振动台
振动台全称振动试验台，或称振动发生器，是模拟振动的一种设备，把被测振动体装在振动平台上，振动台产生变化的振动位移，从而在被测振动体上产生一个与振动台振动位移相对应的牵连惯性力而激振。用来考察产品能否经受住长时间振动而不至改变其性能或不至于导致机械损坏。
1966 年，世界上第一台正弦振动台是在日本东京大学生产技术研究所诞生的。中国在60年代前期，主要是中低频机械式振动台为主，无法满足振动测试需求；60年代后期，电液振动台以其高频率得以快速发展，国防系统专用的振动台问世。70年代，高校、科研院所引进国外先进设备进行研究，如同济大学引进的双向电液式振动台。在70年代末期，世界各国开始了向三向六自由度地震模拟振动台的研制，日本的日立制作所、三菱以及美国的MTS公司率先成功完成设备的研制。1968年MTS公司生产的单向地震模拟振动台(尺寸3.65mx3.65m)后，发展迅速。此外还有美国的Wyle公司、日本鹭宫制造所、德国的SCHENCK公司等均可承建地震模拟振动台。2005年初在兵库县建成了世界最大的振动台E-Defense(尺寸20mx15m)。2013年7月，由中航一院702所自主研发的电动振动台，是具有世界最大推力的振动台，其创新性的结构不但减轻了机体重量而且还提高了机体强刚度。
振动台从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、液压式振动台和电动式振动台。应用范围很广泛， 涉及到航空、航天、汽车、电子、船舶、核设备、兵器、水利、桥梁和土木建筑等诸多领域，主要的分为国防力学环境模拟、抗震环境模拟和汽车振动环境模拟三大类。
发展历史
国外
国外的振动台研究开始较早，始于上个世纪50年代，二战之后由于航空业的迅速发展，带动了科学技术进一步的革新,振动测试技术迫切要求进一步发展，振动设备迅速发展，形成了依托于科研单位、大型科技公司、高校的研究模式，逐渐形成了产业链工业发展模式，其中日、德、美、英各国处于振动设备研究的国际领先地位。
1966 年，世界上第一台正弦振动台是在日本东京大学生产技术研究所诞生的。
70年代末期，世界各国开始了向三向六自由度地震模拟振动台的研制，日本的日立制作所、三菱集团以及美国的MTS公司率先成功完成设备的研制。1968年MTS公司生产的单向地震模拟振动台(尺寸3.65mx3.65m)后，发展迅速。此外还有美国的Wyle公司、日本鹭宫制造所、德国的SCHENCK公司等均可承建地震模拟振动台。
从2002年起，日本开始实施“变革计划·2002”(“新世纪重点研究创业探查变革计划·2002”)，这个项目在防灾领域特别设立了一个“减轻大城市大地震灾害损失的特别计划”，简称“大大特”。此特别计划于2005年初在兵库县建成了世界最大的振动台E-Defense(尺寸20mx15m)，E-Defense振动台在试验时从三维空间模拟地震振动情况采用房屋建筑等实物结构，这样试验结果更加真实。
中国
中国振动测试设备研究起步较晚，60年代前期，主要是中低频机械式振动台为主，无法满足振动测试需求。60年代后期，电液振动台以其高频率得以快速发展，国防系统专用的振动台问世。70年代，高校、科研院所引进国外先进设备进行研究，如同济大学引进的双向电液式振动台。70年代以后，开始研制单向电液式伺服控制振动台，但对于多轴的研制还很鲜有涉及。
