安立寶 彭立曉

（天津航空機電有限公司，天津 300000）

振動試驗是航空電子設(shè)備環(huán)境試驗中的重要一項。電子設(shè)備在使用中由于振動因素而導(dǎo)致失效的占比達到27%以上[1]，絕大部分問題是產(chǎn)品內(nèi)部元器件的脫落、管腳斷裂以及元器件功能失效等，可見提高電子設(shè)備的抗振性能至關(guān)重要，應(yīng)對印制板（Printed Circuit Board，PCB）的振動特性進行研究。印制板的模態(tài)特性決定了其在受到振動激勵時的響應(yīng)情況，所以在印制板設(shè)計階段、試驗驗證階段以及優(yōu)化方案驗證階段，對印制板的模態(tài)測試必不可少。本文對不同試驗?zāi)康南掠≈瓢迥B(tài)試驗方法進行研究。

1 試驗準備

1.1 約束方式

在實驗?zāi)B(tài)分析中，有將產(chǎn)品用橡皮自由懸掛或用泡沫墊起來和保持產(chǎn)品的原來的邊界條件兩種結(jié)構(gòu)支撐方式。自由模態(tài)測試方法中，產(chǎn)品具有6個頻率為零的剛體自由度。當剛體模態(tài)的頻率小于第一階振動模態(tài)的20%時，可以認為剛體模態(tài)不會對振動模態(tài)產(chǎn)生影響。保持產(chǎn)品原來的邊界條件這種支撐方式，能夠獲得完整的數(shù)據(jù)。如果是為了建立或修正有限元模型，應(yīng)該選擇將產(chǎn)品用橡皮自由懸掛或用泡沫墊起來；如果是研究結(jié)構(gòu)的減振技術(shù)，則應(yīng)該盡可能模擬結(jié)構(gòu)的實際安裝狀況，選擇保持產(chǎn)品原來的邊界條件[2]。

1.2 激勵方式

激勵方式要根據(jù)試驗條件選擇。單點激振技術(shù)是目前廣泛采用的技術(shù)。采用單點激勵技術(shù)中的錘擊脈沖瞬態(tài)激勵方法，即用帶有力傳感器的力錘敲擊產(chǎn)品，給產(chǎn)品一個脈沖力，同時在需要測量的位置安裝加速度計測量響應(yīng)，將力信號和響應(yīng)信號經(jīng)放大器放大后輸入動態(tài)信號分析儀中進行模態(tài)參數(shù)識別[3]。

印制板需要測點數(shù)量較多，且傳感器質(zhì)量對于結(jié)構(gòu)特性的影響較大，故選擇多點激勵單點響應(yīng)的測試方法。

1.3 測點選取

錘擊法模態(tài)測試分為移動傳感器法和移動力錘法。在錘擊法模態(tài)分析中，敲擊點和響應(yīng)點的選擇至關(guān)重要。為了避免傳感器質(zhì)量影響和減少試驗次數(shù)，印制板選取移動力錘法進行試驗[4]。選擇印制板中一點作為參考點布置加速度傳感器，而錘擊點均勻分布于印制板整個面。此種情況下要獲得高階模態(tài)，需要比較密集的錘擊點。

1.4 試驗設(shè)備

為了減輕傳感器質(zhì)量對印制板的影響，選取質(zhì)量較輕的單向加速度傳感器（質(zhì)量為1 g）進行測試。用錘擊法進行測試，需要用到力錘進行激勵。試驗關(guān)注頻率為2 000 Hz以內(nèi)，故選取塑料錘頭進行測試。

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 自由模態(tài)測試

將產(chǎn)品用橡皮繩吊起來，采用移動力錘法，將參考加速度傳感器布置在圖1中的6點位置。25個錘擊點均勻分布，如圖1所示。印制板的測試結(jié)果如表1所示，最終測試得到模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型，如圖2～圖5所示。

圖2 電路板模態(tài)振型（87.5 Hz）

圖5 電路板模態(tài)振型（468.0 Hz）

表1 印制板自由模態(tài)測試結(jié)果

圖1 自由模態(tài)測試

圖3 電路板模態(tài)振型（152.0 Hz）

印制板的剛體模態(tài)為30.0 Hz，遠遠小于一階模態(tài)87.5 Hz，說明試驗約束條件滿足要求。

通過振型可以看出：1階、2階為彎曲模態(tài)；4階為2階彎曲模態(tài)；3階模態(tài)由于布點數(shù)量少，振型不明顯。目前，布點數(shù)量可以滿足仿真驗證模型要求。

圖4 電路板模態(tài)振型（281.0 Hz）

2.2 約束模態(tài)（鎖緊安裝方式）

將產(chǎn)品模擬真實安裝狀態(tài)進行安裝，用鎖緊條牢固安裝在夾具上[5-8]。應(yīng)用移動力錘法，將參考加速度傳感器布置在圖2中6點位置，錘擊點共25個，均勻分布，如圖6所示[9-10]。印制板約束模態(tài)測試結(jié)果如表2所示，測試得到模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼和模態(tài)振型，如圖7～圖10所示。

表2 印制板約束模態(tài)測試結(jié)果

圖6 約束模態(tài)測試

圖7 電路板模態(tài)振型（105 Hz）

圖8 電路板模態(tài)振型（286 Hz）

圖9 電路板模態(tài)振型（495 Hz）

圖10 電路板模態(tài)振型（575 Hz）

3 結(jié)語

本文通過對電路板進行自由模態(tài)與約束模態(tài)測試，得到產(chǎn)品在自由與模擬實際約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率、模態(tài)振型和模態(tài)阻尼。自由模態(tài)試驗結(jié)果可以用于仿真數(shù)據(jù)驗證模型，而約束模態(tài)試驗結(jié)果可以用于產(chǎn)品研制試驗和產(chǎn)品故障排除。通過模態(tài)測試，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計和修改提供參考。