電子產品抗振、抗沖擊性能需要測試那些項目？
來源：劍喬儀器
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發(fā)布日期：2021-09-14
產品抗振、抗沖擊性能是體現產品品質的重要評估途徑，產品的環(huán)境適應性和可靠性既是設計出來的，更是試驗出來的。設計奠定了產品固有的環(huán)境適應性和可靠性，而試驗則是完善設計、暴露生產工藝缺陷，評價考核產品各項性能是否符合合同要求必不可少的手段。
經驗證明，約有70 %的設計缺陷是通過試驗找出來的，可見試驗是提高產品質量的非常重要的手段。就中國國情而言，研制與生產過程中的質量控制遠不如國外，最后的評價考核往往是把握產品環(huán)境適應性和可靠性最重要的關口。
產品抗振、抗沖擊性能的試驗屬于力學環(huán)境試驗范疇，按產品可能經受到的各種力學環(huán)境及其特性，其試驗考核方法有:正弦振動試驗、隨機振動試驗、沖擊試驗、碰撞(顛振）試驗、強碰撞沖擊試驗、正弦拍頻振動試驗、瞬態(tài)時間歷程與沖擊響應譜等。
需要進行抗振、抗沖擊性設計的產品往往在全壽命期間會經受到力學環(huán)境+氣候環(huán)境這一綜合環(huán)境的作用，需要進行綜合環(huán)境的試驗與考核。目前，用于軍工產品的綜合環(huán)境試驗考核方法有:溫度/濕度/振動三綜合試驗、溫度/溫度/振動/低氣壓四綜合試驗、振動/噪聲/振動三綜合試驗箱；用于民用產品的綜合環(huán)境試驗考核方法有：溫度/振動（正弦）綜合試驗、低溫/低氣壓/振動（正弦）綜合試驗。在這些綜合試驗中用得最多、最廣泛的是溫度/濕度/振動三綜合試驗。
正弦振動試驗的目的是在試驗室內模擬產品在運輸、儲存、使用過程中所可能經受到的正弦振動及其影響。正弦振動主要是由于飛機、車輛、船舶、空中飛行器和地面機械的旋轉、脈動、振蕩等諸力所引起的。
正弦振動試驗屬于“規(guī)定一種機械運動” 的力學環(huán)境試驗方法，而這種機械運動是以正弦曲線為基本運動軌跡的。所以在正弦振動試驗中，若知道過去的運動狀態(tài)，就可以確定未來任何時刻運動的各要素。從正弦振動試驗的時間歷程可見，用頻率、幅值兩個參數可以完整描述正弦振動試驗的基本運動。正弦振動試驗基本運動時間歷程如圖1所示。正弦振動試驗的能量存在于某一頻率上，而不是幅值對頻率的連續(xù)譜，如圖2所示。所以正弦振動試驗的試驗條件(嚴酷等級)由頻率、振幅、試驗持續(xù)時間三個參數共同確定。
圖1（左）正弦振動試驗基本運動的時間歷程
圖2（右）正弦振動能量譜圖
隨著試驗技術的發(fā)展，隨機振動的應用領域已越來越寬廣，特別在航空產品的振動試驗方面更是如此，但由于種種原因，正弦振動試驗在除航空產品的其他領域仍在廣泛地使用，其中包括對航天產品的試驗。另外，正弦振動在查找樣品的危險頻率方面更是必不可少的。
振動對產品影響
對結構的影響：這種影響主要是指變形、彎曲、產生裂紋、斷裂和造成部件之間的相互撞擊等。這種破壞又可分為由于振動所引起的應力超過產品結構強度所能承受的極限而造成的破壞，以及長時間的振動（如107次以上應力循環(huán)的振動）使產品發(fā)生疲勞而造成的破壞，這種破壞通常是不可逆的。
對工作性能的影響：這種影響主要是指振動使運動部件動作不正常，接觸部件接觸不良，繼電器誤動作，電子器件噪聲增大，分布參數變化，頻漂等，從而導致工作不正常、不穩(wěn)定，甚至失靈等。 這種影響的嚴重程度往往取決于振動量值的大小。因為在許多情況下，一旦振動停止，工作就能恢復正常，此時這種破壞往往是可逆的。當振動量級超過一定量級時，會使電子設備性能失效，失效是不可取的，這種破壞通常不屬于永久性的破壞。
