《振動噪音科普專欄》甚麼是衝擊試驗機ShockTest Machine？

 

這個單元要來探討的主題是：甚麼是「衝擊試驗機」(Shock Test Machine)？

 

「衝擊試驗」(Shock Test)也是產品很重要的一種測試、試驗方法。首先，就以4W心法，破題來說：

 

1.          What is? 什麼是「衝擊試驗機」？

2.          Why to do? 為什麼要進行「衝擊試驗」？

3.          What goals? 進行「衝擊試驗」，要達到甚麼目標？

4.          How to do? 如何進行「衝擊試驗」？

 

接著，就逐項討論，What is? 什麼是「衝擊試驗機」？參閱圖片，左下方是一部自由落下「衝擊試驗機」(free-fall shock test machine)，其主要的組成，如圖片中間上方，簡要說明如下：

 

1.      待測物(device under test, DUT)：DUT待測物鎖固在衝擊平台(shock table)上方。

2.      衝擊平台(shock table)：乘載DUT待測物，兩側和導軌(guide rods)連接，可以自由移動、並可控制衝擊平台的高度。

3.      導軌(guide rods)：可以提供衝擊平台接近無摩擦、自由滑動，讓衝擊平台在控制的高度，以自由落體(free fall)方式落下，使得DUT待測物和衝擊平台，撞擊衝擊墊(programmer pad)。

4.      衝擊墊(programmer pad)：會使用不同材質、不同幾何形狀的pad衝擊墊，以能創造出不同的衝擊響應(shock response)、衝擊波(shock wave)。後續將會補充說明pad衝擊墊的型式。

 

初步瞭解了「衝擊試驗機」的實體架構、主要組件及其系統運作流程。其次，要思考的是：Why to do? 為什麼要進行「衝擊試驗」？簡要說明如下：

 

1.          產品在運輸(transportation)與操作(operating)過程，會遭遇到各種振動環境(environmental vibration)。

2.          要進行「衝擊試驗」(shock test)，主要目的：在於驗證(validate)產品能否承受振動(vibration)、衝擊(shock)，以防止疲勞破壞(fatigue failure)。其中，衝擊(shock)就是本單元的討論重點，稱為「衝擊試驗」(shock test)。有關「振動試驗」(vibration test)，讀者可參考：#497，【甚麼是振動試驗機(Vibration Test Machine)？】 (https://ppt.cc/fyGvnx)。

 

因此，可以知道：What goals? 進行「衝擊試驗」，要達到甚麼目標？就是：確認(verify)所設計製造之產品的安全(safety)、品質(quality)、可靠度(reliability)。

 

最後，要瞭解的是：How to do? 如何進行「衝擊試驗」？當然，就需要一部「衝擊試驗機」(Shock Test Machine)！常見的「衝擊試驗」(Shock Test) 在此，列舉典型常見的三種「衝擊試驗」：

 

(1)       Half-Sine Wave 半正弦波

(2)       Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波

(3)       Rectangle Wave 方波

 

接著，就舉例說明這三種「衝擊試驗」。

 

首先，參閱圖片右上方，是典型的Half-Sine Wave 半正弦波「衝擊試驗」，顯示的是：MIL-STD-202G--Method 213B--Shock standard--Half-Sine wave。重點簡要說明如下： 

 

1.      顧名思義，Half-Sine Wave 半正弦波的「衝擊試驗」，要創造的衝擊波(shock wave)，就是如圖示的Half-Sine Wave 半正弦波。

2.      Half-Sine Wave 半正弦波的重要參數，包括：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

3.      要創造Half-Sine Wave 半正弦波的衝擊墊(programmer pad)，通常採用橡膠材質、圓柱體的pad衝擊墊。需要設計適當的圓柱體直徑、高度、以及數量，同時，也要配合衝擊平台的高度。使得能夠控制得到需要的：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

4.      參閱Single pad單一衝擊墊的模擬分析結果：(1) 峰值振幅(peak amplitude)大約是500 G。(2) 衝擊時間(shock duration time)大約是0.02 sec。

5.      參閱Four pad四個衝擊墊的模擬分析結果：(1) 峰值振幅(peak amplitude)大約是 800 G。(2) 衝擊時間(shock duration time)大約是0.01 sec。

 

其次，參閱圖片右下方，是典型的Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波「衝擊試驗」，顯示的是：MIL-STD-810F--Shock standard--Terminal-Peak Sawtooth wave。重點簡要說明如下： 

 

