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(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088;2.國家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心(中國電科38所)， 安徽合肥 230088)

0 引 言

電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的最終目的在于如何使系統(tǒng)或裝備在復(fù)雜的機(jī)械、電磁以及熱環(huán)境中滿足電性能的要求，并且具有高的可靠性。其中機(jī)械性能不僅是電性能實(shí)現(xiàn)的載體和保障，而且往往制約著電性能的實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性能作為電子裝備機(jī)械性能中的重要因素之一，其好壞將直接影響電子裝備的優(yōu)劣，這在機(jī)載電子設(shè)備上表現(xiàn)得尤為突出[1-2]。例如，各種機(jī)載電子設(shè)備在飛機(jī)起飛、降落和飛行過程中會(huì)受到從飛機(jī)平臺(tái)傳遞來的振動(dòng)與沖擊，過大的振動(dòng)或沖擊將直接影響電子設(shè)備的性能，甚至無法正常工作[3-4]。為了確保電子設(shè)備在生命周期的各類振動(dòng)環(huán)境中，最大化地突出其設(shè)計(jì)性能，需要對(duì)機(jī)載振動(dòng)敏感的電子設(shè)備進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究。通常對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行減振一般有如下幾個(gè)方法：從優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行減振設(shè)計(jì)[5-6]；安裝阻尼器、涂覆阻尼材料等來增加系統(tǒng)阻尼來減小系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)[7]；安裝吸振器將電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)移到吸振器的振子上[8]。其中安裝隔振器的方式進(jìn)行減振具有實(shí)施簡(jiǎn)單、減振效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，受到了大量設(shè)計(jì)師的青睞，特別是在機(jī)載電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[9-11]。安裝隔振器的方式進(jìn)行減振是在電子設(shè)備和安裝平臺(tái)之間串聯(lián)隔振器，將電子設(shè)備與安裝平臺(tái)進(jìn)行隔離，從而減小平臺(tái)與電子設(shè)備之間的振動(dòng)傳遞，對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備來說，通常是減小機(jī)載平臺(tái)傳遞到電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)。

長(zhǎng)期以來，電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和大量的摸底試驗(yàn)來保證。隨著電子設(shè)備逐漸趨向于多功能化和一體化方向發(fā)展，機(jī)電耦合愈加明顯、結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，原有的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和方法很難滿足使用要求，往往需要經(jīng)過多次地反復(fù)，研制周期長(zhǎng)和成本較大。特別是對(duì)于年輕的設(shè)計(jì)師，更是無從下手。

為了提高機(jī)載電子設(shè)備日益嚴(yán)苛的環(huán)境適應(yīng)性要求，針對(duì)電性能對(duì)振動(dòng)較為敏感的機(jī)載電子設(shè)備，需要開展減振設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和研究。耦合電訊和機(jī)械兩個(gè)方面的因素進(jìn)行減振設(shè)計(jì)和隔振器選型，以適應(yīng)先進(jìn)電子裝備快速發(fā)展的需要，快速準(zhǔn)確地支撐結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)內(nèi)容

從頻域角度，一般的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可以描述為如下的數(shù)學(xué)模型：

X(ω)=H(ω)F(ω)

(1)

式中，F(xiàn)(ω)為系統(tǒng)輸入激勵(lì)，X(ω)為輸出響應(yīng)，H(ω)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。振動(dòng)控制就是通過改變外激勵(lì)輸入F(ω)和系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(ω)這兩個(gè)方面來控制最終的輸出響應(yīng)X(ω)。對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備，通常是通過改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)形式、增加阻尼、加裝隔振器、吸振器等手段來控制和改變系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(ω)，以達(dá)到減小電子設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)的目的，其中加裝隔振器最為簡(jiǎn)單方便，且效果明顯，在實(shí)際應(yīng)用中使用最為廣泛。

