金屬物理效能分析

[拼音]：dianzi shebei zhendong yu chongji fanghu

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

電子裝置在工作和運載過程中，不可避免地會受到振動、衝擊等機械力作用。如果結構設計不當，就會使電子裝置受到損害以至失效。為了保證電子裝置可靠地工作，必須採取相應的防護措施。

振動和衝擊對電子裝置的危害有：

（1）使電子裝置不能正常工作。例如，振動引起彈性零件變形，可能使電位器、繼電器、波段開關、插頭、插座等接觸不良或完全開路；可變電容器片子發生共振，電容量就會發生週期性的變化；導線的變形和變位，可能引起分佈參量的變化，從而使電感和電容的耦合發生變化；振動使調諧電感的鐵芯移動，從而引起電感量變化，造成迴路失諧，工作狀態遭到破壞等。

（2）振動和衝擊所產生的機械應力超過強度極限，會使元件、器件和結構遭到破壞。例如，電阻器和電容器引線的斷裂；機殼或底板發生變形甚至開裂，以及脆性材料如陶瓷、玻璃等的斷裂。此外，長期振動或多次衝擊也會使構件發生疲勞破壞。因此，要保證電子裝置在振動和衝擊的環境下正常工作，必須採取各種防護措施。

提高電子裝置本身的抗振能力

提高抗振能力的措施包括：使結構具有足夠的強度和剛度；縮短阻容元件的安裝引線或用適當材料將阻容元件直接粘接到安裝底板上；大而重的元件、器件應用固定夾或其他方式牢固地加以固定；對振動、衝擊特別敏感的元件、器件採取專門防振措施；用甲基矽橡膠灌封整個印製線路板外掛，使印製線路板及其上面的元件成為一個整體，消除元件和印製線路板之間的相互耦合振動；或者用甲基橡膠膜把印製線路板及其上面的元件包覆。在電子裝置中如果能充分考慮上述各項抗振措施，裝置即使不加減振器也能可靠地工作。

隔振措施

隔振是電子裝置振動、衝擊防護的一種重要手段。將特殊的彈性元件（減振器）正確地安裝在裝置和支承結構之間，可在一定頻率範圍內減小振動的影響。但是，如果減振器選擇不當，其效果可能相反。

隔振分為主動隔振和被動隔振兩類。當裝置本身是振源時，為減小其對周圍其他裝置的影響而採取的隔振措施叫主動隔振。其目的是減小傳到支承結構上的振動力。隔振物件是振源。例如，安裝在電子裝置上的通風機或泵是一種干擾源，必須單獨隔振。當外界環境傳給支承結構以振動時，為減小支承結構的振動傳遞到裝置上而採取的隔振措施叫被動隔振。例如，安裝在飛機上的電子裝置，為減小機體振動對裝置的影響，在支承結構和裝置之間安裝減振器。

主動隔振和被動隔振系統（圖1）的原理是相似的。為說明隔振的基本原理，可以單自由度系統的正弦振動為例。對於主動隔振，裝置上受到頻率為p、幅度為H 的激振力，傳遞給支承結構的力的頻率亦為p，而幅值則為P。以傳遞力幅值P與激振力幅值H的比值η＝P/H 表示主動隔振的隔振係數。對於被動隔振，支承結構以頻率為p、幅值為A作正弦振動，而裝置則以頻率為p、幅值為B作振動，兩個振幅的比η=B/A就是被動隔振的隔振係數。根據數學推導，兩種隔振係數的表示式完全相同，它與系統的頻率比γ（激振頻率p與固有頻率ω之比）和系統的阻尼比D 有關（圖2）。只有當頻率比γ 大於

