环境试验讲座
授课人：沈光新
2022年8月6日
讲
座
内
容
1. 什么是环境试验
2. 力学环境试验的目的和意义
3. 环境试验的必要性
4. 选择产品试验的时间
5. 何种产品需要做环境试验
6. 试验步骤
7. 环境试验的分类
8. 力学环境试验技术名词术语
9. 环境试验的相关标准
10. 正弦振动试验
11. 随机振动试验
12. 汽车运输振动试验
13. 模拟汽车运输试验台选型
14. 冲击与碰撞试验
15. 自由跌落试验
16. 自由跌落相关计算
什么是环境试验
¨ 环境——是指在任何时间和地点所存在或遇到的自然的和诱发的
条件的总和。为保证产品在规定的寿命期间，在预期的使用、运
输或储存的所有环境条件下保持功能可靠性而进行的设计、研究、
制造和试验的工程称之为环境工程。任何产品都处在一定的环境
之中，在一定的环境下使用、运输、和储存，产品总是摆脱不了
这些环境的影响。
¨ 环境条件——按环境因素属性进行的分类，可分为：①气候因素，
包括温度、湿度、气压、雨、雪、冰、霜、沙尘、盐雾、腐蚀性
气体等；②力学因素（机械因素），包括振动、冲击、摇摆、恒
加速度、爆炸、地震、噪声振动等；③生物因素，包括霉菌、昆
虫、海洋生物等；④电磁辐射因素，包括无线电干扰、雷电、电
场、磁场等。
¨ 环境试验——是环境技术的一个重要的组成部分，它是考核各种
环境条件下对产品的作用和影响。环境试验是将产品暴露在自然
的或人工的环境条件下经受其作用，以评价产品在实际使用、运
输和储存的环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度
及其作用机理。
力学环境试验的目的和意义
在经济、技术高速发展的今天，产品的质量正在得到人们的重视，人们
更加重视产品的环境适应性问题。合理地制定产品的环境条件，正确地选择
产品的环境防护措施和做好环境试验工作是保证产品可靠性和质量的重要环
节。
产品的质量是指产品从出厂到使用期满的全过程中能够满足规定的或者
潜在的要求的一切特征和特性的总和。这些特征和特性包括了产品的性能、
强度、尺寸、外观、公差、寿命、可靠性、可维修性、废品率和使用期等。
其中，产品的可靠性是产品质量的重要内容。产品的可靠性是指产品在规定
的期限内、在规定的条件下完成规定任务的概率。这个规定的条件包括了环
境条件、载荷条件及使用维护人员的条件。产品丧失了规定的功能，而不能
完成规定的任务叫做发生故障，对元器件来说一般称为失效。这些故障中有
些是在使用元件或材料不合要求或在不恰当的操作使用条件下必然出现的现
象，另外一些故障则是带有随机性，这种随机性故障出现之前是无法事先预
料的，但是它们服从于一定的规律。某个产品的故障率越低，则该产品的可
靠性就越高。
对于振动、冲击的研究，经济和国防建设的发展又提出了更高更苛刻的
要求。因此，研究力学环境试验技术，研究振动与冲击的目的，就是要防止
各种力学环境因素对机器、设备、结构、元件、器件的影响和对人身造成的
伤害，确保产品的质量和可靠性，这是我国现代化建设的重要课题之一。
对力学环境试验技术的研究，就是要防止力学环境因素对产品造成的危
害，通过对力学理论更深的研究，从而对力学环境因素所产生的破坏失效机
理进行更深入更全面的分析，找出更好更切实际的解决方法，其方法有：环
境预防、环境控制、环境利用。
环境试验的必要性
1. 生产出更加可靠的产品；
2. 降低产品成本；
3. 减少质保费用；
4. 提升产品/公司形象；
5. 在批量生产牵找出产品设计/制造的缺
