《振動噪音科普專欄》衝擊Shock和振動Vibration有甚麼不同嗎？

 

這個單元要來探討的主題是：衝擊(Shock)和振動(Vibration)有甚麼不同嗎？

 

在探討振動噪音議題，常常會提到Shock vs. Vibration，先前有兩個單元：

 

1.      #497，【甚麼是振動試驗機(Vibration Test Machine)？】 (https://ppt.cc/fyGvnx)。

2.      #499，【甚麼是衝擊試驗機(Shock Test Machine)？】 (https://ppt.cc/f0GD3x)。

 

這個單元，就分別從「衝擊試驗」(Shock Test)以及「振動試驗」(Vibration Test)的角度，來區別探討Shock vs. Vibration的差異。

 

首先，參閱圖片左側的「衝擊試驗」(Shock Test)。顯示了一部自由落下「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。

 

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。

 

參閱圖片右側，另一種振動環境(environmental vibration)試驗，就是「振動試驗」(Vibration Test)。圖片顯示一部「振動試驗機」(Vibration Test Machine)的實體架構：將待測物(device under test, DUT)鎖固在垂直式的振動平台(vibration table)上。振動平台下方的圓柱體結構，就是激振器(shaker)，產生振動、以激振振動平台(vibration table)。也可以將激振器旋轉90度，配合水平式的振動平台(vibration table)，進行DUT待測物的水平方向振動試驗。

 

典型常見的三種「振動試驗」：

 

(1)       Random vibration test 隨機振動試驗

(2)       Swept sine test 掃描正弦波試驗

(3)       Dwell sine test 固定正弦波試驗

 

接著，參閱圖片左下方的系列圖示，係考慮基座激振的單自由度系統(SDOF system with base excitation)，以ISO心法，說明此系統的特徵：

 

1.      輸入(Input)：基座激振(base excitation)施予三種不同的衝擊波(shock wave)。

2.      系統(System)：此自由度系統(SDOF system)，有一質塊(mass)和彈簧(spring)。彈簧(spring)連接了質塊(mass)和基座(base)，並假設具有黏滯阻尼(viscous damping)效應。

3.      輸出(Output)：當基座(base)，受到三種不同的衝擊波(shock wave)，會使得質塊(mass)產生振動響應。

 

針對此單自由度系統(SDOF system)，具有無阻尼自然頻率(undamped natural frequency)，假設為3 Hz。施予三種不同的衝擊波(shock wave)，設定相同的參數：(1) 峰值振幅(peak amplitude) = 1 G (一個單位)。(2) 衝擊時間(shock duration time) = 1 sec。此基座激振的單自由度系統的振動響應特徵，分別說明如下：

 

1.      Half-Sine Wave 半正弦波：質塊(mass)撞擊中，會有接近半正弦波的響應，但有些許的波動，最大振幅值約1.2 G。在基座(base)的半正弦波結束後，最大振幅值約0.2 G，質塊(mass)仍有持續的、衰減的振動響應。

2.      Terminal Peak Sawtooth Wave 倒鋸齒波：質塊(mass)撞擊中，會有接近倒鋸齒波的響應，但有些許的波動，最大振幅值約1.1 G。在基座(base)的倒鋸齒波結束後，最大振幅值約0.8 G，質塊(mass)仍有持續的、衰減的振動響應。

3.      Rectangle Wave 方波：質塊(mass)撞擊中，會有接近方波的響應，但有大的波動，最大振幅值約1.8 G。在基座(base)的方波結束後，最大振幅值約0.6 G，質塊(mass)仍有持續的、衰減的振動響應。

 

由以上三種不同的衝擊波(shock wave)，此單自由度系統(SDOF system)，質塊(mass)受撞擊後的響應特徵，比較說明如下：

 

1.      撞擊中，質塊(mass)的最大振幅值：方波約1.8 G  > 半正弦波約1.2 G > 倒鋸齒波約1.1 G。可知，在撞擊中，方波的測試條件，最嚴苛。

2.      在基座(base)的衝擊波結束後，質塊(mass)的最大振幅值：倒鋸齒波約0.8 G > 方波約0.6 G > 半正弦波 約0.2 G。可知，在撞擊之後，倒鋸齒波的測試條件，最嚴苛。