對工藝性能的影響：這種影響主要是指螺釘松動，連接件或焊點脫開等。這種破壞通常在一個不太長的振動時間內（如半小時）就會出現。
上述的種種影響，特別是當產品的固有頻率和激勵頻率相等引起共振而導致響應幅值急劇增大時，會更迅速和更嚴重地發(fā)生。所以，正弦振動試驗是用來確定產品能否經受住預定的振動條件，能否在預定的振動條件下可靠地工作，性能不發(fā)生下降的一種行之有效的方法，也是確定產品環(huán)境適應性的有效方法之一。
實際上，產品所遇到的振動在大多數情況下是隨機振動，對這些隨機振動，應用隨機振動試驗方法進行試驗更切合實際。但由于試驗技術是先由正弦后發(fā)展到隨機等歷史原因，至今還有許多標準一直沿用正弦振動試驗。重要的是：正弦振動還是用來研究產品的動態(tài)特性，以及確定電子設備環(huán)境適應性平臺量值的有效方法之一。所以正弦振動試驗在力學環(huán)境試驗中仍是一個最重要的振動試驗項目，也是一個很經典的試驗方法。
產品在運輸和實際使用中所遇到的振動，絕大多數是隨機振動。例如，宇航員和導彈在發(fā)射和助推階段的振動；車輛在不平坦的道路上行駛時產生的振動；多變的海浪使船舶產生的振動等，都屬于隨機振動。因此，用隨機振動試驗才能更真實反映產品的抗震性能。
在隨機振動試驗中，由于振動的質點處于不規(guī)則的運動狀態(tài)，永遠不會精確地重復，對其進行一系列的測量，各次記錄都不一樣，所以沒有任何固定的周期。在任何確定的時刻，其振幅、頻率、相位都不能預先知道，因此就不可能用簡單的周期函數和函數的組合來描述。圖3所示為典型的寬帶隨機振動時間歷程。
圖3 典型的寬帶隨機振動時間歷程
隨機振動試驗
影響機理：與正弦振動相比，隨機振動的頻率域寬，而且有一個連續(xù)的頻譜，它能同時在所有頻率上對產品進行激勵，各種頻率的相互作用遠比用正弦振動僅對某些頻率或連續(xù)掃頻模擬上述振動的影響更嚴酷、更真實、更有效。另外，用隨機振動來研究產品的動態(tài)特性和結構的傳遞函數比用正弦振動的方法更為簡單和優(yōu)越。
失效模式：隨機振動和正弦振動一樣能造成導線摩擦、 緊固件松動、活動件卡死，從而破壞產品的連接、安裝和固定。當隨機振動激勵造成的應力過大時，會使結構產生裂紋和斷裂，特別在共振狀態(tài)下更為顯著。長時間的隨機振動，由于交變應力所產生的累積損傷，會使結構產生疲勞破壞。隨機振動還會導致觸點接觸不良，帶電元件相互接觸或短路，焊點脫開，導線斷頭，以及產生強電噪聲等，從而影響產品的正常工作，使產品性能下降、失靈甚至失效。
產品在使用和運輸過程中所經受到的沖擊主要是由于車輛的緊急制動和撞擊、飛機的空投和墜撞（緊急迫降）、炮火的發(fā)射、化學能和核能的爆炸、導彈和高性能武器的點火分離和再入等所產生的。沖擊是一種很復雜的物理過程， 與隨機振動一樣，它具有連續(xù)的頻譜， 但又是一個瞬變過程，不具備穩(wěn)態(tài)隨機的條件。產品受沖擊后，其機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)要發(fā)生突變并將產生瞬態(tài)沖擊響應。圖4所示是現場實測到的沖擊脈沖波形，圖5所示為一現場實測到的中等延續(xù)沖擊加速度響應時間歷程。
圖4 現場實測到的沖擊脈沖波形
圖5 中等延續(xù)沖擊加速度響應時間歷程
產品對機械沖擊環(huán)境的響應具有以下特征:高頻振蕩、短持續(xù)時間、明顯的初始上升時間和高量級的正負峰值。機械沖擊的峰值響應一般可用一個隨時間遞減的指數函數包絡。對于具有復雜多模態(tài)特性的裝備，其沖擊響應包括以下兩種頻率響應分量：施加在裝備上的外部激勵環(huán)境的強迫頻率響應分量和在激勵施加期間或之后裝備的固有頻率響應分量。