基于式(1)，機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括以下幾個(gè)部分：

1) 振動(dòng)環(huán)境條件的獲取

主要內(nèi)容是獲取電子設(shè)備在工作周期內(nèi)所受到的外界振動(dòng)激勵(lì)條件。這部分內(nèi)容主要為設(shè)備減振設(shè)計(jì)提供輸入F(ω)。對(duì)于機(jī)載電子裝備，大多為高度集成的整機(jī)裝備，通常標(biāo)準(zhǔn)或者裝載平臺(tái)中僅給出了裝備整機(jī)的振動(dòng)環(huán)境條件，沒有內(nèi)部單機(jī)的條件。如果采用整機(jī)條件對(duì)內(nèi)部單機(jī)進(jìn)行考核是不合理的，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部單機(jī)的欠試驗(yàn)或過試驗(yàn)；如果僅對(duì)單機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)或者性能評(píng)估時(shí)，都將其安裝到整機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，顯然非常耗時(shí)耗力，也容易導(dǎo)致整機(jī)其他結(jié)構(gòu)的過試驗(yàn)。因此獲取單機(jī)電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件是減振設(shè)計(jì)的首要內(nèi)容，對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備，振動(dòng)環(huán)境條件的獲取主要是對(duì)被減振電子設(shè)備外部振動(dòng)激勵(lì)的裁剪、提取、測(cè)試、采集和歸納。

2) 電子設(shè)備振動(dòng)許用條件的獲取

主要內(nèi)容是獲取電子設(shè)備在全壽命周期內(nèi)正常工作所能承受的最大振動(dòng)條件，以及相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)嚴(yán)酷度，這里用X′(ω)來表示。X′(ω)即為減振設(shè)計(jì)所需要到達(dá)的最低目標(biāo)值，也就是當(dāng)振動(dòng)環(huán)境輸入經(jīng)過減振系統(tǒng)后，輸出給電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)應(yīng)當(dāng)小于或等于X′(ω)，當(dāng)響應(yīng)超過X′(ω)后，設(shè)備就不能正常工作或者性能發(fā)生下降。電子設(shè)備振動(dòng)許用條件，也有文獻(xiàn)稱其為電子設(shè)備的脆值條件、允值條件或者適應(yīng)性條件[2,12]。通常對(duì)于電子設(shè)備振動(dòng)許用條件的獲取方法均是基于結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和疲勞耐久性等純機(jī)械學(xué)科因素上去獲取，但是對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感的機(jī)電耦合明顯的電子設(shè)備，更為重要的是將電性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備的振動(dòng)許用條件。

3) 減振設(shè)計(jì)參數(shù)和減振器件選型

主要工作內(nèi)容是減振方法的選擇、減振設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，以及減振器件的選型。即采取什么樣的減振措施和方法來改變系統(tǒng)的傳遞特性H(ω)，使得電子設(shè)備在給定的振動(dòng)環(huán)境條件F(ω)下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)X(ω)滿足其正常工作的需要。從數(shù)學(xué)模型上描述即為，尋求一定的措施來改變系統(tǒng)的幅頻特性H(ω)，使得下面的式子得以成立：

H(ω)F(ω)=X(ω)≤X′(ω)

(2)

4) 減振性能評(píng)估方法和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

主要是針對(duì)設(shè)計(jì)后的減振系統(tǒng)，進(jìn)行減振效果的評(píng)估，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。具體包括減振性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、減振評(píng)估方法的確定和試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建。同樣對(duì)于減振效果的評(píng)估，需要同時(shí)兼顧電子設(shè)備的機(jī)械性能和電性能雙重指標(biāo)要求。

2 機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)的具體方法

2.1 振動(dòng)環(huán)境條件的獲取方法

電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境條件的獲取是電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)的前提，是減振設(shè)計(jì)的輸入。準(zhǔn)確而又切實(shí)的振動(dòng)環(huán)境條件是完成減振設(shè)計(jì)的保證。對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備，其振動(dòng)環(huán)境條件一般可以通過下列幾種途徑獲取：從設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中裁剪、從同平臺(tái)同類型設(shè)備的條件中借鑒、根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納獲取、借助于有限元等數(shù)值仿真手段進(jìn)行數(shù)值提取。

