1.聲音與振動(dòng)以及IEPE傳感器總述 9 I0 | C7 ]1 R- f( v Y
振動(dòng)是有質(zhì)量的物體發(fā)生在平衡點(diǎn)附近的機(jī)械振蕩運(yùn)動(dòng)。常見(jiàn)的振動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的例子有彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，如圖1所示。振動(dòng)同樣可以發(fā)生在表面，如機(jī)翼、銅鑼等。振動(dòng)需要消耗能量并且引起疲勞應(yīng)力和噪音，所以在多數(shù)情況下是需要避免的。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)多需要減小此類振動(dòng)所帶來(lái)的影響。但是，振動(dòng)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生壓力波或者聲音，如同樂(lè)器一樣。' I3 y/ j" l4 j
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圖1.彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng) 聲音與振動(dòng)在本質(zhì)上是通過(guò)不同的介質(zhì)傳播的。如同振動(dòng)可以發(fā)出聲音，聲波在空氣中傳播時(shí)也會(huì)引起固體物質(zhì)的振動(dòng)。因?yàn)樵诶碚搶用嫔?，兩者之間是相互聯(lián)系的，所以測(cè)量聲音與振動(dòng)在從本質(zhì)來(lái)看也是相似的。
: i# }9 P+ N: ? C& v6 x8 |) N9 f5 C3 i您可認(rèn)為聲音與振動(dòng)都是振蕩，最簡(jiǎn)單的振蕩就是正弦波形，其表達(dá)式是以時(shí)間作為參數(shù)的公式![]() ，其中角頻率ω和相位差φ為固定值。角頻率ω的單位是弧度每秒（弧度/秒），同頻率ƒ (赫茲或者秒-1)相關(guān)，兩者關(guān)系式為：ω =2πƒ。角頻率是通常和相位差φ一同提起。相位差φ是對(duì)應(yīng)起始時(shí)間t0的波形位移，常用度（°）或者弧度（rad）表示。3 |7 ^; B4 Z6 P9 e- Q5 H4 |( ^
聲音振動(dòng)測(cè)量分析
+ E9 ^2 y* @! \$ h [5 d& g5 b在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)測(cè)的電壓信號(hào)是包括多重頻率成分的復(fù)雜波形。聲音振動(dòng)分析一般包括確認(rèn)和檢查這些頻率成分。為了實(shí)現(xiàn)這步，您必須通過(guò)拉普拉斯、z形或傅立葉變換等數(shù)學(xué)方法將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域上。特別是傅立葉分析，因?yàn)槠渖婕暗椒重悾╠B）幅度，并且同信號(hào)中每個(gè)頻率成分的相位差φ（度或弧度）都有關(guān)聯(lián)。' u1 p! k ^1 M1 @( y& O
IEPE傳感器, j$ P8 T+ b0 M) ^& E
用于測(cè)量聲音振動(dòng)的典型參數(shù)分別是加速度和聲壓位準(zhǔn)。這些參數(shù)常用加速度計(jì)（震蕩和振動(dòng)）和擴(kuò)音器（聲音）來(lái)測(cè)量。
@: k$ Z; s0 b6 m許多測(cè)量加速度和壓力的傳感器都是基于壓電原理的。壓電效應(yīng)指的是陶瓷或水晶晶體經(jīng)過(guò)抗壓應(yīng)力產(chǎn)生電勢(shì)的特性。這些機(jī)械應(yīng)力由加速度、應(yīng)變或壓力等引起。在使用擴(kuò)音器的情況下，聲音的壓力波引起橫膈膜或薄膜的振動(dòng)，將能量傳遞到周圍的壓電晶體上。而加速度計(jì)裝有震動(dòng)量，其直接對(duì)震蕩和振動(dòng)產(chǎn)生反饋，將力作用在周圍晶體上。產(chǎn)生的電壓大小同晶體的內(nèi)部壓力成比例。+ y8 j+ N u4 g2 A9 K$ @3 H
IEPE是壓電式傳感器的一個(gè)特殊類別，設(shè)計(jì)中它在壓電晶體后安裝了一個(gè)放大器。由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電壓很小，所產(chǎn)生的電子信號(hào)容易受到噪音影響，所以必須使用靈敏電子器件來(lái)放大和制約信號(hào)，降低輸出阻抗。因此IEPE將靈敏電子器件安裝得離傳感器越近越好，以減少噪聲干擾，確保了組裝的便捷。常規(guī)IEPE傳感器使用外部直流電源來(lái)提供激勵(lì)，根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來(lái)調(diào)整輸出電壓。IEPE在傳感器激勵(lì)（電流）和信號(hào)（電壓）輸出時(shí)只用一到兩根線。
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2. 如何進(jìn)行聲音與振動(dòng)的測(cè)試
- x/ P0 O+ y! R" G8 c1 Q) W聲音與振動(dòng)的信號(hào)調(diào)理電路是很簡(jiǎn)單的。測(cè)量加速度和聲壓值的典型系統(tǒng)包括以下元件：2 ?& @& Q5 Z0 b. b: v
• 傳感器
% Q0 e" ^3 e" |* {8 R. H• 傳感器激勵(lì)電源