3.      綜合來說，大致上，不同衝擊波(shock wave)的「衝擊試驗」測試條件的嚴苛程度：方波 > 倒鋸齒波 > 半正弦波。

 

由三個模擬分析的圖示與動畫，可以知道系統受到的衝擊波(shock wave)，其特徵是短暫的時間、有高振幅的G值。這種衝擊波(shock wave)狀態，對應模擬的情境，猶如手握持著的手機，不小心掉落、手機撞擊到地面。

 

另一方面，在「振動試驗」(Vibration Test)，三種「振動試驗」的特徵，簡要說明如下：

 

(1)       Random vibration test 隨機振動試驗：參閱圖片右側中間圖示，顯示的是：JEDEC22-B103-B的振動試驗規範(vibration test specification)之E Level的加速度頻譜(acceleration spectrum)，是一種Random vibration test 隨機振動試驗，應用在有IC封裝的印刷電路板(printed circuit board, PCB)。時間域的時間波形(time waveform)會是隨機的(random)信號，不過，對應的振動頻譜會有如圖示的分布狀態。此振動頻譜，即是加速度的功率頻譜密度函數(power spectral density, PSD)，可簡稱PSD功率頻譜，其單位是：G^2/Hz。

(2)       Swept sine test 掃描正弦波試驗：參閱圖片右側下方圖示，顯示的是：一種Swept sine test 掃描正弦波試驗。水平軸為頻率(Hz)，從0.1 Hz到1000 Hz，不同頻率範圍、有不同的加速度量值。垂直軸為加速度頻譜的量值，物理量(physical quantity)是加速度(acceleration)，單位：G或g。1 g = 9.807 m/s^2。

(3)       Dwell sine test 固定正弦波試驗：顧名思義，就是單一正弦波(sine wave)的振動，在指定的單一正弦波(sine wave)的頻率(Hz)與振幅(amplitude)的加速度(acceleration) g值，對DUT待測物執行單一正弦波(sine wave)的、Dwell sine test 固定正弦波試驗。

 

觀察影片中，右側中間的動畫，或參閱圖片，可以觀察，基座(base)的輸入波，是一直存在的，如圖示為連續的、倒鋸齒波。同時，質塊(mass)也是持續的、一直在振動、波動。這就是振動(Vibration)的特徵，也是「振動試驗」(Vibration Test)的目的。

 

以Random vibration test 隨機振動試驗來說，就是施予依照試驗規範之加速度的PSD功率頻譜，所產生的隨機振動。模擬DUT待測物、即產品在運輸(transportation)與操作(operating)過程，所遭遇的振動環境(environmental vibration)。

 

以Swept sine test 掃描正弦波試驗來說，也可說是掃頻試驗，就是依照試驗規範的頻率範圍，施予掃描正弦波，激振DUT待測物、即產品。主要的目的，除了模擬產品的操作(operating)過程，所遭遇的振動環境(environmental vibration)外，也可藉以偵測、找到結構的自然頻率(natural frequency)，當掃描正弦波的頻率，通過結構的自然頻率，會造成共振(resonance)，對一般的產品而言，有共振(resonance)的現象，都需要排除、避免之。

 

以Dwell sine test 固定正弦波試驗來說，在指定的單一正弦波(sine wave)的頻率(Hz)與振幅(amplitude)的加速度(acceleration) g值，對DUT待測物執行單一正弦波(sine wave)的、Dwell sine test 固定正弦波試驗。在此模擬的情境，例如：汽機車在怠速狀態，會是常有、穩定的、固定的運轉頻率狀態，所以，汽機車的零組件，常會進行指定的Dwell sine test 固定正弦波試驗。

 

由以上「衝擊試驗」(Shock Test)以及「振動試驗」(Vibration Test)的討論，可知：

 

1.      衝擊(Shock)：是短時間、高G值的衝擊波(shock wave)。例如：半正弦波、倒鋸齒波、方波。

2.      振動(Vibration)：是持續性的、一直存在的振動、波動。例如：隨機振動、掃描正弦波、固定正弦波。

 

綜合這個單元的討論：衝擊(Shock)和振動(Vibration)有甚麼不同嗎？分別從「衝擊試驗」(Shock Test)以及「振動試驗」(Vibration Test)的角度，來區別探討Shock vs. Vibration的差異。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2026.09.30

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