1) 從設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中獲取

通過合理的采標(biāo)，從電子設(shè)備全壽命周期的環(huán)境剖面出發(fā)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的裁剪，形成電子設(shè)備的振動(dòng)條件，常用的標(biāo)準(zhǔn)有GJB 150A, GB/T 2423等。從標(biāo)準(zhǔn)中裁剪電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件，最需要確定的是3個(gè)條件參數(shù)分別是譜線的形式、振動(dòng)暴露量級(jí)、振動(dòng)暴露時(shí)間，這3個(gè)參數(shù)與設(shè)備安裝平臺(tái)極為相關(guān)。對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備來說，噴氣式飛機(jī)、螺旋槳式飛機(jī)和直升機(jī)是為常見的安裝平臺(tái)。這種方法一般適用于直接安裝在飛機(jī)平臺(tái)上，且在標(biāo)準(zhǔn)適用范疇內(nèi)的一些電子設(shè)備。

2) 從同類型電子設(shè)備中借鑒

從同類型電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件中借鑒，這要求進(jìn)行減振的電子設(shè)備與被借鑒的電子設(shè)備具有相同的安裝平臺(tái)、類似的環(huán)境剖面和安裝方式，因此使用的局限性較大。

3) 通過實(shí)測(cè)手段獲取

通過實(shí)測(cè)手段獲取電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件是最有效、最準(zhǔn)確的途徑。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均有“優(yōu)先采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)”的相關(guān)或者類似的表述。以實(shí)際測(cè)量的方法獲取電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件，通常是在已有原理樣機(jī)階段，在整機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)對(duì)單機(jī)電子設(shè)備安裝位置的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、估計(jì)、歸納、規(guī)范化、等效性評(píng)估等一系列操作后得到的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為單機(jī)電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件，具體的流程如圖1所示。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來獲取振動(dòng)環(huán)境條件最為關(guān)鍵是要保證所采集到的數(shù)據(jù)具有代表性和較高的置信度，以及數(shù)據(jù)分析、處理、歸納方法的適用性和正確性。

圖1 電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境條件的實(shí)測(cè)與仿真獲取流程

4) 借助有限元等數(shù)值分析方法獲取

當(dāng)產(chǎn)品還處于方案設(shè)計(jì)階段，沒有實(shí)物原理樣機(jī)時(shí)，通過有限元等數(shù)值仿真的手段提取電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件是最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。其具體過程與采用實(shí)測(cè)手段獲取振動(dòng)環(huán)境條件基本類似，如圖1所示。通過數(shù)值分析的方法來獲取振動(dòng)環(huán)境條件，最關(guān)鍵的是要保證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和等效性。精細(xì)化的建模手段、合適的動(dòng)力學(xué)仿真方法，以及從業(yè)者豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和深厚的專業(yè)素養(yǎng)是提高結(jié)果置信度的有效方法。

2.2 振動(dòng)許用條件的獲取方法

振動(dòng)許用條件是電子設(shè)備正常工作所能承受的最大響應(yīng)，是減振設(shè)計(jì)輸出和目標(biāo)的最低要求。如何將各種電性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備振動(dòng)許用條件是進(jìn)行減振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備，需要把電性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備的振動(dòng)許用條件，這是一個(gè)極為復(fù)雜的機(jī)電耦合問題。由于機(jī)電耦合問題本身比較復(fù)雜，理論還不太成熟，很多機(jī)理尚不清晰，并且一般電子設(shè)備的機(jī)電模型極為復(fù)雜，采用機(jī)電耦合仿真手段很難進(jìn)行振動(dòng)許用條件的獲取，一般需要采用試驗(yàn)的手段來獲取，文獻(xiàn)[12]在這方面做了大量的創(chuàng)造性工作。一般根據(jù)振動(dòng)環(huán)境條件的類型，通過試驗(yàn)方法獲取設(shè)備振動(dòng)許用條件又分為正弦掃頻追蹤法和隨機(jī)分頻探測(cè)法兩種方法。

1) 正弦掃頻追蹤法

2) 分段隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)法

圖2 分段式隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)法獲取電子設(shè)備的振動(dòng)許用條件

2.3 減振設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算與減振器選型方法

根據(jù)電子設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件和振動(dòng)許用條件，計(jì)算和預(yù)估減振設(shè)計(jì)相關(guān)的指標(biāo)和參數(shù)，并結(jié)合使用環(huán)境、安裝尺寸、重量等確定減振器的種類和型號(hào)，具體流程如圖3所示。