1.      顧名思義，Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波的「衝擊試驗」，要創造的衝擊波(shock wave)，就是如圖示的Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波。

2.      Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波的重要參數，包括：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

3.      要創造Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波的衝擊墊(programmer pad)，通常採用鉛材質、圓錐體的pad衝擊墊。如圖片所示，為做過衝擊試驗後，有永久變形的、扁平鉛塊。需要設計適當的鉛塊圓錐體的直徑、高度、錐度以及數量，同時，也要配合衝擊平台的高度。使得能夠控制得到需要的：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

4.      參閱上方的模擬分析結果，係採用相同的鉛塊圓錐體pad衝擊墊，施予不同衝擊平台高度，分析得到之倒鋸齒波的波形。大致的趨勢，衝擊平台高度越高，(1) 峰值振幅(peak amplitude)越大，(2) 衝擊時間(shock duration time)越短。

5.      參閱下方的模擬分析結果，係採用相同的衝擊平台高度，幾何尺寸略有差異的鉛塊圓錐體pad衝擊墊，創造的倒鋸齒波的波形，大致的趨勢相同，(1) 峰值振幅(peak amplitude) 大約是在100G~120G之間。(2) 衝擊時間(shock duration time)大約是0.01 sec。

 

看過兩種衝擊波的「衝擊試驗」，可以使用相同的「衝擊試驗機」，主要的差別在選用衝擊墊(programmer pad)：

 

1.          Half-Sine Wave 半正弦波「衝擊試驗」，通常採用橡膠材質、圓柱體的pad衝擊墊，可以重複使用。

2.          Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波的「衝擊試驗」，通常採用鉛材質、圓錐體的pad衝擊墊，一次性的使用，因為，圓錐體的鉛塊，撞擊後會產生永久變形、呈現扁平狀態。

 

第三種「衝擊試驗」，參閱圖片左下方，是典型的Rectangle Wave 方波「衝擊試驗」，顯示的是：MIL-STD-810F-2000--516.5 Shock standard--Rectangle wave。重點簡要說明如下： 

 

1.      顧名思義，Rectangle Wave 方波的「衝擊試驗」，要創造的衝擊波(shock wave)，就是如圖示的Rectangle Wave 方波。

2.      Rectangle Wave 方波的重要參數，包括：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

3.      要創造Rectangle Wave 方波的衝擊墊(programmer pad)，通常採用鉛材質、中空圓柱體的pad衝擊墊，如圖片所示的幾何形狀。經過衝擊試驗後，也會有永久變形、形成扁平鉛塊。需要設計適當的鉛塊，如中空圓柱體的內外直徑、高度以及數量，同時，也要配合衝擊平台的高度。使得能夠控制得到需要的：(1) 峰值振幅(peak amplitude)。(2) 衝擊時間(shock duration time)。

4.      參閱圖片的模擬分析結果，分析得到之Rectangle Wave 方波的波形，(1) 峰值振幅(peak amplitude) 大約是60G。(2) 衝擊時間(shock duration time)大約是0.01 sec。

 

綜合這個單元的討論：甚麼是「衝擊試驗機」(Shock Test Machine)？介紹了典型的自由落下「衝擊試驗機」(free-fall shock test machine)，以及重要的組件，包括：待測物(device under test, DUT)、衝擊平台(shock table)、導軌(guide rods)、衝擊墊(programmer pad)等。

 

也以4W心法，來瞭解這個主題，包括：

 

1.          What is? 什麼是「衝擊試驗機」？

2.          Why to do? 為什麼要進行「衝擊試驗」？

3.          What goals? 進行「衝擊試驗」，要達到甚麼目標？

4.          How to do? 如何進行「衝擊試驗」？

 

列舉典型常見的三種「衝擊試驗」，可以使用相同的「衝擊試驗機」，主要的差別在選用衝擊墊(programmer pad)：

 

(1)       Half-Sine Wave 半正弦波「衝擊試驗」，通常採用橡膠材質、圓柱體的pad衝擊墊，可以重複使用。

(2)       Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波「衝擊試驗」，通常採用鉛材質、圓錐體的pad衝擊墊，一次性的使用，因為，圓錐體的鉛塊，撞擊後會產生永久變形、呈現扁平狀態。

(3)       Rectangle Wave 方波「衝擊試驗」，通常採用鉛材質、中空圓柱體的pad衝擊墊，一次性的使用，因為，中空圓柱體的鉛塊，撞擊後會產生永久變形、呈現扁平狀態。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2026.09.30

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