电动型振动台的物理动作特性

   本文介绍了振动台的几个重要频率特性曲线。

   有经验的工程师会发现，在高频（1000Hz以上）试验情况下，有时候很多试验都比较难完成，功放容易出现过电流或过电压或低电压（开环）等报警。这主要还是由于振动台的阻抗随工作频率变化而变化，频率越高，阻抗变化等因素造成的。对于阻抗的概念，初学者可以理解电阻（R），它是阻抗的一种，还有电容性阻抗（C）、电感性阻抗（L），三者加起来叫阻抗（z）。

　　 先看动圈，看看其阻抗特性曲线，可用电阻Rc和电感Lc表示其阻抗，

由于动圈在磁场中运动会产生反电动势，所以动圈还有运动阻抗zk，反电动势e可用下式表示，

所以，

对于动圈可以近似等效成单自由度的振动系统，若动圈质量为m，阻尼为c，弹性系数为k，受到电磁力为F，则速度阻抗为

动圈的速度可表示为

（2）代入（1），得到zk为，

动圈的阻抗z为

根据上式可得到动圈的阻抗特性曲线，如下图1所示。

图1中可以看出，当频率很小时，电感影响小，阻抗接近等于线圈的直流电阻Rc。随着工作频率的增加，阻抗也增大，这主要是运动阻抗增加的结果。当质量和阻尼系统共振时，阻抗出现极值fs，即动圈悬挂机构的机械谐振频率，反馈电动势也到达最大。

当频率高于fs，动圈的感性阻抗作用越渐明显，阻抗可以近似看成电阻、电感和电容的串联电路，动圈反馈电动势也迅速增大，出现第二个谐振频率fc峰值，即动圈共振，

动圈的高阻抗在低频和高频都出现峰值，若不采取各种改进方法，这么大的阻抗肯定给振动台推力和频率范围带来损失。

    接着，看动圈加上功放电压和电流阻抗频响特性图，如图2。

图2中可以看出，

1）阻抗最大点fs  是和运动部件质量和支撑悬挂部件组成的质量-弹性系统的谐振频率点，也就是振动台耳轴部分支撑空气弹簧处，一般为几赫兹至几十赫兹。

2）阻抗最小点fe  驱动线圈和动圈台面处，由于两者之间连接刚度很大，接近刚性连接，输入阻抗最低，大约等于驱动线圈的交流电阻。

3）f<fs电感性阻抗，fs<f<fe电容性阻抗，当f>fe时，又呈现电感性阻抗。在fs和fe处才呈现电阻性阻抗。

4）阻抗次高点fc  当频率f达到动圈共振点fc时，负载阻抗出现第二个峰值，之后阻抗急剧下降。此时，功放的输出电压和电流也会变得很小，当驱动电压特别小时，控制仪检测不到驱动电压的话，就会显示开环报警。

5）再来看看功放输出电流电压的最大最低点，电流最低fs和fc处，电流最大fe处；电压最低点fc处。

6）其他各频率处，都需要功放输出较大的电流和电压值。电压和电流不是同时到达最大值，可以利用这一阻抗特性，在短时间内后获得高加速度。

   有了以上阻抗特性，接下来看看振动台的定电流特性曲线，就是给振动台一个恒定的电流（也就是恒定的推力），台面上产生的加速度随工作频率变化的关系曲线，如图3所示。

图3中，同样有两个峰值，当然这两个峰值就是前面说的支撑部件峰值和动圈共振峰值。具体分析，分为四个区，

I区为刚性控制区，激振力差不多是静止的，振动台的位移幅值正比于激振力，反比于支撑刚度，保持常数；加速度幅值随频率值平方的增加而增加。

II区为台面-支撑系统共振区，频率上升，运动部件和支撑组成的系统发生共振。可通过在系统中增加阻尼，如在支撑弹簧片中间加阻尼层等。这种情况容易导致低频情况下没有办法实现大位移的试验，容易导致过位移报警，可将支撑机构锁死进行低频大位移试验，当然此时地面会有振感。

III区为惯性控制区，频率继续升高，激振力主要用于使台面和试验对象产生加速度，振动台加速度基本保持常数。

IV区为动圈共振区，频率升高，台面和动圈发生共振。

    最后，我们再来看一下振动台的定电压特性曲线，就是给振动台一个恒定的电压值，振动台面产生的加速度和频率的关系曲线，如图4。

图4中，已经看不到前面那个共振峰了，即运动部件和支撑弹簧决定的共振峰。这是因为共振产生的感应电动势减小了动圈电流，把峰值给压平了。在中频区域，幅频特性有一定的峰值，这是由于机电耦合系统在此处形成动圈阻抗的一个低谷，造成动圈电流大大增加所致。当台面上有弹性的试验对象时，振动台的频率特性都会有改变，会出现大小和位置都随负载变化的峰和谷，如图5所示。

   来看图5中的无负载动圈定电压特性曲线中的①和②，有一个峰（peak）和一个谷（notch），此处希望引起大家的绝对重视。在peak处，即振动台共振频率处，输入很小的驱动信号，就可以得到很大的响应，或者说由于共振的影响，试验体振动的厉害，都不需要输入很大的电压和电流信号，就可以得到大的加速度。相反的在notch处，输入较大的驱动信号，却很难得到响应，即所需的加速度。当有负载的情况下，如上文所述，峰和谷会有变化，质量变大，峰和谷朝频率小的地方移动（蓝线移动到红点线）。

   再来谈一下这个峰（peak）和谷（notch）对扫频试验时的影响，即过电压过电流报警和开环报警。扫频试验加速度一定情况下，功放的电流电压输出如下图6所示，在谷（notch）这个频率处需要较大的电压和电流得到试验条件的响应加速度，一旦超过极限值即过电压过电流报警。在（peak）这个频率处，只需要很小的驱动电流和电压，一旦小过控制仪中设定的开环认定值，则开环报警显示。

   通过以上几个曲线可以看出，为了抑制振动台的阻抗特性，使振动台更好的工作，不仅需要对动圈进行良好的优化，还要对功放进行各种改进设计，最后还要引入振动控制系统，最终得到良好的电压、电流、阻抗的频响特性曲线，并以此求得功放输出功率的频响曲线。

   对于上述几种曲线的说明，初学者只要记住各图曲线及后面结论即可，这些结论在试验过程中出现报警时，还是相当有参考价值的。实在记不住，那请一定要记住定电压特性曲线的特征。具体推导过程更复杂，主要讲的是动圈的阻抗特性对振动台内部设计和功放设计的要求，还要考虑波形失真度、台面横向振动、台面振动均匀度等等因素，不建议深究，留给动圈及功放的研发设计人员去解决吧。

参考资料：

1 《振动、冲击环境与试验》P130-133，袁宏杰、姚军等编著，北京航空航天大学出版社。

2 《振动与冲击试验技术》P214-218，胡志强 编著，中国质检出版社、中国标准出版社。

3 《力学环境试验技术》P145、P161-166，本书编著委员会编著，西北工业大学出版社。