從物理概念上講，產品受沖擊（瞬態(tài)激勵）后所產生的沖擊響應的大小代表了產品實際所受到的沖擊強度。若產品的瞬時響應幅值超過產品本身的結構強度，則將導致產品破損。可見產品受沖擊所產生的損壞，不同于累積損傷效應所造成的破壞，而屬于相對于產品結構強度的極限應力的峰值破壞。
沖擊試驗失效模式
1.零件之間摩擦力的增加或減少，或相互干擾而引起的裝備失效；
2.裝備絕緣強度變化，絕緣阻抗下降，磁場和靜電場強的變化；
3.裝備電路板故障、損壞和電連接器失效（有時裝備在沖擊作用下，可能使電路板上多余物遷移而導致短路）;
4.當裝備結構或非結構件過應力時，裝備產生永久性的機械變形；
5.當超過極限強度時，裝備的機械零件損壞；
6.材料的加速疲勞（低周疲勞）;
7.裝備潛在的壓電效應；
8.由于晶體、陶瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃封裝破裂造成的裝備失效。
沖擊會對整個產品的結構和功能完好性產生有害影響。其程度一般隨沖擊的量級和持續(xù)時間的增減而改變。當沖擊持續(xù)時間與產品固有頻率一致或者輸入沖擊環(huán)境波形的主要頻率分量與產品的固有頻率一致時，會進一步增大對產品結構和功能完好性的不利影響。這種機械沖擊一般限制在：頻率范圍不超過10 000 Hz，持續(xù)時間不長于1.0 s。 在大多數情況下，產品的主要響應頻率不超過2 000 Hz，響應的持續(xù)時間小于0.1 s。
強碰撞沖擊試驗主要用來確定產品經受非接觸性水下爆炸、空中爆炸、近距離脫靶炮火等沖擊影響的適應性和結構完整性。
艦載產品可能會經受下列幾種形式的沖擊：艦裝各種火炮（包括導彈）單發(fā)和齊發(fā)所激起的局部沖擊，其中包括火炮炮口的沖擊波（又稱氣浪沖擊）；敵方炮彈、導彈和空中武器在艦船上方附近爆炸所激起的沖擊；自投式敵方攻擊的水中兵器，如水雷、魚雷、深水炸彈在緊靠船體下方爆炸所激起的非接觸性水中爆炸沖擊。
上述這些沖擊有的直接作用在產品（包含減振器）上，有的通過船體本身結構的傳遞作用在產品上。通常，安裝在甲板、舷側板和上層建筑上的產品（包含減振器）易受到炮彈、炸彈、導彈等空中爆炸的沖擊，以及火炮發(fā)射的氣浪沖擊。安裝在船體內的產品易遭受到水中爆炸的沖擊。這些沖擊往往使產品的結構和性能受到很大的影響，甚至被破壞。
例如，1972年，我國掃雷艇在援越掃雷中，受到漏掃水雷的襲擊，雖然船體未漏水，但艇裝的各種電子設備被嚴重破壞，完全喪失了應有的功能。可見上述這些沖擊對艦本體往往不是致命的，但對艦裝各種電子電工產品的破壞性卻相當大，特別是對艦裝各種電子設備的破壞性更嚴重。
隨著艦裝各種電子電工產品越來越多， 越來越復雜，而且將越來越依賴它們的作用，因而對他們的使用可靠性要求越來越高。為了保證艦船電工產品的可靠使用，為了保證在海上航行時的生命財產的安全，特別對參加戰(zhàn)斗的艦船，為了保證不貽誤戰(zhàn)機，必須在試驗室內重現上述沖擊的影響，預先對產品（包含減振器）進行考核。
圖6 輕量級強碰撞 （顛振）沖擊機示意圖；
圖7 中量級強碰撞 （顛振）沖擊機示意
水下爆炸、撞擊、近距高脫靶炮火、空中爆炸及戰(zhàn)場所遇爆炸的沖擊是十分復雜的，呈現瞬態(tài)振動的形式，其沖擊持續(xù)時間遠比一般沖擊要長得多，而且也很難用數學形式來描述它（由一種具有數學形式的沖擊來模擬它或模擬它對產品的影響）。
艦船產品一般都具有重量大、體積大的特點。若用規(guī)定脈沖波形的沖擊機進行試驗，一方面模擬不出爆炸所產生的那種大加速度長持續(xù)時間過程的復雜沖擊；另一方面，規(guī)定脈沖波形的方法與強碰撞沖擊臺相比易受負載（樣品）本身特性的影響。強碰撞沖擊臺就是針對受到劇烈的，但又不是毀滅性的爆炸所產生的沖擊影響而設計的，如圖6和圖7所示。近年來，由于國內強碰撞沖擊機少，無法定量測量和給出實際施加的應力曲線，目前用50 g、30 ms的半正弦沖擊來代替。