陷；
6. 提高产品的市场竞争力。
选择产品试验的时间
产品开发阶段：应对某些关健部件进行模
拟试验。
样品：对样品进行性能试验。
试制：对试制品进行摸底试验。
批量生产：对产品进行可靠性试验。
何种产品需要做环境试验
所有产品均需做环境试验。如：
电工电子产品、军工产品、仪器
仪表、医疗器械、汽车、计算机、通
讯产品、光纤产品等等。
试验步骤
1. 确定产品环境；
2. 编选试验标淮；
3. 制定试验程序；
4. 预估试验费用；
5. 准备试验产品；
6. 进行环境试验；
7. 评估试验结果；
8. 分析失败原因；
9. 改进设计或制造缺陷；
10.重新作试验；
11.编写试验报告。
环境试验的分类
¨ 按环境条件分
¨ 气候环境试验包括: 温度、湿度、酸硷、盐雾、雨淋、砂尘、光照
等；
¨ 力学环境试验包括: 振动(正弦振动、随机振动)、冲击、碰撞、离心、
跌落、运输等；
¨ 生物环境试验包括: 霉菌、海洋生物等；
¨ 电环境试验包括:电磁干扰、雷电、耐压等。
¨ 按试验方法分
¨ 现场试验： 如跑车等
¨ 人工模拟试验(试验室试验)
1、规定一种机械运动： 这是一种运用最广泛的试验方法：目前国内外
有关力学环境试验方法标准中规定的正弦振动,冲击,碰撞,恒加速度
等单项都属于这一种,它的特点是具有较高的再现性。
2、规定一种试验机：这是一种用等效原理引出的一种近似的试验方法，
如模拟汽车运输试验台，它的缺点是再现性差。
3、规定一种结构响应谱：这种方法主要用于冲击试验中,这种试验方法
能更加清楚地看出冲击激励后响应造成的损伤和潜在故障,这需要在
设备上加测量糸统,这个方法目前国内己得到广泛应用。
力学环境试验技术名词术语（一）
—— 摘自GB 11804-89
环境——在任何时间和地点所存在的或遇到的自然的和诱发的条件的
总和。
环境条件——在一定时间内，产品所经受的外界物理、化学和生物的
条件。（注：环境条件通常由自然界出现的环境条件和产品本身或由外源产生的
环境条件组成。）
环境应力——温度、湿度、振动、冲击等环境条件对产品的作用。
振动——机械系统运动或位置的量值，相对于某一平均值，或参数值
随时间时大时小交替变化的现象。
周期振动——在自变量经过某一相同增量后，其量值能重复出现的振
动。
随机振动——对未来任何一个给定时刻，其瞬时值不能预先确定的振
动。（注：在某一范围内，随机振动大小的概率，可以用概率密度函数来确定。）
激励——作用于系统，使系统出现某种响应的 外力或其他输入。
共振——在系统做强迫振动时，激励频率的任何微小变化均会使系统
的响应下降的振动状态。
重力加速度——在地球 表面上由重力产生的加速度，它随观察点的
纬度和高度而变。按国际协议，选定在北纬450海平面上观测到的
值
力学环境试验技术名词术语（二）
冲击——系统受到瞬态激励，其力、位置、速度或加速度发生突然变
化的现象。（注：如果变化的时间短于所研究系统的固有周期，则认为这种变化
是突然的）
冲击脉冲——在短于系统固有周期的时间内发生的以运动量或力的升
降来表示的冲击激励形式。
环境试验——指一个环境试验方法所包括的一套完整的操作程序，一
般组成为：①预处理（必要时）；②初始检测（必要时）；③条件
试验；④恢复（必要时）；⑤最后检测。
峰值——在给定的区间内某一量的最大值。振动的峰值一般取为该量
与平均值之间的最大偏差，正峰值为最大正偏差，负峰值为最大负
偏差。
减震器——用来在某一频率范围内减弱振动传输的隔离器。