进入21世纪，国内振动台研制单位主要有西交大、哈尔滨工业大学、工程力学研究所等已经有了显著的研究成果,在某一领域拥有完全自主知识产权及国际先进技术。2013年7月，由中航一院702所自主研发的电动振动台，是具有世界最大推力的振动台，其创新性的结构不但减轻了机体重量而且还提高了机体强刚度。
工作原理
振动试验台的工作原理为通电导体因在磁场中受到电磁力的作用而运动，当电磁式振动试验台磁路中的动圈中通有交变电流信号时产生激振力，磁路中产生振动运动。
基本构造
振动台的基本结构如下图所示，主要由如下部件组成：
台面及动圈组合体
台面、动圈架、动圈的组合体是振动台的活动组件，也是振动台的核心部件。其中台面用于安装被试产品或夹具，是振动输出的界面。动圈是在金属骨架上绕有多组激磁线圈，功率放大器向处于直流磁场隙缝中的动圈绕组输送交变电流信号，磁—电感应效应迫使动圈受交变电磁力的驱动产生往复运动（振动）。
台面及动圈组合体是悬挂在支撑系统（弹性系数k）上的一个惯性质量（m），从振动试验的要求出发，这个质量一弹簧系统的谐振频率，也就是振动台的技术指标中通常给出的“空台（台面上不加负载）状态的一阶谐振频率”应该高于振动台给出的最高工作频率的上限值，故必须使用弹性模量E与密度p的比刚度（E/p）很高的材料（如镁铝合金、皱等）制造台面及动圈组合体。
励磁线圈及导磁体
励磁线圈及导磁体由励磁线圈、磁钢体、极芯、极板、短路环组成。给励磁电感线圈通直流电流，在线圈周围产生恒定的强磁场，这个恒定磁场顺着磁钢体、极芯、极板、短路环组成的磁路流动，形成闭环的磁路。通以交变电流（振动信号）的驱动线圈（动圈）与气隙中的直流强磁场相互作用，产生交变的驱动力实现“振动”的输出。
图中的短路环是安装在极板或极芯上的，是为了改变磁路系统的等效阻抗而附加的铜环。起到扩展工作频率范围，增大振幅和减小波形失真的作用。励磁线圈是一个通以大电流的线圈绕组，在电磁转换过程中会散发出大量的“热”，因此良好的散热是绕制励磁线圈以及设计振动台的关键技术之一。而且在振动台运行过程中，满足励磁线圈及动圈的良好冷却的要求也是非常重要的运行条件。
台体、支座及减振装置
振动台台体实际上是泛指除台面及动圈等运动部件等组合体外，振动台执行机构部分处于“静止”的各类部件的集合体，包括台架、耳轴、支座、隔振弹簧等机械结构，悬挂、支撑及导向装置，还有产生磁路的励磁线圈及导磁体等。
振动试验过程中，电磁感应产生的激振力向上推动台面及其负载产生振动，根据牛顿第一定律，作用力与反作用力大小相等方向相反，也会有同样大小的激振力使振动台台体(图3)产生振动，另一方面，如果振动台台体直接坐落在地面上，则地面的环境振动也会传导到振动台台体上，最终合成复杂的台体振动，不仅台体会在地面上“跳舞”，而且会进而影响到台面的振动状况。因此必须在振动台台体与坐落在地面上的支座之间加装振动隔离装置，或者在支座与地面之间加隔振装置。
根据单自由度强迫振动的理论，如果在振动台台体与坐落在地面上的支座之间加装空气弹簧(图2)，并且使台体及其负载的总负荷与空气弹簧组成的质量一弹簧系统的共振频率低至3Hz以下，则振动台在高于5Hz以上频率工作时，台体的振动幅值很小，而且通过空气弹簧传输到地面的振动(激励)量也很小，不会引发振动台支架出现明显的“跳动”。如果电动振动台在3Hz以下频率工作，振动台台体的谐振将会使台面的振动变成台体与动圈振动的合成，使台面对地加速度及位移的测量增添较大的误差，有关这方面的详细论述，请参看本书的第二章的相关内容。
动圈的悬挂与支撑
