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振动测试所需的基础知识


信号测试分析基础 机械振动:物体在其平衡位置附近的往复运动 振动的基本参数:位移 D、速度 v、加速度 a 声源:产生声音的振动物体称作声源 声波:向前推进着的空气振动称作声波 声音传播的实质:声音传播是指物体振动形式的传播 物理量的测量:测试精度、可靠性、成本、方便性 物理量形式转换—传感器 传感器是一种把特定的被测信息量按照一定的规律转换成可用信号输出的器件和装置 敏感元件+

转换电路=传感器 电阻应变式传感器——应变片:基于金属导体的应变效应;应变片测量电路——电桥:由于 电阻的变化率非常小,需要电桥电路将这一变化输出 电涡流式传感器:通高频交流电流的线圈靠近金属导体时,金属导体表面产生感应电流(电 涡流) 压电式传感器:如石英,受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部被极化,表 面会产生电荷,当外力去掉时,又回到原来的状态,这种现象称为压电效应 电容式传感器: 将被测物理量转换为电容变化的装置, 它实质上是一个具有可变参数的电容 器 振动测量传感器的选择: 1、选择传感器类型。如位移、速度、加速度 2、量程 3、结构条件,接触式非接触式 4、测试频率,精度 信号的预处理 1、信号调理 2、放大:可编程放大器 3、滤波:低通滤波、高通滤波 低通滤波一般由硬件和软件共同实现 4、数字采样 A/D 转换——得到数字信号,便于处理与存储 信号检测与处理的流程

信号的时域波形分析是最常用的信号分析手段,常有信号的周期、频率、峰值、有效值、均 值等。 任何时域信号都能分解为一组单频正弦信号之和 简单正弦波在 FFT 被表达为 1 点 一个任意的时域信号能被转换成 FFT,得到频谱

题外话 90 分贝以上不能超过 10 小时

数字信号处理基础 将传感器输入的电信号进行必要的预处理 信号采集与调理 1、IEPE(ICP)恒流源 2、2、电荷放大器 3、滤波:高通滤波、低通滤波 4、放大:程控放大器 采样是模拟信号的数字化 信号幅值离散化精度取决于 ADC 的位数 采样频率:单位是内的采样次数,单位 Hz 在实际使用中,应根据信号的频宽,合理选择采样频率。过小会造成频率混叠,过大使频谱 分辨率降低 抗混叠保护:在一个周期内至少采集 2 个点,或者说:采样频率是最高频率的 2 倍,才能保 证精确的频率测量

f s ? 2 f a 理想抗混淆滤波器

f s ? 2.56 f a 实际抗混淆滤波器
触发:为采样设置条件,满足一定条件时开始采样。 量级:满足触发信号量值 触发方式:前置触发、后置触发 触发沿:上升沿、下降沿

N:帧大小 FFT 关键参数:采样间隔 采样间隔 T ?

1 fs

根据信号的最高频率,选择合适的采样频率 2048 时域点数 有效谱线路 800 线(帧大小/2.56) 矩形信号的持续时间越长,他的频谱在频域所占的频带就越窄

名称

特点 矩形窗使用最多,习惯上不加窗就是使信号通过了

应用

矩形窗 Rectangle

矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中,缺点是旁 瓣较高,并有负旁瓣,导致变换中带进了高频干扰 和泄漏,甚至出现负谱现象。频率识别精度最高,

如果仅要求精确读出主瓣频率, 而不考虑幅值精度,则可选用矩 形窗,例如测量物体的自振频率

等,也可以用在阶次分析中。 幅值识别精度最低, 所以矩形窗不是一个理想的窗。 又称升余弦窗。主瓣加宽并降低,旁瓣则显著减小, 是很有用的窗函数。如果测试信 汉宁窗 Hanning 从减小泄漏观点出发,汉宁窗优于矩形窗.但汉宁 号有多个频率分量,频谱表现的 窗主瓣加宽,相当于分析带宽加宽,频率分辨力下 十分复杂,且测试的目的更多关 降。它与矩形窗相比,泄漏、波动都减小了,并且选 择性也提高。 海明窗 (汉明窗) Hamming 与汉宁窗都是余弦窗,又称改进的升余弦窗,只是 加权系数不同,使旁瓣达到更小。但其旁瓣衰减速 度比汉宁窗衰减速度慢。 与汉明窗类似,也是很有用的窗 函数。 注频率点而非能量的大小,需要 选择汉宁窗。如果被测信号是随 机或者未知的,选择汉宁窗。

平顶窗 平顶窗在频域时的表现就象它的名称一样有非常小 由于在幅度上有较小的误差,所 Flap Top 布莱克曼窗 Blackman 的通带波动。 以这个窗可以用在校准上。

二阶升余弦窗,主瓣宽,旁瓣比较低,但等效噪声 带宽比汉宁窗要大一点,波动却小一点。频率识别

常用来检测两个频率相近幅度不

同的信号。 精度最低,但幅值识别精度最高,有更好的选择性。 是一种指数窗。主瓣较宽,故而频率分辨力低;无 负的旁瓣,第一旁瓣衰减达一 55dB。常被用来截 短一些非周期信号,如指数衰减信号等。 对于随时间按指数衰减的函数, 可采用指数窗来提高信噪比。