振动周期——周期振动中，同一物理量的相同值重复出现的最短时间
间隔。
振动频率——周期振动中，单位时间内相同的振动量值重复出现的次
数。
幅值——正弦量的最大值。在振动中幅值亦称振幅。
位移幅值——正弦振动中位移的最大值。
力学环境试验技术名词术语（三）
速度幅值——正弦振动中速度的最大值。
加速度幅值——正弦振动中加速度的最大值。
简谐振动——运动量随时间按正弦（或余弦）函数变化的振动。
宽带随机振动——频率成分分布在较宽频带上的随机振动。（注：带
宽和所研究的问题有关，它通常取等于1倍频程的频带。）
窄带随机振动——频率成分分布在某一窄频带上的随机振动。（注：
带宽和所研究的问题有关，它通常取等于或小于1/3倍频程的频带。
窄带随机振动的波形类似正弦波，但其振幅和相位是随机变化的。）
共振频率——出现共振时的频率。
扫频——可控变量（通常是频率）连续经过某一区域的过程。
扫频速率——在扫频过程中可控变量（通常是频率）对时间的变化率，
即df/dt,其中f为可控变量，t为时间。
交越频率—— （交界频率）在振动环境试验中，振动特征量由一种
关系变为另一种关系的频率。例如：交越频率是由等位移–频率关
系变为等加速度–频率关系时的频率。
力学环境试验技术名词术语（四）
倍频程——频率比为21/n的两个频率之间的频段称为1/n倍频程。n=1
为一倍频程；n=2为1/2倍频程；n=3为1/3倍频程。
危险频率——特别能引起产品失效的频率。
碰撞（颠震、连续冲击）——比冲击较弱的多次重复的能量激励。
半正弦冲击脉冲——运动的量值随时间变化的曲线呈半正弦的理想冲
击脉冲。
梯形冲击脉冲——运动的量值随时间变化的曲线呈梯形的理想冲击脉
冲。
后峰锯齿形冲击脉冲——运动的量值随时间变化的曲线呈后峰锯齿形
的理想冲击脉冲。
冲击脉冲持续时间——冲击脉冲从基准值上升到最大值，再下降到基
准值所需的时间（对实测冲击脉冲通常取最大值的10%为基准值）。
冲击响应谱——系列单自由度线性系统受到同一冲击（或碰撞）作用
的最大响应在频域中按系统固有频率的大小的排列（位移、速度、
加速度），它是系统固有频率的函数。
力学环境试验技术名词术语（五）
固有频率——由系统本身的质量和刚度所决定的频率，几个自由度系
统一般有几个固有频率，按大小次序排列，最低的为第一固有频率
等。（注意：有阻尼的线性系统的自由振动频率另称为阻尼固有频
率。）
振动试验——为了解试件在振动条件下的响应、疲劳强度、工作性能
所进行的试验。
共振试验——在试件的共振频率上以给定幅值的加速度或位移，在规
定的时间内所进行的振动试验。
耐振试验——用来考核试件在振动条件下的结构强度、疲劳性能及其
工作性能的试验。
模态试验——为确定振动冲击系统模态参数所进行的振动试验。
冲击试验——考核试件承受冲击载荷能力的试验。
堆码试验——在包装件或包装容器上放置重物，评定包装件或包装容
器承受堆积静载的能力和包装对内装物保护能力的试验。
跌落试验——将包装件按规定高度跌落于坚硬、平整的水平面上，评
定包装件承受垂直冲击的能力和包装对内装物保护能力的试验。
力学环境试验技术名词术语（六）
连续冲击试验——将包装件固定在冲击试验机台面上，使其按规定的
波形、加速度和脉冲持续时间，在规定的时间内进行连续冲击，评
定包装件承受连续冲击的能力和包装对内装物保护能力的试验。
斜面冲击试验——将放置包装件的滑车以一定高度从斜面上滑下，撞
击冲击表面，评定包装件承受水平冲击的能力和包装对内装物保护
能力的试验。
运输试验——将包装件以一定的方式置于运输工具上，在规定的装载
