电子产品抗振、抗冲击性能需要测试那些项目？
来源：剑乔仪器
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发布日期：2021-09-14
产品抗振、抗冲击性能是体现产品品质的重要评估途径，产品的环境适应性和可靠性既是设计出来的，更是试验出来的。设计奠定了产品固有的环境适应性和可靠性，而试验则是完善设计、暴露生产工艺缺陷，评价考核产品各项性能是否符合合同要求必不可少的手段。
经验证明，约有70 %的设计缺陷是通过试验找出来的，可见试验是提高产品质量的非常重要的手段。就中国国情而言，研制与生产过程中的质量控制远不如国外，最后的评价考核往往是把握产品环境适应性和可靠性最重要的关口。
产品抗振、抗冲击性能的试验属于力学环境试验范畴，按产品可能经受到的各种力学环境及其特性，其试验考核方法有:正弦振动试验、随机振动试验、冲击试验、碰撞(颠振）试验、强碰撞冲击试验、正弦拍频振动试验、瞬态时间历程与冲击响应谱等。
需要进行抗振、抗冲击性设计的产品往往在全寿命期间会经受到力学环境+气候环境这一综合环境的作用，需要进行综合环境的试验与考核。目前，用于军工产品的综合环境试验考核方法有:温度/湿度/振动三综合试验、温度/温度/振动/低气压四综合试验、振动/噪声/振动三综合试验箱；用于民用产品的综合环境试验考核方法有：温度/振动（正弦）综合试验、低温/低气压/振动（正弦）综合试验。在这些综合试验中用得最多、最广泛的是温度/湿度/振动三综合试验。
正弦振动试验的目的是在试验室内模拟产品在运输、储存、使用过程中所可能经受到的正弦振动及其影响。正弦振动主要是由于飞机、车辆、船舶、空中飞行器和地面机械的旋转、脉动、振荡等诸力所引起的。
正弦振动试验属于“规定一种机械运动” 的力学环境试验方法，而这种机械运动是以正弦曲线为基本运动轨迹的。所以在正弦振动试验中，若知道过去的运动状态，就可以确定未来任何时刻运动的各要素。从正弦振动试验的时间历程可见，用频率、幅值两个参数可以完整描述正弦振动试验的基本运动。正弦振动试验基本运动时间历程如图1所示。正弦振动试验的能量存在于某一频率上，而不是幅值对频率的连续谱，如图2所示。所以正弦振动试验的试验条件(严酷等级)由频率、振幅、试验持续时间三个参数共同确定。
图1（左）正弦振动试验基本运动的时间历程
图2（右）正弦振动能量谱图
随着试验技术的发展，随机振动的应用领域已越来越宽广，特别在航空产品的振动试验方面更是如此，但由于种种原因，正弦振动试验在除航空产品的其他领域仍在广泛地使用，其中包括对航天产品的试验。另外，正弦振动在查找样品的危险频率方面更是必不可少的。
振动对产品影响
对结构的影响：这种影响主要是指变形、弯曲、产生裂纹、断裂和造成部件之间的相互撞击等。这种破坏又可分为由于振动所引起的应力超过产品结构强度所能承受的极限而造成的破坏，以及长时间的振动（如107次以上应力循环的振动）使产品发生疲劳而造成的破坏，这种破坏通常是不可逆的。
对工作性能的影响：这种影响主要是指振动使运动部件动作不正常，接触部件接触不良，继电器误动作，电子器件噪声增大，分布参数变化，频漂等，从而导致工作不正常、不稳定，甚至失灵等。 这种影响的严重程度往往取决于振动量值的大小。因为在许多情况下，一旦振动停止，工作就能恢复正常，此时这种破坏往往是可逆的。当振动量级超过一定量级时，会使电子设备性能失效，失效是不可取的，这种破坏通常不属于永久性的破坏。
