导而得，公式如下：B e = a B r ，其中 a 值小于1选用系数a 时须考虑偏移误差 E b，如表4所示。
∙统计精确度随机振动试验之统计精确度系以其统计自由度( N d)决定，通常 N d应高于120，其公式如下：N d = 2 B e T a其中， B e 为频率分辨率， T a为有效平均时间。
在不同信赖度下，精确度与自由度之关系为卡方(Chi- square)分布。
∙试验设置试件应以正常安装姿态固定于试验平台上执行试验，有关试件固定需求详见IEC68-2-47之规定。
夹持点、检查点皆应遵照相关规范之规定。
数字控制之随机振动系统(包含数字控制系统、功率放大器、夹具及振动机等)。
正弦振动之控制系统(若相关规范中要求以正弦振动调查试件响应)。
其它∙夹持点、检查点、参考点、虚拟点及响应点夹持点为试件与夹具或振动台直接连接处，通常试件在操作时即固定于此处。
若采用试件操作时实际固定结构之部份为夹具，则夹持点应为该结构与振动台之连接点，不再是该结构与试件之接合点。
检查点位于夹具、振动台或试件上，应尽量靠近试件之夹持点且与之坚固连接。
若仅有四个以下的夹持点，则每个夹持点都可选为检查点；若有四个以上的夹持点时，则试验规范中应指明四个夹持点作为代表的检查点。
参考点系选自检查点，并以其讯号控制振动试验，使达到规格之要求。
参考点亦可能是虚拟点，例如，参考点ASD数值可定义为多个检查点ASD数值之平均。
建议在大试件或复杂结构时，以虚拟点为参考点。
虚拟点并非实际量测点，该点所得数值通常是多个量测点之运算结果。
响应点位于试件上，不同于检查点或参考点，主要用以振动响应调查。
∙振动响应调查在试验方法Ι(如规范要求)，振动响应调查目的在探讨试件之机械或结构动态效应。
而在试验方法Ⅱ目的在探讨共振及最小的-3dB频宽( B r)，以便求得频率分辨率( B e)。
为避免响应调查时因共振节点(nodal point)而疏漏某些共振频率，建议在相关规范中明订多个响应量测点。
此外，量测时应避免因量测设置而改变试件动态特性(如加速仪过重)；应注意非线性共振时，共振频率及放大倍率都有变动之可能。
振动响应调查可依其激振方式分为正弦扫描与随机两种：A. 正弦扫描激振扫描方式于频率范围(f1～f2)内，以不超过1 octave/min 之速率进行扫描，其它可参考IEC 68-2-6。
B r 与B e 之计算将扫描时于不同频率测得之响应振幅除以输入振幅，可求出频率响应曲线，并从而求得共振频率与最小的-3dB频宽( B r)，再依第5.(5)b.节公式算出频率分辨率 B e。
一般要求在最小的-3dB频宽中，至少应包含五条频谱线。
B. 随机激振方式以各频率ASD位准皆近似之频谱作为激振输入讯号。
a. 控制方式:单点控制单点控制通常用于小型或结实之试件，其控制回馈讯号来自单一参考点。
多点控制多点控制通常用于大型或复杂之试件，控制回馈讯号来自多个参考点，控制方式有以下两种：平均方式：以所有检查点测得频谱在各频率之算术平均为参考频谱。
极值方式：以所有检查点测得频谱在各频率之最大值为参考频谱。
b. 驱动讯号之统计特性机率分布本标准中要求振动试验之瞬间控制驱动讯号属常态分布，其主要原因为：以现今知识水平而言，对常态分布特性有较深入之了解，对于其模型建立及结果统计较能掌握。
振动试验中讯号历经多重滤波过程，可视之为足够多个随机变量之和，由中央极限定理(central limit theorem)可知其分布应为常态。
任何常态分布变量经线性转换后，分布仍为常态。
随机振动现场所量得数据近似于常态分布。
c. 波高率(crest factor)或截断位准(clipping level)波高率或截断位准系用以限制数字控制系统输出之驱动讯号，用意在：保护振动系统，截除过大之驱动讯号。
波高率为振幅峰值与均方根值之比，在本标准要求限制在2.5以上，使随机振动之振幅分布符合常态分布的99%。
当规格要求在低频(例如20Hz)须具高ASD位准时，波高率过高可能使振动系统无法达到规格之振幅需求，因此须在相关规范中降低波高率需求。
此外，若要求低频有显著的ASD位准时，波高率即使限制在2.5以上，其振幅可能仍然不是常态分布。
试验误差1.仪具误差(instrument error)此误差来自振动讯号量测系统与数字转换程序，由加速仪(accelerometer)、电缆线、放大器(调节加速仪讯号用)、反膺频滤波器(anti-aliasing filter)模拟数字转换器(analog digital converter)等包含模拟组件之仪具所组成。
应将此误差自试验总容差中扣除。
2.随机误差(random error, E r)随机误差与振动频谱分析时之样本数有关。
对线性平均(linear average)而言，统计之自由度( N d)约可表为：N d = 2 B e Ta = 2 n其中n 为发生在有效平均时间( Ta)内之平均次数。
对指数平均(exponential average)而言，统计之自由度约可表为：N d = 2 n ( 2 p - 1 )其中1/ p 为每次平均时加入讯号中的新成分比例，n 为发生在有效平均时间内之线性平均次数。
若ASD频谱之自由度为 N d ，并要求其精确信赖度为a，则频谱之真值G xx( f )与估算值G xx( f )存有如下关系：其中c2(.)为卡方(Chi-square)分布函数。
依此式作图如图3所示。
3.偏移误差(bias error, E b)分析振动响应频谱时，若频率之分辨率不足，则在频谱中形状较陡峭处，将产生过低(峰)或过高(谷)之偏移误差。