图4.11、图4.12、图4.13中标示的是悬挂动圈的装置。台面及动圈组合体依靠悬挂、支撑装置悬空在磁路中很窄小的气隙中运动。悬挂、支撑装置需要有足够的刚度，能够承担起台面动圈组合体以及夹具、试验件的总质量，一般中、小推力的电动振动台，安装组合式板簧(图4)、摇臂滚装置(图5)等机械构件即可。对于大推力的电动振动台，负载可能重达几百千克甚至几千千克，则必须有辅助的负载支撑系统，如图6所示，通过调整高压空气的供气压力以平衡负载的重量，保持动圈的中线始终处于磁路气隙的中心位置以确保在低频振动时，充分利用振动台的最大行程。
导向装置
振动试验规范要求与主振方向垂直的横向振动与主振方向振幅之比不超过25%~50%。而且悬浮动圈的气隙很窄，动圈直线运动的不稳定很容易发生动圈与短路环或励磁线圈的触碰和摩擦，磨损动圈绕组的绝缘，引发动圈短路，甚至烧毁，故必须具有限制动圈左右晃动和阻挠动圈绕中心轴转动的导向装置。
图7是应用比较多的直线轴承导向装置和滚轮导向装置的简图。直线轴承导向装置的行程大、体积小、安装方便，但侧向的刚度不太高，多用于中、小推力的电动振动台。滚轮导向装置的摩擦力小，工作线性度好，侧向刚度高于直线轴承导向装置，但滚轮导向装置常有滚轮滑移出现，运行的稳定性稍差。液体静压轴承式的导向机构具有侧向刚度很高，振动台面承受偏载能力很强，而且定位精度很高，摩擦阻力很小，有利于改善振动的波形的失真度，推荐大位移或大推力的振动台采用液体静压轴承作为导向机构。但是这种导向装置制作成本较高，还需要配置辅助的油压系统，也可以采用成本较低的空气静压轴承取而代之，但是空气静压轴承的侧向承载能力低很多，而且工作的稳定性远逊于液体静压轴承，只适用于中等推力的振动台（有关流体静压的原理请参看液压振动台的相关内容）。
消磁线圈
电动振动台的巨大推力来自电磁的相互作用，振动台体闭环磁路中有断开的环形间隙，有间隙就有漏磁。实施振动试验的产品有很多是电工电子产品，试验中不允许安装台面有明显的漏磁，故在电动振动台台面下方都装有“消磁线圈”，产生与漏磁磁场方向相反的磁场。通过选择合适的安装位置和精心设计消磁线圈的电流与匝数，可以抵消主磁场漏磁的影响，将台面的漏磁限制在试验件可接受的量级之内。
回转机构
垂直型电动振动台通常都配有水平滑台，有时需要将振动台面旋转90°和水平滑台连接，实现水平的振动。故在振动台的支架上安装有耳轴、轴瓦、回转手柄等部件，可以手动或自动地调整台体的倾斜角度，满足实施垂直振动和水平振动转换的要求。
冷却装置
流经动圈和励磁绕组的电流因绕线电阻损耗及交变磁场中的涡流损耗等原因，在电动振动台工作过程中，振动台体内部会产生大量的“热”，如果不及时散失这些热量，“热聚”的后果将导致动圈或励磁绕组短路，甚至烧坏。30~50kN推力以下的电动振动台通常采用强制“风冷”的方式，只需要在动圈或励磁绕组的结构设计中注意增加通风通道，并提供外接风机通风冷却。推力50kN以上的电动振动台原则上必须采用“水冷”“油冷”或“水冷”+“油冷”混合冷却方式。后者的励磁绕组必须使用中空金属导线组成闭合回路的循环冷却系统，并有安装在台体外部的二次水冷却装置。
基本分类
用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、液压式振动台和电动式振动台。按照振动台的功能可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。按照振动的轴向力可分为单向振动台和多向振动台。
机械式振动台
