印制板模態(tài)測(cè)試方法研究

安立寶 彭立曉

（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300000）

振動(dòng)試驗(yàn)是航空電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)中的重要一項(xiàng)。電子設(shè)備在使用中由于振動(dòng)因素而導(dǎo)致失效的占比達(dá)到27%以上[1]，絕大部分問(wèn)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(duì)印制板（Printed Circuit Board，PCB）的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。印制板的模態(tài)特性決定了其在受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的響應(yīng)情況，所以在印制板設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段以及優(yōu)化方案驗(yàn)證階段，對(duì)印制板的模態(tài)測(cè)試必不可少。本文對(duì)不同試驗(yàn)?zāi)康南掠≈瓢迥B(tài)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 約束方式

在實(shí)驗(yàn)?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(lái)和保持產(chǎn)品的原來(lái)的邊界條件兩種結(jié)構(gòu)支撐方式。自由模態(tài)測(cè)試方法中，產(chǎn)品具有6個(gè)頻率為零的剛體自由度。當(dāng)剛體模態(tài)的頻率小于第一階振動(dòng)模態(tài)的20%時(shí)，可以認(rèn)為剛體模態(tài)不會(huì)對(duì)振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生影響。保持產(chǎn)品原來(lái)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(lái)；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(shí)際安裝狀況，選擇保持產(chǎn)品原來(lái)的邊界條件[2]。

1.2 激勵(lì)方式

激勵(lì)方式要根據(jù)試驗(yàn)條件選擇。單點(diǎn)激振技術(shù)是目前廣泛采用的技術(shù)。采用單點(diǎn)激勵(lì)技術(shù)中的錘擊脈沖瞬態(tài)激勵(lì)方法，即用帶有力傳感器的力錘敲擊產(chǎn)品，給產(chǎn)品一個(gè)脈沖力，同時(shí)在需要測(cè)量的位置安裝加速度計(jì)測(cè)量響應(yīng)，將力信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別[3]。

印制板需要測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多，且傳感器質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)特性的影響較大，故選擇多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)的測(cè)試方法。

1.3 測(cè)點(diǎn)選取

錘擊法模態(tài)測(cè)試分為移動(dòng)傳感器法和移動(dòng)力錘法。在錘擊法模態(tài)分析中，敲擊點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)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(yàn)次數(shù)，印制板選取移動(dòng)力錘法進(jìn)行試驗(yàn)[4]。選擇印制板中一點(diǎn)作為參考點(diǎn)布置加速度傳感器，而錘擊點(diǎn)均勻分布于印制板整個(gè)面。此種情況下要獲得高階模態(tài)，需要比較密集的錘擊點(diǎn)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

為了減輕傳感器質(zhì)量對(duì)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(jìn)行測(cè)試。用錘擊法進(jìn)行測(cè)試，需要用到力錘進(jìn)行激勵(lì)。試驗(yàn)關(guān)注頻率為2 000 Hz以內(nèi)，故選取塑料錘頭進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 自由模態(tài)測(cè)試

將產(chǎn)品用橡皮繩吊起來(lái)，采用移動(dòng)力錘法，將參考加速度傳感器布置在圖1中的6點(diǎn)位置。25個(gè)錘擊點(diǎn)均勻分布，如圖1所示。印制板的測(cè)試結(jié)果如表1所示，最終測(cè)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(cè)試結(jié)果

圖1 自由模態(tài)測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于一階模態(tài)87.5 Hz，說(shuō)明試驗(yàn)約束條件滿足要求。

通過(guò)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(diǎn)數(shù)量少，振型不明顯。目前，布點(diǎn)數(shù)量可以滿足仿真驗(yàn)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(shí)安裝狀態(tài)進(jìn)行安裝，用鎖緊條牢固安裝在夾具上[5-8]。應(yīng)用移動(dòng)力錘法，將參考加速度傳感器布置在圖2中6點(diǎn)位置，錘擊點(diǎn)共25個(gè)，均勻分布，如圖6所示[9-10]。印制板約束模態(tài)測(cè)試結(jié)果如表2所示，測(cè)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(cè)試結(jié)果

圖6 約束模態(tài)測(cè)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(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電路板進(jìn)行自由模態(tài)與約束模態(tài)測(cè)試，得到產(chǎn)品在自由與模擬實(shí)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(yàn)結(jié)果可以用于仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，而約束模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以用于產(chǎn)品研制試驗(yàn)和產(chǎn)品故障排除。通過(guò)模態(tài)測(cè)試，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修改提供參考。