碰撞（艦船稱顛振）和沖擊一樣，是一個非常復雜的物理過程，并且是隨機的，能在不同的時間周期上出現。從力學觀點來分析，它們都屬于同一類問題，都是由于外界激勵使系統(tǒng)的運動發(fā)生突變、非穩(wěn)態(tài)的變化。然而由于它們對產品所造成的物理失效不完全相同，為了在試驗室內模擬方便起見，在民用（商用）產品的環(huán)境試驗體系中才將其分成沖擊試驗和碰撞（顛振）試驗。
通常將峰值加速度較大，脈沖持續(xù)時間較短，很少重復出現，相對于產品結構強度來說屬極限應力的定義為沖擊。將峰值加速度不大，脈沖持續(xù)時間較長，不斷重復出現，相對于產品結構強度來說是重復應力的定義為碰撞（顛振）。可見碰撞（顛振）試驗驗主要是為了確定產品經受重復碰撞（顛振）后所引起的累積損傷。目前碰撞 （顛振）試驗在艦船產品的考核中用得最多。
碰撞（顛振）試驗
碰撞（顛振）主要形式：
1.安裝在車輛上使用和通過車輛運輸的產品會經受到由于路面不平、軌道的不連續(xù)、調車、掛接等所產生的碰撞；
2.安裝在艦船上使用和通過艦船運輸的產品，會經受到波浪拍擊等所產生的顛振。
影響機理：由碰撞（顛振）所產生的重復應力會使螺紋連接和鉚接松動，配合產生磨損，構件疲勞，產生裂紋，甚至斷裂。它還會造成脫焊，接觸不良，從而影響產品的電性能。
樣品及固定狀態(tài)：碰撞（顛振）試驗和沖擊、振動等力學環(huán)境試驗一樣，主要針對非包裝樣品，以及在運輸中其包裝可以看做樣品本身一部分的裝置。 這些樣品在運載工具上是被固定使用的。當它們通過運輸工具運輸時，也是在牢靠狀態(tài)下進行的。所以碰撞（顛振）試驗也和沖擊、振動等力學環(huán)境試驗一樣是將樣品固定在試驗臺上進行的。在試驗時，碰撞（顛振）脈沖的輸入點應是產品在現場使用時碰撞（顛振）應力的輸入點。對在運輸過程中，在運輸工具上不固定的產品，民用（商用）產品的環(huán)境試驗體系中用彈跳試驗進行；軍用產品的環(huán)境試驗體系中用包裝試驗臺（不同于國內的運輸試驗臺）進行。目前碰撞（顛振）試驗也和其他一些力學環(huán)境試驗一道用于包裝試驗，然而此時的碰撞（顛振）力是通過包裝箱再傳遞到被試祥品的，所以與本試驗是有一定區(qū)別的。
試驗：產品在實際運輸和使用中所經受到的碰撞（顛振）激勵是十分復雜的。圖8所示是現場實測到的三種碰撞（顛振）脈沖波形。由上述的實際環(huán)境中的碰撞（顛振）脈沖波形可見，它們通常都是不能直接利用的，而且各次碰撞（顛振）脈沖波形之間的一致性很差。所以，要在試驗室內直接重現是困難的。即便上述這些波形能在試驗室內重現，要達到試驗標準中所要求的再現性也是非常困難的。碰撞（顛振）試驗也和沖擊試驗一樣，不是采用直接模擬實際環(huán)境中的碰撞（顛振）脈沖波進行的，而是采用等效損傷的方法，即在試驗室內用經過標準化后的具體有一定峰值加速度和脈沖持續(xù)時間的標稱半正弦脈沖進行。
圖8 實測到的快艇與波浪顛振（碰撞）脈沖波形
產品在運輸、儲存、使用過程中會經受到地震、爆炸、顫振現象或機械振動等所引起的短持續(xù)時間的脈沖振蕩力的作用，圖9中的振動時間歷程曲線就是在殲擊機上實測到的。根據我國某單位對機載（殲擊機）、車載電子設備的安裝平臺振動環(huán)境條件的實測和數據處理過程統(tǒng)計，這種波形占全部所測時間歷程數據的比例約為8 %~ 10 %。那些安裝在易受到隨機或多頻激勵的結構上的產品，在使用環(huán)境中，，在這種振動的作用下，安裝基礎在其共振頻率上會產生一種正弦拍頻振動響應，然后作為輸入傳遞到受此影響的產品上。這種振動對產品的影響比一般的平穩(wěn)隨機振動和正弦振動嚴酷。