圖3 減振參數(shù)設(shè)計(jì)具體流程

首先對(duì)比電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境條件和振動(dòng)許用條件，初步計(jì)算出減振系統(tǒng)所需要的振動(dòng)傳遞率、起始隔振頻率等初始估計(jì)值。初始減振參數(shù)的估計(jì)可以借助于文獻(xiàn)[12]中提出的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的對(duì)比分析方法。

其次將初始減振參數(shù)輸入到電子設(shè)備動(dòng)力學(xué)分析模型或者減振試驗(yàn)系統(tǒng)中，借助于動(dòng)力學(xué)分析手段或者減振性能評(píng)估試驗(yàn)，獲取電子設(shè)備在初始減振參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。將動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與減振設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果判定是否接受該減振參數(shù)的初始估計(jì)值。如果不能接受，這需要進(jìn)一步對(duì)初始隔振參數(shù)進(jìn)行修正，迭代獲取最終可接受的減振設(shè)計(jì)參數(shù)。

最后綜合電子設(shè)備的總重量、所需的振動(dòng)傳遞率和隔振系統(tǒng)固有頻率進(jìn)行減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與減振器的選型。

2.4 減振性能評(píng)估

針對(duì)設(shè)計(jì)后的減振系統(tǒng)，構(gòu)建合適的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其減振性能的評(píng)估，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

對(duì)于機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備進(jìn)行減振性能評(píng)估，需要同時(shí)兼顧電性能和機(jī)械性能指標(biāo)的考核，通常需要構(gòu)建如圖4所示的振動(dòng)-相噪測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：相噪測(cè)試系統(tǒng)和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。相噪測(cè)試系統(tǒng)由頻率源、電源和相噪測(cè)試儀組成；振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析儀、計(jì)算機(jī)、振動(dòng)臺(tái)及其功率放大器等組成。

圖4 減振性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)

機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備減振效果常用的測(cè)試指標(biāo)有相噪、頻率穩(wěn)定度、加速度功率譜密度、加速度均方根、減振效果、隔振傳遞率等。通過測(cè)試和對(duì)比減振設(shè)計(jì)前后各項(xiàng)指標(biāo)值，對(duì)減振設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行分析和評(píng)估。

3 某機(jī)載雷達(dá)頻率源減振設(shè)計(jì)應(yīng)用

如圖5所示，某機(jī)載雷達(dá)頻率源為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，由時(shí)鐘本振和晶體振蕩器構(gòu)成，其尺寸為200 mm× 125 mm×58 mm，總重量為1.3 kg。受限于安裝空間的限制，頻率源需要采用壁掛式安裝方式安裝在雷達(dá)天線內(nèi)部。

圖5 某機(jī)載雷達(dá)頻率源

由于機(jī)載雷達(dá)天線在飛機(jī)起飛、降落和飛行過程中都會(huì)受到從飛機(jī)平臺(tái)傳遞來的振動(dòng)和沖擊，過大的振動(dòng)或沖擊直接影響頻率源的性能，使得頻率源的相噪指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求。為了確保機(jī)載雷達(dá)在飛行過程中所經(jīng)歷的各類振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)中，最可靠、最充分地發(fā)揮其設(shè)計(jì)性能，需要對(duì)該頻率源進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。根據(jù)該頻率源設(shè)計(jì)指標(biāo)需求，基于前述減振設(shè)計(jì)方法，對(duì)該頻率源開展減振設(shè)計(jì)。

3.1 頻率源振動(dòng)環(huán)境條件的獲取

頻率源作為雷達(dá)天線的單機(jī)設(shè)備，安裝于雷達(dá)天線內(nèi)部。載機(jī)平臺(tái)提供的設(shè)計(jì)輸入中僅僅給出了天線整機(jī)的振動(dòng)環(huán)境條件，沒有頻率源等內(nèi)部單機(jī)的振動(dòng)環(huán)境條件。

為此基于整機(jī)模型，開展動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過數(shù)值仿真的方法獲取頻率源的振動(dòng)環(huán)境條件。