量、运输路线、行驶速度、运输距离与外界气候等条件下，评定包
装件承受压力、冲击、振动、摩擦、温度和湿度变化的能力以及包
装对内装物保护能力的综合试验。
筛选，是产品开发过程中应用振动,热循环等应力加速来发现
产品谮在的缺陷。
可发现缺陷:错误部件,电线绝缘不良,接线不良,元器件参数
热漂移,密封不良,焊接不良,表面处理缺陷。
振动筛选可发现缺陷:装配不良,部件短路,机械缺焰,残存异
物,接口松动,受损部件,部件磨擦,固定松动。
综合筛选可发现:缺陷部件,焊接缺陷,电路缺陷, 残存异物,材
料缺陷,接触不良。
力学环境试验标准
¨ 振动试验方法及标准:
我国的各项试验标准基本上参照和靠拢国际三大标准(IEC；
MIC；ISO) 。对于电工电子产品基本环境试验主要是等效采用或参
照采用国际电工委员会的相应标准，对于国家军用标准主要是等效
采用了美国军用标准，对于相关的机械振动和冲击碰撞以及跌落试
验等标准,主要是采用了相应的国际标准。
¨ 环境试验总则:
(GB/T2421)其中包括了环境试验的基本概念,试验程序,标准条
件和试验顺序的选择。
¨ 正弦振动试验方法标准:
(GB/)电工电子产品环境试验规程； (GB/)、
()国家军用标准低频振动试验和高频振动试验。
¨ 随机振动试验方法标准:
(GB/)中Fd部分；军标()军用设备环境试验
方法。
正弦振动试验
在试验室正弦振动试验的主要目的是找出结构件的固有频
率点(谐振点),并在该点作耐共振试验,这样能迅速地评估试件的
结构强度,结构缺限甚至评定出试件的动态特性;结构件在共振状
态下局部会产生大位移,这就会引起局部弯折形变,进而产生疲劳
损坏,这里提请大家注意两个问题: (1)单纯靠扫频试验是不容易
再现这种疲劳损坏的,因为激励通过结构件的共振频率带的时间
很短不足以造成结构的疲劳损坏；所以找到谐振点后必须再在
该点作耐共振或共振点驻留振动试验。(2)在选择用于整机结构
件的正弦振动试验设备时并不是选频率越高越好；因为这种较
大的结构件的壹阶谐振频率大都在5赫至60赫兹之间；为此
GB2423标淮作了相应的要求,比如电视机的试验规范也是这样要
求的,所以在为较大结构件试验用正弦振动台时主要应考虑台面
大小,负载能力,尤要有幅频特性监测糸统。若选频率高台面小负
载小电磁振动台就没必要了,因为1,价格高电动台主要是为元器
件试验用,价格之所以贵就贵在高频上,而且因频率高活动糸统钢
性要求就高，所以台面做不大,它是以推力计的,比如一吨推力的
电动台其负载能力是按如下公式计算的: F=mg 其中m=活动糸
统+夹具+试品重量。若作20g试验可看出试品顶多只能10kg2,功
耗大是同等负栽能力的机械台的十倍。
随机振动试验
给试件施加随机振动的试验称随机振动
试验分多宽带随机和窄带随机试验.试验条件
由频率范围,加速度谱密度,加速度谱密度的频
谱,总均方根加速度值和试验时间等参数共同
确定：
a. 加速度谱密度是指单位频率上的能量；
b. 频率范围是指随机信号的有效频率成份的带
宽；
c. 加速度谱密度的频谱是指随机振动能量在整
个频率范围内的分布；
d. 均方根加速度是施加给产品的总能量。
汽车运输试验
因其频率范围很宽,加速度谱密度变化也很复杂
所以规定基本上服从正态分布的宽带随机振动;廾世
纪末基本上模拟三级公路的条件作试验;廾一世纪后
对运输试验的要求多样化了,不但要三级公路还进而
要求高等级公路和极造野战路面;因其复杂性,最好在
作试验时配给宽带随机监测糸统.