在振动试验中使用的机械式振动台种类很多，主要有连杆偏心式和惯性离心式两种。它们的工作原理如下图所示。惯性离心式振动台是基于旋转体偏心质量的惯性力而引起振动平台的振动来工作的，其工作原理与离心式激振器的工作原理相同。
连杆偏心式振动台是基于偏心轮转动时，通过连杆机构使工作台做交变正弦运动来工作的。振幅大小可通过改变偏心距的大小来调节，频率可通过改变电动机转速来调节。由于机械摩擦和轴承损耗的影响，这种振动台频率一般不能超过50Hz。连杆偏心式振动台的主要优点是能够得到很低的频率，且振幅与频率的变化无关；主要缺点是不能进行高频激振，小振幅时失真度较大。一般来说，连杆偏心式振动台的有效频率范围为0.5～20Hz:惯性离心式振动台的有效频率范围为10~70Hz，且振幅在大于0.1mm时效果较好。
总体来说，机械式振动台具有结构简单、工作台面大等优点，容易产生较大的激振力，同一台面上能方便实现垂直或水平振动，能做定频或扫频正弦振动试验。缺点是频率范围小，振幅调节比较困难，机械摩擦易影响波形，使波形失真度较大。无法做随机振动试验，工作噪声较大。
电动式振动台
电动式振动台的工作原理与电动式激振器相同，只是振动台上有一个安装被激振物体的工作平台，其可动部分的质量较大。电动式振动台的特点是频率范围宽，运动精度高，以输出的激振力为主参数。但台面尺寸小，改变振动方向不方便。可以配垂直辅助台面以扩大台面和加大承载能力；可以配水平滑台，来实现水平振动；也可以配随机振动控制仪，以实现随机振动。电动式振动台适合在频率5～4500Hz的范围内，可实现最大位移振幅士25mm，最大加速度120g的正弦或随机振动。
电磁式振动台
电磁式振动台的工作原理与电磁式激振器类似，其结构原理如下图所示。振动台上有一个安装被激振物体的工作平台，其可动部分的质量较大。控制部分由信号发生器和功率放大器等组成。电磁式振动台的驱动线圈绕在线圈BOBBIN上，通过连杆与台面刚性连接，并由上下支撑弹簧悬挂在振动台的外壳上。振动台的固定部分是由高导磁材料制成的，上面绕有励磁线圈，当励磁线圈通以直流电时，磁缸的气隙间就形成强大的恒定磁场，而驱动线圈就悬挂在恒定磁场中。
电磁式振动台的频率范围很宽，可从从零赫兹到几千赫兹，最高可达几十千赫兹。电磁式振动台的优点是，噪音比机械式振动台小，频率范围宽，振动稳定，波形失真度小，振幅和频率的调节都比较方便。
液压式振动台
液压式振动台是将高压油液的流动转换成振动台台面的往复运动的一种机械装置，其原理如下图所示。其中台体由电动力式驱动装置、控制阀、功率阀、液压缸、高压油路（供油管路）和低压油路（回油管路）等主要部件组成。而电动力式驱动装置和电磁式振动台的控制系统结构一样，由信号发生器、功率放大器供给驱动电感线圈驱动电信号，从而驱动控制阀工作。由于液压缸中的活塞同台面相连接，控制台与功率阀有多个进出油孔，分别通过管路与液压缸、液压泵和油箱相连，这样在控制阀的控制下，通过不断改变油路就可使台面按控制系统的要求进行工作。液压振动台利用控制阀和功率阀控制高压油流人液压缸的流量和方向来实现台面的振动，台面振动的频率和电驱动装置的驱动线圈的振动频率相同。
由于液压振动台可比较方便地提供大的激振力，台面能承受较大的负载，因此一般都做成大型设备，以适应大型结构的模型试验。它的工作频率段是零至几百赫兹。由于台面由高压油推动，因而避免了漏磁对台面的影响。但是，台面的振动波形直接受油压及油的性能的影响。因此，压力的脉动、油液受温度的影响等都将直接影响台面的振动波形。所以，与电磁式振动台相比，它的波形失真度相对来说要大一些。
性能指标
主要性能范围