r9 e9 K5 l; m9 b, P5 g+ Z• 合適的消除噪音接地裝置
9 F: D- [" t' s. g• 消除系統(tǒng)直流偏移的交流耦合* _0 Q( q7 l1 `$ L
• 使用儀器放大器來(lái)提高傳感器的信號(hào)質(zhì)量. m; i3 U2 h2 \
• 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中加入抗混疊低通濾波器的同時(shí)，還能降低新好的噪聲幅度% M, K: V: p3 V6 q6 J7 V- A
• 使用同步的采樣保持電路以保證通道之間信號(hào)的同時(shí)性' X! A! {0 Q+ F
如前所述，聲音與振動(dòng)的測(cè)試容易受到噪音的影響。您可以通過(guò)合理將系統(tǒng)接地的方法來(lái)減少影響，也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理或?qū)鞲衅鹘拥氐姆椒?，?lái)避免環(huán)形接地現(xiàn)象和浮地節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。如果傳感器接地，連接是不同的。如果傳感器是浮地的，那麼就必須將信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的反相輸入接地。
0 y3 r" B9 H! w: V) y0 T8 ?傳感器獲取的信號(hào)包括直流和交流兩個(gè)部分，直流部分可將交流部分偏移零點(diǎn)。交流耦合可以通過(guò)連接信號(hào)的電容器，消除系統(tǒng)中的直流偏移。交流耦合傳感器系統(tǒng)可消除由老化和溫度效應(yīng)引起的傳感器長(zhǎng)期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴(kuò)大了系統(tǒng)的可用動(dòng)態(tài)范圍。
- c# w. S) m! q) v( b9 Y( t7 c0 m/ @在精密測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號(hào)頻率的兩倍。為了確保頻率范圍采樣正確，在ADC前安裝低通濾波器。這樣就能夠確保您減小高頻率噪音的影響，也可以保證高于采樣率頻率二分之一的混疊信號(hào)成分不會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。" ]# o+ x1 H; O/ ?
傳感器同測(cè)量?jī)x器的連接
$ I# d4 C8 p' V! k# a舉例：NI 9234 C系列模塊，是專門為加速度計(jì)和擴(kuò)音器測(cè)量設(shè)計(jì)的。（如圖2所示）NI 9234能夠以51.2kS/s的采樣速率，同時(shí)采集四個(gè)模擬輸入通道。并且提供軟件可開(kāi)關(guān)的IEPE信號(hào)激勵(lì)、交流/直流耦合、以及抗混疊濾波功能。
% A; B1 R% Z0 G0 x圖2. 使用NI CompactDAQ底板的NI 9234 C系列模塊 該模塊有四個(gè)BNC接頭，每個(gè)都能夠連接到一個(gè)IEPE傳感器上（如圖3所示）。接頭的中心節(jié)點(diǎn)，AI+提供直流激勵(lì)和被測(cè)交流信號(hào)連接。接頭的外殼，AI-提供激勵(lì)返回通路和被測(cè)交流信號(hào)地線。6 R9 a/ P4 a( M- N1 T7 D$ }
圖3. NI 9234 BNC接頭分配 IEPE傳感器需要一個(gè)合適電纜和/或接頭連接到C系列模塊的BNC輸入端。三坐標(biāo)軸加速度計(jì)有三個(gè)輸出，一個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)采集通道，每個(gè)都需要獨(dú)立的信號(hào)激勵(lì)源。0 [2 p) d q/ b# F: ^ v+ {- ^ {
NI9234既可以連接接地的IEPE傳感器，也可以連接浮地的IEPE傳感器，但是必須使用浮地連接以防止接地噪音的引入。典型的IEPE傳感器與地之間是電氣隔離的，所以NI 9234同傳感器的連接即使在傳感器接地的情況下，也是浮地連接的。
+ U% K, j% m0 y2 S& ^ r* J: N熟悉您的測(cè)量系統(tǒng)-NI LabVIEW% e- {+ Q: [$ W( N" j+ f% ~$ u
合理配置您的系統(tǒng)硬件后，就可以使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境采集并顯示數(shù)據(jù)了。（如圖4所示）1 V# @) Q. \; Y" `2 s4 r1 h/ g; l
在軟件使用中，您可以使用譜（頻域）分析函數(shù)，將采集電壓轉(zhuǎn)換成頻波形。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是快速傅立葉變換FFT功能。您也可以從美國(guó)國(guó)家儀器公司為你提供的眾多工具中選擇更高級(jí)的數(shù)據(jù)軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)處理的操作，如NI聲音與振動(dòng)測(cè)試套件。4 u X) B( c3 Z
圖4. 使用NI聲音與振動(dòng)工具包計(jì)算出的功率譜
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發(fā)表于 2013-12-25 10:15:13
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