对工艺性能的影响：这种影响主要是指螺钉松动，连接件或焊点脱开等。这种破坏通常在一个不太长的振动时间内（如半小时）就会出现。
上述的种种影响，特别是当产品的固有频率和激励频率相等引起共振而导致响应幅值急剧增大时，会更迅速和更严重地发生。所以，正弦振动试验是用来确定产品能否经受住预定的振动条件，能否在预定的振动条件下可靠地工作，性能不发生下降的一种行之有效的方法，也是确定产品环境适应性的有效方法之一。
实际上，产品所遇到的振动在大多数情况下是随机振动，对这些随机振动，应用随机振动试验方法进行试验更切合实际。但由于试验技术是先由正弦后发展到随机等历史原因，至今还有许多标准一直沿用正弦振动试验。重要的是：正弦振动还是用来研究产品的动态特性，以及确定电子设备环境适应性平台量值的有效方法之一。所以正弦振动试验在力学环境试验中仍是一个最重要的振动试验项目，也是一个很经典的试验方法。
产品在运输和实际使用中所遇到的振动，绝大多数是随机振动。例如，宇航员和导弹在发射和助推阶段的振动；车辆在不平坦的道路上行驶时产生的振动；多变的海浪使船舶产生的振动等，都属于随机振动。因此，用随机振动试验才能更真实反映产品的抗震性能。
在随机振动试验中，由于振动的质点处于不规则的运动状态，永远不会精确地重复，对其进行一系列的测量，各次记录都不一样，所以没有任何固定的周期。在任何确定的时刻，其振幅、频率、相位都不能预先知道，因此就不可能用简单的周期函数和函数的组合来描述。图3所示为典型的宽带随机振动时间历程。
图3 典型的宽带随机振动时间历程
随机振动试验
影响机理：与正弦振动相比，随机振动的频率域宽，而且有一个连续的频谱，它能同时在所有频率上对产品进行激励，各种频率的相互作用远比用正弦振动仅对某些频率或连续扫频模拟上述振动的影响更严酷、更真实、更有效。另外，用随机振动来研究产品的动态特性和结构的传递函数比用正弦振动的方法更为简单和优越。
失效模式：随机振动和正弦振动一样能造成导线摩擦、 紧固件松动、活动件卡死，从而破坏产品的连接、安装和固定。当随机振动激励造成的应力过大时，会使结构产生裂纹和断裂，特别在共振状态下更为显著。长时间的随机振动，由于交变应力所产生的累积损伤，会使结构产生疲劳破坏。随机振动还会导致触点接触不良，带电元件相互接触或短路，焊点脱开，导线断头，以及产生强电噪声等，从而影响产品的正常工作，使产品性能下降、失灵甚至失效。
产品在使用和运输过程中所经受到的冲击主要是由于车辆的紧急制动和撞击、飞机的空投和坠撞（紧急迫降）、炮火的发射、化学能和核能的爆炸、导弹和高性能武器的点火分离和再入等所产生的。冲击是一种很复杂的物理过程， 与随机振动一样，它具有连续的频谱， 但又是一个瞬变过程，不具备稳态随机的条件。产品受冲击后，其机械系统的运动状态要发生突变并将产生瞬态冲击响应。图4所示是现场实测到的冲击脉冲波形，图5所示为一现场实测到的中等延续冲击加速度响应时间历程。
图4 现场实测到的冲击脉冲波形
图5 中等延续冲击加速度响应时间历程
产品对机械冲击环境的响应具有以下特征:高频振荡、短持续时间、明显的初始上升时间和高量级的正负峰值。机械冲击的峰值响应一般可用一个随时间递减的指数函数包络。对于具有复杂多模态特性的装备，其冲击响应包括以下两种频率响应分量：施加在装备上的外部激励环境的强迫频率响应分量和在激励施加期间或之后装备的固有频率响应分量。