主要性能范围是指振动台使用的频率范围、能到达的最大振幅或最大加速度值、振动台面的最大负荷等。机械式、液压式和电磁式振动台的典型性能范围如下图所示。
振动台波形的失真度
振动台波形的失真度是衡量振动台输出波形偏离简谐波的程度。失真度γ的定义是：
式中E1—输出波形中基波的有效值；
E2，E3，直到En—波形中各高阶谐波分量的有效值。
式中所取的波形是位移(速度或加速度),γ相应称为位移失真度(速度或加速度失度)。
振动台驱动信号或驱动力的质量直接决定了振动台的失真度。此外,机电部件设计不当、机械与电气的干扰等都或大或小地影响着失真度。对于一般用途的振动台，加速度失真度通常不大于10%，最高应不大于25%，对于校准传感器用的标准振动台加速度失真度应小于5%。
台面的横向运动
这一指标是用来衡量振动台在垂直于名义振动方向的振动的大小，用横向加速度幅值与名义方向加速度幅值的比来表示。对于普通振动台，此值通常不大于15%，最高应不大于25%，标准振动台应小于10%。
台面各点振动的不均匀度
台面各点振动的不均匀度是指台面上各点振动的不均匀程度，用台面上加速度最大值(或最小值)与台面中央点加速度幅值之差与后者的比来表示。对于一般用途的振动台,此值通常不大于15%，最高应不大于25%，标准振动台通常不大于5%,最高应不大于15%。为满足不同的实验要求，需要根据振动台的技术参数选择使用不同类型的振动台。
应用领域
振动台是指能够在实验室中人为的产生各种运动的设备，应用广泛，种类繁多。振动台用途按其应用领域主要分为以下四个方面；
1)耐疲劳试验：包括产品、构件以及材料等。
2)环境振动试验：包括检测产品或构件的共振频率，模拟产品或构件在实际使用中遭受的振动。
3)动态特性试验：对构件或材料的物理效应(如应力变化等)进行测试，为设计提供可靠数据。
发展趋势
当前振动台技术研究难点
振动台模型试验发展至今虽然已相对成熟, 但当中仍有一些基础理论和技术应用层面的问题需要更进一步的研究:
(1) 振动台模型试验中涉及的理论研究问题, 其中包括解决动力相似关系、不同介质材料模型试验的相似要求以及重力效应失真时重力加速度的相似要求, 模型尺寸扩大或缩小效应的影响及相关设计方法等等。
(2) 在制作原结构的仿真模型时, 如何更合理有效地考虑利用不同材料间某些性能的相似关系进行相似合适的替换, 以实现所要达到的更优的截面特性和材料特性要求等等。
(3) 在后期进行模型试验的数据处理工作时, 如何实现速度、加速度及位移几个量纲的互换以及不同波形间关系的分析比较, 以达到数据更网络化的特点等。
振动台技术发展趋势
(1) 大型足尺试验。振动台模型试验是基于所建的仿真模型结构与原结构达到越接近的程度所得模拟效果最精确的标准下, 而受限于振动台尺寸和载重大小的限制, 因而发展大型足尺试验, 使得仿真结构与原结构达到更高程度的相似度是提高结果准确性的必然趋势。
(2) 全数字控制技术。振动台模型试验的控制系统采用的是以模拟控制技术为基础, 辅以数字控制技术作补充的形式运作。二者比较而言数字控住技术具有提升系统自动化操作水平及提高计算结果精度等卓越的优势, 因而发展全数字控制技术也将是振动台模型试验进行技术革新的一个热点潮流。
(3) 地震模拟振动台台阵。地震模拟振动台台阵, 如图7所示是多个振动台协同工作的组合型试验装置, 在解决多维度广地点地震场效应问题具有重大的应用价值, 是一种创新性的具有显著技术优势的新型动力试验设备, 能够解决大跨度、不规则等复杂结构的相关研究问题。