圖6 雷達(dá)天線及頻率源安裝位置

圖6為雷達(dá)天線整機(jī)及頻率源安裝示意圖。通過仿真分析手段提取頻率源安裝點(diǎn)位置(A點(diǎn)和B點(diǎn))處的振動(dòng)響應(yīng)曲線(如圖所示)，并且對(duì)這兩條曲線取包絡(luò)，得到頻率源的振動(dòng)環(huán)境條件如圖7所示。

圖7 數(shù)值仿真手段獲取的頻率源振動(dòng)環(huán)境條件

3.2 頻率源許用條件獲取

頻率源的振動(dòng)許用條件為保證頻率源剛強(qiáng)度不破壞和電性能滿足指標(biāo)要求的前提下，其所能承受的最大振動(dòng)允許值。

由于頻率源結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，并且動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度均滿足要求，因此對(duì)于頻率源的振動(dòng)許用條件，主要從電性能指標(biāo)上考慮，即將電性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)許用要求?；谇笆龇治?，這里直接采用隨機(jī)振動(dòng)分頻試驗(yàn)的手段來獲取其振動(dòng)許用條件。

首先將上一節(jié)中的振動(dòng)環(huán)境條件的隨機(jī)功率譜密度曲線，按照頻率分為若干個(gè)小的頻段范圍；其次將該頻段范圍內(nèi)的功率譜密度值設(shè)為原值的10%，作為該頻段內(nèi)的初始試驗(yàn)值；再次對(duì)各頻段內(nèi)功率譜密度值以10%的增量逐步增加，直到試驗(yàn)過程中電性能指標(biāo)稍下降即停止，并記下當(dāng)前量值作為該頻段的振動(dòng)許用值；最后將各頻段內(nèi)振動(dòng)許用值進(jìn)行連線，即得到頻率源的振動(dòng)許用條件，如圖8所示。

圖8 雷達(dá)天線及頻率源安裝位置

通常通過這種方法獲取的頻率源的許用條件不是唯一的，但是為了便于進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，盡量是使其許用條件匹配隔振器的一般傳遞特性，即盡量提高低頻段振動(dòng)許用條件的值，降低高頻段振動(dòng)許用條件的值。

3.3 減振設(shè)計(jì)參數(shù)估計(jì)與減振器選型

1) 減振參數(shù)估計(jì)

由圖8中的振動(dòng)許用條件和振動(dòng)輸入條件的對(duì)比可見，15～85 Hz的頻段內(nèi)，激勵(lì)條件曲線位于設(shè)備許用條件下方，即該頻段內(nèi)激勵(lì)條件滿足設(shè)備許用要求；當(dāng)85～2 000 Hz的頻段內(nèi)，激勵(lì)條件曲線位于設(shè)備許用條件上方，即該頻段激勵(lì)超出了設(shè)備許用要求。進(jìn)行減振設(shè)計(jì)的主要目的就是進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，改變系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率，使得設(shè)備受到的振動(dòng)響應(yīng)降低到設(shè)備許用條件之下，以滿足設(shè)備使用要求。

對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備，常采用的方式是加裝隔振器。通常單自由隔振系統(tǒng)，隨著外激勵(lì)頻率的增加，振動(dòng)傳遞率先增大后減小?；诖颂攸c(diǎn)，在對(duì)頻率源進(jìn)行減振時(shí)，一方面要盡可能降低85～ 2 000 Hz頻段的振動(dòng)，使其小于該頻段的振動(dòng)許用值，另一方面不能導(dǎo)致15～85 Hz振動(dòng)放大過大而超過該頻段內(nèi)的許用值。

由于單自由度隔振系統(tǒng)在有效隔振頻段內(nèi)，振動(dòng)傳遞率隨著激勵(lì)頻率的增加而減小[13]?；诖耍@里初步以頻率f=85 Hz時(shí)的傳遞率為基準(zhǔn)進(jìn)行減振參數(shù)計(jì)算。近似根據(jù)85 Hz時(shí)振動(dòng)環(huán)境條件與振動(dòng)許用條件的功率譜密度值，計(jì)算其隔振傳遞率為

通常單自由度隔振系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率η僅與系統(tǒng)的阻尼比ξ、頻率比γ(激勵(lì)頻率f與隔振系統(tǒng)固有頻率fn之比，γ=f/fn)相關(guān)[13]，即

(3)