从物理概念上讲，产品受冲击（瞬态激励）后所产生的冲击响应的大小代表了产品实际所受到的冲击强度。若产品的瞬时响应幅值超过产品本身的结构强度，则将导致产品破损。可见产品受冲击所产生的损坏，不同于累积损伤效应所造成的破坏，而属于相对于产品结构强度的极限应力的峰值破坏。
冲击试验失效模式
1.零件之间摩擦力的增加或减少，或相互干扰而引起的装备失效；
2.装备绝缘强度变化，绝缘阻抗下降，磁场和静电场强的变化；
3.装备电路板故障、损坏和电连接器失效（有时装备在冲击作用下，可能使电路板上多余物迁移而导致短路）;
4.当装备结构或非结构件过应力时，装备产生永久性的机械变形；
5.当超过极限强度时，装备的机械零件损坏；
6.材料的加速疲劳（低周疲劳）;
7.装备潜在的压电效应；
8.由于晶体、陶瓷、环氧树脂或玻璃封装破裂造成的装备失效。
冲击会对整个产品的结构和功能完好性产生有害影响。其程度一般随冲击的量级和持续时间的增减而改变。当冲击持续时间与产品固有频率一致或者输入冲击环境波形的主要频率分量与产品的固有频率一致时，会进一步增大对产品结构和功能完好性的不利影响。这种机械冲击一般限制在：频率范围不超过10 000 Hz，持续时间不长于1.0 s。 在大多数情况下，产品的主要响应频率不超过2 000 Hz，响应的持续时间小于0.1 s。
强碰撞冲击试验主要用来确定产品经受非接触性水下爆炸、空中爆炸、近距离脱靶炮火等冲击影响的适应性和结构完整性。
舰载产品可能会经受下列几种形式的冲击：舰装各种火炮（包括导弹）单发和齐发所激起的局部冲击，其中包括火炮炮口的冲击波（又称气浪冲击）；敌方炮弹、导弹和空中武器在舰船上方附近爆炸所激起的冲击；自投式敌方攻击的水中兵器，如水雷、鱼雷、深水炸弹在紧靠船体下方爆炸所激起的非接触性水中爆炸冲击。
上述这些冲击有的直接作用在产品（包含减振器）上，有的通过船体本身结构的传递作用在产品上。通常，安装在甲板、舷侧板和上层建筑上的产品（包含减振器）易受到炮弹、炸弹、导弹等空中爆炸的冲击，以及火炮发射的气浪冲击。安装在船体内的产品易遭受到水中爆炸的冲击。这些冲击往往使产品的结构和性能受到很大的影响，甚至被破坏。
例如，1972年，我国扫雷艇在援越扫雷中，受到漏扫水雷的袭击，虽然船体未漏水，但艇装的各种电子设备被严重破坏，完全丧失了应有的功能。可见上述这些冲击对舰本体往往不是致命的，但对舰装各种电子电工产品的破坏性却相当大，特别是对舰装各种电子设备的破坏性更严重。
随着舰装各种电子电工产品越来越多， 越来越复杂，而且将越来越依赖它们的作用，因而对他们的使用可靠性要求越来越高。为了保证舰船电工产品的可靠使用，为了保证在海上航行时的生命财产的安全，特别对参加战斗的舰船，为了保证不贻误战机，必须在试验室内重现上述冲击的影响，预先对产品（包含减振器）进行考核。
图6 轻量级强碰撞 （颠振）冲击机示意图；
图7 中量级强碰撞 （颠振）冲击机示意
水下爆炸、撞击、近距高脱靶炮火、空中爆炸及战场所遇爆炸的冲击是十分复杂的，呈现瞬态振动的形式，其冲击持续时间远比一般冲击要长得多，而且也很难用数学形式来描述它（由一种具有数学形式的冲击来模拟它或模拟它对产品的影响）。
