聲音與振動(dòng)以及IEPE傳感器總述

 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(lèi)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。

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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。

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。

聲音振動(dòng)測(cè)量分析

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)。

IEPE傳感器

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。

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?chē)膲弘娋w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?chē)w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(gè)特殊類(lèi)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(xiàn)。

如何進(jìn)行聲音與振動(dòng)的測(cè)試

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：

•         傳感器

•         傳感器激勵(lì)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(lái)提高傳感器的信號(hào)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(shí)，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(hào)的同時(shí)性

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。

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。

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。

傳感器同測(cè)量?jī)x器的連接

舉例：NI 9234 C系列模塊，是專(zhuān)門(mén)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。

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(xiàn)。

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。

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(cè)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(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。

圖4. 使用NI聲音與振動(dòng)工具包計(jì)算出的功率譜