不失一般性，這里設(shè)定減振系統(tǒng)的阻尼比為ξ=0.05，將f=85 Hz，η≤0.52代入式(3)得到，所需要的系統(tǒng)固有頻率為

fn≤49.5 Hz

據(jù)此，設(shè)置隔振器的固有頻率fn=48 Hz，此時(shí)系統(tǒng)的起始隔振頻率fs為

進(jìn)一步以fn=48 Hz，ξ=0.05代入式(3)，對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)的振動(dòng)傳遞率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，除19～28 Hz與40～56 Hz兩個(gè)頻段內(nèi)振動(dòng)傳遞率不滿足許用條件的要求，其他頻段均滿足要求，而19～28 Hz，40～56 Hz這兩個(gè)頻段均處于隔振系統(tǒng)的共振放大頻段。

為了使共振放大頻段內(nèi)振動(dòng)傳遞也能滿足許用值要求，需要增大系統(tǒng)的阻尼。根據(jù)系統(tǒng)的固有頻率fn=48 Hz，結(jié)合19～28 Hz, 40～56 Hz這兩個(gè)頻段的傳遞率許用值要求，折算出系統(tǒng)阻尼需要達(dá)到ξ′=0.85。

然而過大的阻尼將影響有效隔振頻段內(nèi)的減振效果。為此就需要采用具有摩擦機(jī)制的金屬橡膠隔振器、干摩擦隔振器、鋼絲繩隔振器等。這些類型的隔振器基于內(nèi)部摩擦機(jī)制，會(huì)帶來額外的阻尼。在共振放大頻段，由于振動(dòng)位移大，其阻尼較大；而在有效隔振頻段，位移相對(duì)較小，阻尼也較小。一些隔振器甚至能做到無諧峰特性，即系統(tǒng)的共振傳遞率近似等于1。

2) 隔振器選型及安裝

根據(jù)上述估算，對(duì)于該頻率源，需要選擇的隔振器需要具有如下的特性：

① 隔振器類型：金屬橡膠隔振器、干摩擦隔振器、鋼絲繩隔振器等；

② 系統(tǒng)固有頻率：48 Hz左右；

③ 起始隔振頻率：68 Hz左右；

④ 阻尼：共振放大頻段阻尼約0.8(或傳遞率小于1.20)，有效隔振頻段阻尼約0.05。

基于上述參數(shù)，并且結(jié)合頻率源安裝空間和尺寸限制、耐腐蝕性要求等，選擇兩個(gè)某廠家生產(chǎn)的GG -18DZ鋼絲繩隔振器對(duì)頻率源進(jìn)行減振，GG -18DZ的樣本參數(shù)如表1所示。

表1 GG-18DZ鋼絲繩隔振器樣本參數(shù)

根據(jù)樣本參數(shù)以及頻率源的自重，折算出隔振系統(tǒng)固有頻率為48±5 Hz。

實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)隔振器左右平行，且豎向壁掛安裝，具體如圖9所示。另外，為了避免鋼絲繩的大位移疲勞破壞，還在鋼絲繩隔振器內(nèi)部安裝有防撞彈簧對(duì)，當(dāng)發(fā)生沖擊或者異常振動(dòng)時(shí)，上下彈簧片之間才發(fā)生接觸和變形，以吸收沖擊和碰撞的能量，進(jìn)而避免頻率源發(fā)生過大的撞擊。

圖9 頻率源隔振器安裝方式

3.4 減振性能評(píng)估

為了評(píng)估該頻率源減振設(shè)計(jì)方案能否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)其進(jìn)行減振性能評(píng)估試驗(yàn)。圖10為減振性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)，具體包括相噪測(cè)試系統(tǒng)和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)兩部分。

圖10 振動(dòng)相噪測(cè)試系統(tǒng)

通過相噪測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試安裝隔振器和不安裝隔振器兩種情況下頻率源的相噪變化情況，并將測(cè)試結(jié)果與相噪指標(biāo)值進(jìn)行比較。通過在振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中安裝兩個(gè)傳感器，兩個(gè)傳感器分別命名為C01和M01。其中C01安裝在振動(dòng)夾具上，位于隔振器安裝法蘭與夾具的連接點(diǎn)位置，主要作為振動(dòng)控制點(diǎn)；M01安裝在頻率源上，位于頻率源與隔振器連接位置處，作為振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)M01和控制C01之間僅相隔了鋼絲繩隔振器，通過比較M01和C01的振動(dòng)響應(yīng)，就能很清晰地了解振動(dòng)通過隔振器后的變化情況。