汽车的随机振动与路面,车速,车型,载重等因素有
关,汽车运输时在车底板上所产生的随机振动其垂直
方向加速度谱密度最大,横向次之,纵向最小.垂直方向
的振动量大部分在0-200赫兹频率范围内,可廷伸到
500赫兹,但以0-50赫兹最为集中,在2-10赫兹附近有两
个较大的峰,经标准处理,汽车运输的加速度谱密度形
状为三级平直台阶谱。
谱线
模拟汽车运输试验台选型
目前国内生产模拟汽车运输试验设备的厂家由于历史的原因均按70年代
设计不符,路虽然平了,但车速快了;跑车试验的谱线不同,加速度总
均方根不同,频谱密度不同,产品可能被激励谐振的情况不同了, 显
然三级公路上汽车产生的随机振动量级要比高级公路产生的随机振
动量级要严酷,为此国家技术监督局己委托青岛进出口检验检疫局
与我公司共同编制新的公路汽车运输试验规范.目前该项目己启动,
鉴予上述原因建议各单位在迭购运输试验台时充分考虑这一因素,
首先1,应尽量避免继续选用仅能模拟三级公路条件的老式设备;2,迭
择能适当调整运输谱线的设备,这样不但可适应目前三级公路的试
验要求,还可应对即将提高的试验要求.3,为了能直观准确地使用设
备完成试验最好配置监测分析系统.
运输试验台监测系统:能对运输试验台的宽带随机谱线进行分析,可显示
实时随机
谱;经计算处理后的谱密度分布曲线;并以数子形式显示加速度平均值,
均方根值,总有效值等试验所关心的主要数据;从而真实地反映了试
验过程中能量的分布情况,有利于对试验结果的分析;
本公司生产的模拟汽车运输试验台,可根据用户提供的试验谱进行调整,
以满足用户试验的要求.
冲击与碰撞试验
冲击与碰撞在试验方法上不尽相同,但它们均是瞬态机
械力的激励,测量用容差法(见相关标准)；有关概念：速度
变化量。
冲击脉冲的速度变化量是指加速度时间历程的积分。
计算方法：
对后峰锯齿波：V=AD/2；
对半正弦波：V=2AD/π；
对梯形波：V=。
冲击——指在冲击过程中遇到的非经常性,非重复性的冲击
力。特点是:加速度大，脉冲持续时间短；波形主要是半正
弦波,后峰锯齿波,方波。试验目的主要是考验试品的机械强
度。
碰撞——指在碰撞过程中多次出现重复的冲击。特点是加
速度低，脉冲持续时间长；主要波形是半正弦波。
冲击、碰撞相关计算
D=W/gk
D——脉宽 ms
W ——重量 kg
g ——加速度 g
k——弹性系数
最大加速度的计算：a= –1418 ×√H/D (g)
H——高度 m
D——脉宽 ms
冲击脉冲波形（图1）
冲击脉冲波形（图2）
冲击脉冲波形（图3）
自由跌落试验
跌落试验国家标准(GB/)的自由跌落中方法一(自由跌
落试验)是一种用来评价由于粗糙搬运可能受到的跌落效应的简单试
验.试验的严酷等级如下:
跌落试验分面,角,棱。 面跌落时落地面不得超过2度角,和棱跌落
时重力线应通过着地的棱或角。
包装跌落试验相关计算
H=（AD）2/16770×
H——跌落高度 m
A——加速度 g
D——脉宽 ms
最大冲击力的计算：Fmax =(1419 ×√H/D+1)W
W——重量
K——承接面钢度
H——高度
D=π√ w/gk
国内力学试验设备生产厂家
目前国内生产力学试验设备的厂家主
要有：西安光新科技发展有限公司、西
安捷盛 、苏州试验仪器厂 、苏州东菱,
北京中元公司 。
