什么是电子设备振动与冲击防护?

什么是电子设备振动与冲击防护?

[拼音]：dianzi shebei zhendong yu chongji fanghu

[外文]：protection of electronic equipment from shock and vibration

电子设备在工作和运载过程中，不可避免地会受到振动、冲击等机械力作用。如果结构设计不当，就会使电子设备受到损害以至失效。为了保证电子设备可靠地工作，必须采取相应的防护措施。

振动和冲击对电子设备的危害有：

（1）使电子设备不能正常工作。例如，振动引起d性零件变形，可能使电位器、继电器、波段开关、插头、插座等接触不良或完全开路；可变电容器片子发生共振，电容量就会发生周期性的变化；导线的变形和变位，可能引起分布参量的变化，从而使电感和电容的耦合发生变化；振动使调谐电感的铁芯移动，从而引起电感量变化，造成回路失谐，工作状态遭到破坏等。

（2）振动和冲击所产生的机械应力超过强度极限，会使元件、器件和结构遭到破坏。例如，电阻器和电容器引线的断裂；机壳或底板发生变形甚至开裂，以及脆性材料如陶瓷、玻璃等的断裂。此外，长期振动或多次冲击也会使构件发生疲劳破坏。因此，要保证电子设备在振动和冲击的环境下正常工作，必须采取各种防护措施。

提高电子设备本身的抗振能力

提高抗振能力的措施包括：使结构具有足够的强度和刚度；缩短阻容元件的安装引线或用适当材料将阻容元件直接粘接到安装底板上；大而重的元件、器件应用固定夹或其他方式牢固地加以固定；对振动、冲击特别敏感的元件、器件采取专门防振措施；用甲基硅橡胶灌封整个印制线路板插件，使印制线路板及其上面的元件成为一个整体，消除元件和印制线路板之间的相互耦合振动；或者用甲基橡胶膜把印制线路板及其上面的元件包覆。在电子设备中如果能充分考虑上述各项抗振措施，设备即使不加减振器也能可靠地工作。

隔振措施

隔振是电子设备振动、冲击防护的一种重要手段。将特殊的d性元件（减振器）正确地安装在设备和支承结构之间，可在一定频率范围内减小振动的影响。但是，如果减振器选择不当，其效果可能相反。

隔振分为主动隔振和被动隔振两类。当设备本身是振源时，为减小其对周围其他设备的影响而采取的隔振措施叫主动隔振。其目的是减小传到支承结构上的振动力。隔振对象是振源。例如，安装在电子设备上的通风机或泵是一种干扰源，必须单独隔振。当外界环境传给支承结构以振动时，为减小支承结构的振动传递到设备上而采取的隔振措施叫被动隔振。例如，安装在飞机上的电子设备，为减小机体振动对设备的影响，在支承结构和设备之间安装减振器。

主动隔振和被动隔振系统（图1）的原理是相似的。为说明隔振的基本原理，可以单自由度系统的正弦振动为例。对于主动隔振，设备上受到频率为p、幅度为H 的激振力，传递给支承结构的力的频率亦为p，而幅值则为P。以传递力幅值P与激振力幅值H的比值η＝P/H 表示主动隔振的隔振系数。对于被动隔振，支承结构以频率为p、幅值为A作正弦振动，而设备则以频率为p、幅值为B作振动，两个振幅的比η=B/A就是被动隔振的隔振系数。根据数学推导，两种隔振系数的表达式完全相同，它与系统的频率比γ（激振频率p与固有频率ω之比）和系统的阻尼比D 有关（图2）。只有当频率比γ 大于


，η小于1，才有隔振意义。频率比γ 越大，η值越小，隔振效果越好。因此，系统的固有频率必须低于激振频率的 1/


时才有隔振效果。阻尼对隔振效果虽有某些不利的影响，但增加阻尼可压低共振峰。因为外界机械环境复杂，有时可能会引起低频共振，因此减振器必须有适当的阻尼。

隔振设计的主要任务是选择和设计适当的减振器，进行合理的布置，使系统的固有频率尽可能低于激振频率，满足γ＞


。若将电子设备看作刚体，设备就是一个具有六个自由度的振动系统（即三个平移振动和三个绕坐标轴的旋转振动），这样就有六个固有频率。这六个方向的振动可能是相关的，也可能是彼此独立的。这主要取决于设备的重心位置、减振器的刚度和它们的安装位置等。减振器的安装力求系统的六个自由度的振动互不相关，但要求六个固有频率尽量接近。为使它们互不相关而彼此独立，应满足两个条件：

（1）各减振器设备的作用力的合力应通过设备的重心；

（2）当设备绕某坐标轴转动一个微小角度时，各减振器作用力合成一个力偶，力偶的作用平面应与坐标轴垂直。图3是电子设备中常用的几种减振器安装形式，其中a为重心安装系统，b为底部安装系统，其余四种安装形式也能减少相关性。隔振的电子设备应能自由晃动，所以要给设备留有偏移的空间，以便在各个方向上运动时不致冲撞邻近的其他设备。位移过大时，应安装适当的位移限制器。

冲击隔离

冲击是一种急剧的瞬态运动。冲击时使电子设备破坏的原因，主要是冲击加速度超过电子设备的最大允许加速度所造成的。采取增大冲击接触时间、减小系统固有频率、选择最佳的阻尼值(D＝0.25)等措施，就可以减小冲击加速度值。冲击隔离和隔振相似，分主动和被动隔冲两类。电子设备的隔冲大都属于被动隔冲。隔冲设计的实质在于把瞬态的、强烈的冲击能量，以位能的形式最大限度地储存在冲击减振器中，减振器产生较大的变形，然后以系统的固有频率缓慢地将能量释放出来，达到保护电子设备的目的。在一般情况下，减振器越软，设备受到的冲击越小。因此，应给隔冲设备留出一定的空间间隙。同时，在设计设备本身的抗冲结构时，应尽量避免悬臂式和应力集中的结构；运动和传力构件也应尽量做到力的平衡；设备的结构件尽量采用具有屈服强度、高极限强度和高延伸率的延性材料。

减振器

用来减小或消除振动的一种特殊d性元件。用于隔振的材料有软木、毛毡、蜂窝式纸板、泡沫塑料、橡胶及金属d簧等。电子设备常用的减振器有橡胶减振器和金属d簧减振器等。当激振频率范围较宽时，会出现多个共振频率点，这时应增加系统的阻尼，消耗共振系统的能量，抑制共振峰。减振器常用的阻尼方式有空气阻尼和摩擦阻尼等。为适应各种减振要求，减振器还可以设计成变刚度、变阻尼型的。

阻尼减振技术

在电子设备所处的机械环境中，激振频率范围有时很宽，从较低的频率延伸到较高的频率。这时，采用减振器隔振往往不能奏效，特别是对于宽带的随机振动。因此，现代电子设备往往不使用减振器，而是增加结构的阻尼来抑制振动。阻尼减振的原理是利用粘d性阻尼材料的高阻尼特性，将振动的机械能转变为热能耗散掉。根据d性阻尼层的涂覆及与金属板件的组合形式，可分自由层和约束层两类。自由层就是把粘d性材料直接粘贴或涂覆在需要减振的构件(如印制板)上，可以是单面喷涂，也可以是双面喷涂。振动时通过粘d性材料的变形，吸收振动的能量。约束阻尼层是把粘d性材料粘贴在构件和金属板之间，可做成多层结构形式，但设计比较复杂。

参考书目

南京工学院主编：《电子设备结构设计原理》，江苏科学技术出版社，南京，1981。