圖9 殲擊機上實測到的的振動時間歷程曲線
正弦拍頻振動試驗方法提供了一種在試驗室內再現產品實際可能經受到的或相似的影響，但并不完全需要再現實際環(huán)境的試驗方法。這種方法比平穩(wěn)隨機振動和正弦振動更接近于實際環(huán)境的激勵，而產生的響應比連續(xù)正弦波產生的響應更寬闊。正弦拍頻是地震試驗的重要組成部分。
圖10 正弦拍頻振動時間歷程圖
正弦拍頻是用一較低的正弦波調制的某一頻率的連續(xù)正弦波。一個正弦拍頻的持續(xù)時間為調制頻率的半個周期，如圖10 所示。用正弦拍頻振動試驗方法進行試驗時，樣品在固定頻率上用若干預定的正弦拍頻振動激勵。這些固定試驗頻率可以是預定頻率，也可以是正弦振動試驗響應檢查辨別出來的危險頻率。在每一獨立的正弦拍頻之間有一間歇，留給樣品一個自由響應的衰減時間。
產品在運輸、儲存、發(fā)射和使用期間，可能會經常受到短持續(xù)時間的隨機形式的動態(tài)應力作用，如地震、爆炸，以及在運載工具上使用或通過運輸工具運輸時產品產生這些應力，其特性是在沒有使樣品的振動響應達到穩(wěn)態(tài)條件時，即已消失，屬非平穩(wěn)隨機振動范疇。研究這種瞬態(tài)振動產生的原因、對產品的影響機理及試驗室的模擬技術，進而分析對電子產品的影響，以提高電子產品抗御這種非穩(wěn)態(tài)振動的能力，應作為我們今后開展環(huán)境試驗設備和環(huán)境試驗技術研究的任務之一。
與其他方法相比，這種方法避免了過試驗的傾向。這是因為該方法能比較真實地重現產品實際所經受到的響應，對由于采用太保守的試驗方法（這是當前在制定和確定經典試驗方法的環(huán)境試驗條件時普遍存在的）而產生過應力或疲勞的可能性將大大減小。
典型瞬態(tài)振動時間歷程的波形如圖11所示。在實測到的時間歷程信號中，往往有一定比例的類似上述波形的時間歷程信號。 由于技術上的種種困難，目前對現場振動實測信號的處理僅限于平穩(wěn)隨機振動，這類信號在隨機信號的平穩(wěn)性檢驗中都是被剔除的。然而在實際環(huán)境中是存在的，例如，火箭發(fā)射、殲擊機做各種特技(戰(zhàn)斗)動作和挖掘機采石等過程中都會出現如圖11所示的振動時間歷程。
圖11 典型瞬態(tài)振動時間歷程波形
產品實際使用中往往會經受到多種環(huán)境因素的同時作用，如高低溫、潮濕、低氣壓、鹽霧、霉菌、沙塵等影響。產品在實際使用所經受到的環(huán)境應力，通常不是前面所敘述的單一的正弦振動、單一的隨機振動或單一的沖擊，而是多種環(huán)境應力的綜合作用。大量的事實證明，只有綜合試驗才能模擬產品在多數情況下所經受到的多種環(huán)境因素的同時作用，才能更真實地反映產品現場使用中出現的失效模式。
綜合環(huán)境試驗的試驗條件是將各種環(huán)境條件（振動、低溫、高溫、溫度變化速率、濕度等）的應力綜合在一起，盡量逼真地模擬產品在使用中所遇到的實際環(huán)境條件。溫度/濕度/振動綜合試驗是當今國內外廣泛用于產品，特別是電子產品的可靠性試驗的一種方法。在國軍標GJB 889 200 和美軍標MIL-STD-781中，用溫度/濕度/振動三綜合境試驗進行可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗，以評價產品的可靠性水平指標MTBE值。圖11所示是用于可靠性試驗的溫度/濕度/振動的三綜合試驗的試驗剖面圖。
圖11 溫度/濕度/振動三綜合試驗剖面圖
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