，η小於1，才有隔振意義。頻率比γ 越大，η值越小，隔振效果越好。因此，系統的固有頻率必須低於激振頻率的 1/

時才有隔振效果。阻尼對隔振效果雖有某些不利的影響，但增加阻尼可壓低共振峰。因為外界機械環境複雜，有時可能會引起低頻共振，因此減振器必須有適當的阻尼。

隔振設計的主要任務是選擇和設計適當的減振器，進行合理的佈置，使系統的固有頻率儘可能低於激振頻率，滿足γ＞

。若將電子裝置看作剛體，裝置就是一個具有六個自由度的振動系統（即三個平移振動和三個繞座標軸的旋轉振動），這樣就有六個固有頻率。這六個方向的振動可能是相關的，也可能是彼此獨立的。這主要取決於裝置的重心位置、減振器的剛度和它們的安裝位置等。減振器的安裝力求系統的六個自由度的振動互不相關，但要求六個固有頻率儘量接近。為使它們互不相關而彼此獨立，應滿足兩個條件：

（1）各減振器裝置的作用力的合力應通過裝置的重心；

（2）當裝置繞某座標軸轉動一個微小角度時，各減振器作用力合成一個力偶，力偶的作用平面應與座標軸垂直。圖3是電子裝置中常用的幾種減振器安裝形式，其中a為重心安裝系統，b為底部安裝系統，其餘四種安裝形式也能減少相關性。隔振的電子裝置應能自由晃動，所以要給裝置留有偏移的空間，以便在各個方向上運動時不致衝撞鄰近的其他裝置。位移過大時，應安裝適當的位移限制器。

衝擊隔離

衝擊是一種急劇的瞬態運動。衝擊時使電子裝置破壞的原因，主要是衝擊加速度超過電子裝置的最大允許加速度所造成的。採取增大沖擊接觸時間、減小系統固有頻率、選擇最佳的阻尼值(D＝0.25)等措施，就可以減小衝擊加速度值。衝擊隔離和隔振相似，分主動和被動隔衝兩類。電子裝置的隔衝大都屬於被動隔衝。隔衝設計的實質在於把瞬態的、強烈的衝擊能量，以位能的形式最大限度地儲存在衝擊減振器中，減振器產生較大的變形，然後以系統的固有頻率緩慢地將能量釋放出來，達到保護電子裝置的目的。在一般情況下，減振器越軟，裝置受到的衝擊越小。因此，應給隔衝裝置留出一定的空間間隙。同時，在設計裝置本身的抗衝結構時，應儘量避免懸臂式和應力集中的結構；運動和傳力構件也應儘量做到力的平衡；裝置的結構件儘量採用具有屈服強度、高極限強度和高延伸率的延性材料。

減振器

用來減小或消除振動的一種特殊彈性元件。用於隔振的材料有軟木、毛氈、蜂窩式紙板、泡沫塑料、橡膠及金屬彈簧等。電子裝置常用的減振器有橡膠減振器和金屬彈簧減振器等。當激振頻率範圍較寬時，會出現多個共振頻率點，這時應增加系統的阻尼，消耗共振系統的能量，抑制共振峰。減振器常用的阻尼方式有空氣阻尼和摩擦阻尼等。為適應各種減振要求，減振器還可以設計成變剛度、變阻尼型的。

阻尼減振技術

在電子裝置所處的機械環境中，激振頻率範圍有時很寬，從較低的頻率延伸到較高的頻率。這時，採用減振器隔振往往不能奏效，特別是對於寬頻的隨機振動。因此，現代電子裝置往往不使用減振器，而是增加結構的阻尼來抑制振動。阻尼減振的原理是利用粘彈性阻尼材料的高阻尼特性，將振動的機械能轉變為熱能耗散掉。根據彈性阻尼層的塗覆及與金屬板件的組合形式，可分自由層和約束層兩類。自由層就是把粘彈性材料直接貼上或塗覆在需要減振的構件(如印製板)上，可以是單面噴塗，也可以是雙面噴塗。振動時通過粘彈性材料的變形，吸收振動的能量。約束阻尼層是把粘彈性材料貼上在構件和金屬板之間，可做成多層結構形式，但設計比較複雜。

參考書目

南京工學院主編：《電子裝置結構設計原理》，江蘇科學技術出版社，南京，1981。