舰船产品一般都具有重量大、体积大的特点。若用规定脉冲波形的冲击机进行试验，一方面模拟不出爆炸所产生的那种大加速度长持续时间过程的复杂冲击；另一方面，规定脉冲波形的方法与强碰撞冲击台相比易受负载（样品）本身特性的影响。强碰撞冲击台就是针对受到剧烈的，但又不是毁灭性的爆炸所产生的冲击影响而设计的，如图6和图7所示。近年来，由于国内强碰撞冲击机少，无法定量测量和给出实际施加的应力曲线，目前用50 g、30 ms的半正弦冲击来代替。
碰撞（舰船称颠振）和冲击一样，是一个非常复杂的物理过程，并且是随机的，能在不同的时间周期上出现。从力学观点来分析，它们都属于同一类问题，都是由于外界激励使系统的运动发生突变、非稳态的变化。然而由于它们对产品所造成的物理失效不完全相同，为了在试验室内模拟方便起见，在民用（商用）产品的环境试验体系中才将其分成冲击试验和碰撞（颠振）试验。
通常将峰值加速度较大，脉冲持续时间较短，很少重复出现，相对于产品结构强度来说属极限应力的定义为冲击。将峰值加速度不大，脉冲持续时间较长，不断重复出现，相对于产品结构强度来说是重复应力的定义为碰撞（颠振）。可见碰撞（颠振）试验验主要是为了确定产品经受重复碰撞（颠振）后所引起的累积损伤。目前碰撞 （颠振）试验在舰船产品的考核中用得最多。
碰撞（颠振）试验
碰撞（颠振）主要形式：
1.安装在车辆上使用和通过车辆运输的产品会经受到由于路面不平、轨道的不连续、调车、挂接等所产生的碰撞；
2.安装在舰船上使用和通过舰船运输的产品，会经受到波浪拍击等所产生的颠振。
影响机理：由碰撞（颠振）所产生的重复应力会使螺纹连接和铆接松动，配合产生磨损，构件疲劳，产生裂纹，甚至断裂。它还会造成脱焊，接触不良，从而影响产品的电性能。
样品及固定状态：碰撞（颠振）试验和冲击、振动等力学环境试验一样，主要针对非包装样品，以及在运输中其包装可以看做样品本身一部分的装置。 这些样品在运载工具上是被固定使用的。当它们通过运输工具运输时，也是在牢靠状态下进行的。所以碰撞（颠振）试验也和冲击、振动等力学环境试验一样是将样品固定在试验台上进行的。在试验时，碰撞（颠振）脉冲的输入点应是产品在现场使用时碰撞（颠振）应力的输入点。对在运输过程中，在运输工具上不固定的产品，民用（商用）产品的环境试验体系中用弹跳试验进行；军用产品的环境试验体系中用包装试验台（不同于国内的运输试验台）进行。目前碰撞（颠振）试验也和其他一些力学环境试验一道用于包装试验，然而此时的碰撞（颠振）力是通过包装箱再传递到被试祥品的，所以与本试验是有一定区别的。
试验：产品在实际运输和使用中所经受到的碰撞（颠振）激励是十分复杂的。图8所示是现场实测到的三种碰撞（颠振）脉冲波形。由上述的实际环境中的碰撞（颠振）脉冲波形可见，它们通常都是不能直接利用的，而且各次碰撞（颠振）脉冲波形之间的一致性很差。所以，要在试验室内直接重现是困难的。即便上述这些波形能在试验室内重现，要达到试验标准中所要求的再现性也是非常困难的。碰撞（颠振）试验也和冲击试验一样，不是采用直接模拟实际环境中的碰撞（颠振）脉冲波进行的，而是采用等效损伤的方法，即在试验室内用经过标准化后的具体有一定峰值加速度和脉冲持续时间的标称半正弦脉冲进行。
图8 实测到的快艇与波浪颠振（碰撞）脉冲波形
产品在运输、储存、使用过程中会经受到地震、爆炸、颤振现象或机械振动等所引起的短持续时间的脉冲振荡力的作用，图9中的振动时间历程曲线就是在歼击机上实测到的。根据我国某单位对机载（歼击机）、车载电子设备的安装平台振动环境条件的实测和数据处理过程统计，这种波形占全部所测时间历程数据的比例约为8 %~ 10 %。那些安装在易受到随机或多频激励的结构上的产品，在使用环境中，，在这种振动的作用下，安装基础在其共振频率上会产生一种正弦拍频振动响应，然后作为输入传递到受此影响的产品上。这种振动对产品的影响比一般的平稳随机振动和正弦振动严酷。