高斯窗 Gaussian

三角窗 (费杰窗) Fejer 是幂窗的一次方形式。与矩形窗比较,主瓣宽约等 于矩形窗的两倍,但旁瓣小,而且无负旁瓣。 如果分析窄带信号,且有较强的 干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小 的窗函数,如汉宁窗、三角窗等;

1、线性谱 FFT :表达信号幅值和相位与频率的关系 2、自功率谱 :是实数,只有幅值信息,没有相位信息 3、互功率谱: 4、频率响应函数:表现激励信号与响应信号之间的关系,表示系统的动态特性 5、相干函数 6、自相关函数:常用语测量信号的是否同步 7、互相关函数:给出时间延迟的表示,传递途径和在噪声中信号的恢复。 8、脉冲响应函数

振动可靠性试验基础 产品的可靠性,是指产品在规定的时间内和给定的条件下,完成规定功能的能力 提高产品的可靠性措施:产品的可靠性设计、产品的可靠性实验 可靠性的三个规定:时间、环境、功能 振动的分类:正弦振动、随机振动、冲击、复合振动 产品的可靠性试验是在产品设计与制造过程中发现产品缺陷,提高产品可靠性的重要手段 振动试验的分类:机械振动、电动振动、液压振动、跌落振动、碰撞 振动试验系统的构成:振动控制器、功率放大器、振动台 控制器: DSP 负责实时控制, PC 负责用户交互, 动态范围随机大于 90dB、 信噪比大于 100dB, 硬件系统结构:ICP 恒流源、24 位分辨率 ADC、USB2.0 10 项控制功能:随机、随机加随机、正弦加随机、正弦加随机加随机、正弦、谐振搜索与 驻留、典型冲击、瞬态冲击、冲击响应谱、路谱仿真

振动控制功能简介:随机振动控制、正弦振动控制、典型冲击控制与瞬态冲击控制、冲击响 应谱控制、路谱仿真 随机控制原理:基于传递函数的频域控制,动态范围 90dB 预实验的目的:在低加速度量级时估计 Hinv、估算全量级试验时最大驱动、控制回路的开 环校验、为控制算法测量系统的噪声、消除输入通道的 DC 偏移 正弦控制方法:正弦波形幅值控制,动态范围 100dB 冲击性能:有限长时域控制,控制方法:基于传递函数的时域控制 补偿目的是当冲击波形结束后,振动台的位移和速度均为零 补偿方法:前、后脉冲;前脉冲;后脉冲 冲击响应谱控制(SRS)控制控制方法:基于传递函数的时域控制 SRS 控制时域综合——小波综合 声压测试与分析基础 声压 p 是由于声波的存在而引起的压力增值,用来表示声音的强弱 通常声压讲的是指有效声压,故实际上总是正值 采用分贝来表达声学量值(声压值) 声压级 L p ? 20lg

pe p0

dB

参考声压 p0 ? 2 ?10?5 Pa ,他是人耳刚刚可以听到声音的声压

声强是在垂直于声波传播方向上,单位时间内通过单位面积的声能,以 I 表示,单位是
2 W / m(瓦 / 米2)

P2 声强与声压的平方成正比, 对于平面波声场, 声强 I 和声压 P 的关系用下式表示:I ? 式 ?c
中:下面两个符号分别代表空气密度和光速 声强级:该声音的声强与参考声强的比值取以 10 为底的对数再乘以 10,即:

L1 ? 10 lg

I I0

I 0 ? 10?12W / m2 声强级单位:分贝

声功率:声源在单位时间内辐射的总声能,用 W 表示,单位是 W(瓦) ,他等于包围声源的 一个封闭面上的声强总和:

W ? ? s I n ds
声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理量

声功率级

LW ? 10 lg

W W0

W0 ? 10?12W
声功率级单位:分贝 当两个声源相差 10dB 以上,小量级声源的作用忽略 噪声的评价 1、响度级:当某一频率的纯音与 1000Hz 的纯音听起来同样响时,这时 1000Hz 纯音的声压 级就定义为该声音的响度级。响度级的符号为 LN ,单位为方。 2、等响曲线:对各个频率的声音作试听比较,得到达到同样响度及时频率与声压级的关系 曲线,通常称为等响曲线 3、响度:是正常听者判断一个声音比响度级为 40phon 参考声强响的倍数,规定为响度级 为 40phon 时的响度为 1sone。响度是与主观轻响程度成正比的参量,符号为 N,单位是宋。 响度与响度级的关系: LN ? 40 ? 10log2 N , N ? 2
0.1( LN -40 )

倍频程:根据人耳对声音频率变化的反应,人们把可听到的频率范围分成数段,按每段内的 声音强度进行分析。 在噪声测量中常用的是倍频程和 1/3 倍频程分段法

f 2 / f1 ? 2n
n=1 即为 1 倍频程,n=1/3 即为 1/3 倍频程 中心频率: f 0 ?

f1 f 2

噪声测量仪器 1、传声器及前置放大器:对传声器的要求:测量频率范围内有平直的频率响应;动态范围 大,无指向性;本底噪声低;稳定性好; 2、模拟声级计 3、数字式声级计 4、实时动态信号分析仪 声功率测量方法 1、声压法:自由场法和混响法 2、声强法 3、标准声源法 4、振动速法


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