聲音與振動以及IEPE傳感器總述
振動是有質(zhì)量的物體發(fā)生在平衡點附近的機械振蕩運動。常見的振動機械系統(tǒng)的例子有彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，如圖1所示。振動同樣可以發(fā)生在表面，如機翼、銅鑼等。振動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)計多需要減小此類振動所帶來的影響。但是，振動結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生壓力波或者聲音，如同樂器一樣。
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圖1.彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)
聲音與振動在本質(zhì)上是通過不同的介質(zhì)傳播的。如同振動可以發(fā)出聲音，聲波在空氣中傳播時也會引起固體物質(zhì)的振動。因為在理論層面上，兩者之間是相互聯(lián)系的，所以測量聲音與振動在從本質(zhì)來看也是相似的。
您可認為聲音與振動都是振蕩，最簡單的振蕩就是正弦波形，其表達式是以時間作為參數(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是對應(yīng)起始時間t0的波形位移，常用度（°）或者弧度（rad）表示。
聲音振動測量分析
在實際應(yīng)用中，實測的電壓信號是包括多重頻率成分的復雜波形。聲音振動分析一般包括確認和檢查這些頻率成分。為了實現(xiàn)這步，您必須通過拉普拉斯、z形或傅立葉變換等數(shù)學方法將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域上。特別是傅立葉分析，因為其涉及到分貝（dB）幅度，并且同信號中每個頻率成分的相位差φ（度或弧度）都有關(guān)聯(lián)。
IEPE傳感器
用于測量聲音振動的典型參數(shù)分別是加速度和聲壓位準。這些參數(shù)常用加速度計（震蕩和振動）和擴音器（聲音）來測量。
許多測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)過抗壓應(yīng)力產(chǎn)生電勢的特性。這些機械應(yīng)力由加速度、應(yīng)變或壓力等引起。在使用擴音器的情況下，聲音的壓力波引起橫膈膜或薄膜的振動，將能量傳遞到周圍的壓電晶體上。而加速度計裝有震動量，其直接對震蕩和振動產(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。
IEPE是壓電式傳感器的一個特殊類別，設(shè)計中它在壓電晶體后安裝了一個放大器。由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電壓很小，所產(chǎn)生的電子信號容易受到噪音影響，所以必須使用靈敏電子器件來放大和制約信號，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提供激勵，根據(jù)壓電晶體接收到的不同電量來調(diào)整輸出電壓。IEPE在傳感器激勵（電流）和信號（電壓）輸出時只用一到兩根線。
如何進行聲音與振動的測試
聲音與振動的信號調(diào)理電路是很簡單的。測量加速度和聲壓值的典型系統(tǒng)包括以下元件：
• 傳感器
• 傳感器激勵電源
• 合適的消除噪音接地裝置
• 消除系統(tǒng)直流偏移的交流耦合
• 使用儀器放大器來提高傳感器的信號質(zhì)量
• 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中加入抗混疊低通濾波器的同時，還能降低新好的噪聲幅度
• 使用同步的采樣保持電路以保證通道之間信號的同時性
如前所述，聲音與振動的測試容易受到噪音的影響。您可以通過合理將系統(tǒng)接地的方法來減少影響，也可以對信號進行適當?shù)恼{(diào)理或?qū)鞲衅鹘拥氐姆椒ǎ瑏肀苊猸h(huán)形接地現(xiàn)象和浮地節(jié)點的出現(xiàn)。如果傳感器接地，連接是不同的。如果傳感器是浮地的，那麼就必須將信號調(diào)理系統(tǒng)的反相輸入接地。
傳感器獲取的信號包括直流和交流兩個部分，直流部分可將交流部分偏移零點。交流耦合可以通過連接信號的電容器，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)引起的傳感器長期直流漂移，從而顯著地提高了分辨率，擴大了系統(tǒng)的可用動態(tài)范圍。
在精密測量過程中，系統(tǒng)的采樣率必須至少是被采集信號頻率的兩倍。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成分不會影響到測量結(jié)果。
傳感器同測量儀器的連接
舉例：NI 9234 C系列模塊，是專門為加速度計和擴音器測量設(shè)計的。（如圖2所示）NI 9234能夠以51.2kS/s的采樣速率，同時采集四個模擬輸入通道。并且提供軟件可開關(guān)的IEPE信號激勵、交流/直流耦合、以及抗混疊濾波功能。
圖2. 使用NI CompactDAQ底板的NI 9234 C系列模塊
該模塊有四個BNC接頭，每個都能夠連接到一個IEPE傳感器上（如圖3所示）。接頭的中心節(jié)點，AI+提供直流激勵和被測交流信號連接。接頭的外殼，AI-提供激勵返回通路和被測交流信號地線。
圖3. NI 9234 BNC接頭分配
IEPE傳感器需要一個合適電纜和/或接頭連接到C系列模塊的BNC輸入端。三坐標軸加速度計有三個輸出，一個坐標軸對應(yīng)一個采集通道，每個都需要獨立的信號激勵源。
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。
熟悉您的測量系統(tǒng)-NI LabVIEW
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）
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。一個簡單的例子就是快速傅立葉變換FFT功能。您也可以從美國國家儀器公司為你提供的眾多工具中選擇更高級的數(shù)據(jù)軟件來完成數(shù)據(jù)處理的操作，如NI聲音與振動測試套件。
圖4. 使用NI聲音與振動工具包計算出的功率譜