圖11和圖12分別為通過上述試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)獲得的頻率源的相噪測(cè)試結(jié)果與振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果。

圖11 頻率源振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

圖12 安裝隔振器前后頻率源相噪對(duì)比

由圖11所示的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可見，振動(dòng)響應(yīng)通過隔振器由C01傳遞到M01，在低頻段內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)稍有放大，在較高頻段范圍內(nèi)，振動(dòng)均呈現(xiàn)衰減。通過兩點(diǎn)的功率譜曲線可見，隔振器的起始隔振頻率為67.5 Hz，且整個(gè)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)加速度均方根由5.62 g降低為2.85 g，整體降低了6.7 dB，整體減振效率明顯。同時(shí)由圖可見，M01測(cè)點(diǎn)的功率譜曲線均在振動(dòng)許用條件之下，可見隔振器實(shí)現(xiàn)了將外界對(duì)頻率源的振動(dòng)激勵(lì)減小到振動(dòng)許用條件之下的要求。

由圖12所示的相噪測(cè)試結(jié)果可見，安裝隔振器后頻率源的相噪相比不安裝隔振器，其相噪測(cè)試曲線明顯平滑，在10～100 MHz頻段相噪改善明顯，并且安裝隔振器后，相噪值均滿足指標(biāo)要求，解決了不安裝隔振器時(shí)相噪指標(biāo)不符合要求的問題。

由振動(dòng)和相噪測(cè)試結(jié)果可見，該頻率源減振設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目的，設(shè)計(jì)方案合理可行。

4 結(jié)束語

針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備需要面臨日益嚴(yán)酷的振動(dòng)環(huán)境條件和日益苛刻的性能指標(biāo)要求，開展機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)方法與研究。

首先從基本的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，概述了電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)所涉及的振動(dòng)激勵(lì)條件、設(shè)備許用條件、減振參數(shù)設(shè)計(jì)與選型、減振效果評(píng)估的內(nèi)容和含義。其次針對(duì)上述4個(gè)方面的內(nèi)容分別開展相關(guān)設(shè)計(jì)方法和流程的研究。對(duì)電子設(shè)備激勵(lì)條件的獲取方法和流程進(jìn)行探索，為減振設(shè)計(jì)提供了振動(dòng)環(huán)境輸入條件；研究了基于試驗(yàn)手段將電子設(shè)備電性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為許用振動(dòng)條件的方法，為具有明顯機(jī)電耦合的機(jī)載電子設(shè)備確定減振設(shè)計(jì)輸出目標(biāo)；探索了關(guān)鍵減振設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算流程與方法，并且構(gòu)建了基于機(jī)電耦合的振動(dòng)-相噪減振性能評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)。最后基于上述減振設(shè)計(jì)方法對(duì)某機(jī)載雷達(dá)頻率源單機(jī)進(jìn)行了減振設(shè)計(jì)應(yīng)用。分別獲取了該頻率源的單機(jī)激勵(lì)條件、減振設(shè)計(jì)目標(biāo)、隔振器選型參數(shù)估計(jì)。并據(jù)此為頻率源單機(jī)選擇了兩個(gè)某廠家生產(chǎn)的鋼絲繩隔振器進(jìn)行減振。隔振器減振性能評(píng)估結(jié)果顯示，安裝隔振器后，頻率源振動(dòng)響應(yīng)、相噪的平穩(wěn)性以及相噪指標(biāo)均勻優(yōu)于不安裝隔振器的狀態(tài)。其中振動(dòng)加速度均方根值整體降低了6.7 dB，減振效果明顯；并且在10～100 MHz頻段內(nèi)，頻率源的相噪得到了明顯的改善，這使得整個(gè)頻段內(nèi)相噪均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。頻率源的減振設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)也驗(yàn)證了機(jī)載振動(dòng)敏感電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)方法的可行性。