图9 歼击机上实测到的的振动时间历程曲线
正弦拍频振动试验方法提供了一种在试验室内再现产品实际可能经受到的或相似的影响，但并不完全需要再现实际环境的试验方法。这种方法比平稳随机振动和正弦振动更接近于实际环境的激励，而产生的响应比连续正弦波产生的响应更宽阔。正弦拍频是地震试验的重要组成部分。
图10 正弦拍频振动时间历程图
正弦拍频是用一较低的正弦波调制的某一频率的连续正弦波。一个正弦拍频的持续时间为调制频率的半个周期，如图10 所示。用正弦拍频振动试验方法进行试验时，样品在固定频率上用若干预定的正弦拍频振动激励。这些固定试验频率可以是预定频率，也可以是正弦振动试验响应检查辨别出来的危险频率。在每一独立的正弦拍频之间有一间歇，留给样品一个自由响应的衰减时间。
产品在运输、储存、发射和使用期间，可能会经常受到短持续时间的随机形式的动态应力作用，如地震、爆炸，以及在运载工具上使用或通过运输工具运输时产品产生这些应力，其特性是在没有使样品的振动响应达到稳态条件时，即已消失，属非平稳随机振动范畴。研究这种瞬态振动产生的原因、对产品的影响机理及试验室的模拟技术，进而分析对电子产品的影响，以提高电子产品抗御这种非稳态振动的能力，应作为我们今后开展环境试验设备和环境试验技术研究的任务之一。
与其他方法相比，这种方法避免了过试验的倾向。这是因为该方法能比较真实地重现产品实际所经受到的响应，对由于采用太保守的试验方法（这是当前在制定和确定经典试验方法的环境试验条件时普遍存在的）而产生过应力或疲劳的可能性将大大减小。
典型瞬态振动时间历程的波形如图11所示。在实测到的时间历程信号中，往往有一定比例的类似上述波形的时间历程信号。 由于技术上的种种困难，目前对现场振动实测信号的处理仅限于平稳随机振动，这类信号在随机信号的平稳性检验中都是被剔除的。然而在实际环境中是存在的，例如，火箭发射、歼击机做各种特技(战斗)动作和挖掘机采石等过程中都会出现如图11所示的振动时间历程。
图11 典型瞬态振动时间历程波形
产品实际使用中往往会经受到多种环境因素的同时作用，如高低温、潮湿、低气压、盐雾、霉菌、沙尘等影响。产品在实际使用所经受到的环境应力，通常不是前面所叙述的单一的正弦振动、单一的随机振动或单一的冲击，而是多种环境应力的综合作用。大量的事实证明，只有综合试验才能模拟产品在多数情况下所经受到的多种环境因素的同时作用，才能更真实地反映产品现场使用中出现的失效模式。
综合环境试验的试验条件是将各种环境条件（振动、低温、高温、温度变化速率、湿度等）的应力综合在一起，尽量逼真地模拟产品在使用中所遇到的实际环境条件。温度/湿度/振动综合试验是当今国内外广泛用于产品，特别是电子产品的可靠性试验的一种方法。在国军标GJB 889 200 和美军标MIL-STD-781中，用温度/湿度/振动三综合境试验进行可靠性鉴定试验和可靠性验收试验，以评价产品的可靠性水平指标MTBE值。图11所示是用于可靠性试验的温度/湿度/振动的三综合试验的试验剖面图。
图11 温度/湿度/振动三综合试验剖面图
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