從噪音中收集有用的信息

作者：Christof Salcher國(guó)際產(chǎn)品經(jīng)理HBM, Inc. www.hbm.com

了解被調(diào)查機(jī)器或系統(tǒng)組件的噪聲來(lái)源和原因在開發(fā)、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)取樣、服務(wù)和維護(hù)中變得越來(lái)越重要。畢竟，聲學(xué)的“額外數(shù)量”往往對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的舒適度、職業(yè)健康與安全以及品牌形象至關(guān)重要。

過去，工程師在測(cè)量聲學(xué)時(shí)需要使用額外的工具——迫使他們與不同的設(shè)備、用戶界面、理念和數(shù)據(jù)格式作斗爭(zhēng)。然而，今天的測(cè)量工具，例如 HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 數(shù)據(jù)采集解決方案，可以提供詳細(xì)的聲學(xué)測(cè)量分析功能以及用于采集機(jī)械、熱、電氣和數(shù)字總線信號(hào)以及 GPS 和視頻信號(hào)的全套功能. 特別是對(duì)于聲學(xué)測(cè)量，工程師可以利用諸如以 dB(A) 為單位的聲級(jí)分析等功能，并根據(jù)二維頻譜圖中的響度和頻率分析進(jìn)行心理聲學(xué)評(píng)估。

多用途測(cè)量工具不僅可以更有效地測(cè)量事件，還可以簡(jiǎn)化和加快與趨勢(shì)分析研究中早期測(cè)量結(jié)果的比較。這些工具提供了服務(wù)和維護(hù)任務(wù)所需的緊湊、便攜的解決方案。

噪聲工程

在汽車市場(chǎng)中，術(shù)語(yǔ)噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度 (NVH) 通常用于描述車輛或機(jī)器中的可聽噪聲或可感知振動(dòng)。粗糙度是 20 到 100 Hz 之間的主觀過渡區(qū)域，既可聽又可感知。振動(dòng)產(chǎn)生于由振動(dòng)源引入振動(dòng)傳遞結(jié)構(gòu)的力，例如自致粘滑效應(yīng)。NVH 的典型示例是粘滑的擋風(fēng)玻璃刮水器、變速箱嘯叫、緊握離合器或嘈雜的空調(diào)系統(tǒng)。

NVH 產(chǎn)生于理想摩擦的副作用或固體之間摩擦的不希望結(jié)果，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳播噪聲的排放和最終可聽見的空氣傳播噪聲。在四面不受限制的固體中，有兩種不同的結(jié)構(gòu)聲波傳播：所謂的縱波和橫波。這些波彼此獨(dú)立地傳播。在這兩種情況下，聲速與空氣傳播的噪聲一樣，不依賴于頻率。聲速受密度、剛度模量(橫波)和彈性模量(縱波)的影響。

結(jié)構(gòu)噪聲的記錄和分析在工程中起著重要作用。在機(jī)械系統(tǒng)的開發(fā)過程中，噪聲分析可以幫助測(cè)試整體功能、啟動(dòng)、性能、耐用性，甚至壽命。在生產(chǎn)中，噪聲分析可以通過確保在將零件集成到汽車內(nèi)飾、轉(zhuǎn)向組件等過程中滿足聲學(xué)約束來(lái)增強(qiáng)質(zhì)量檢查過程。在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，噪聲測(cè)量提供了在例行檢查、故障調(diào)查、故障排除以及校準(zhǔn)或調(diào)整期間持續(xù)分析長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康和診斷數(shù)據(jù)所需的關(guān)鍵信息。

噪音的本質(zhì)

使用 NVH 時(shí)，需要避免可能降低舒適度的振動(dòng)。在聲學(xué)科學(xué)中，聲學(xué)不適的性質(zhì)與聲源的各種特性有關(guān)，包括聲壓級(jí) (SPL)。例如，運(yùn)轉(zhuǎn)中的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、音樂會(huì)或重型卡車的聲音可能會(huì)因?yàn)橐袅刻蠖屓瞬皇娣?。?1 提供了各種常見事件的 SPL。

表 1：各種噪聲源的聲壓級(jí) (dB(A))

然而，除了大容量源之外，噪聲源的特性與對(duì)該噪聲的感知之間的關(guān)系可能很復(fù)雜。人類的聽覺感知不同頻率的聲音或多或少響亮。聲壓級(jí)或噪聲級(jí)是一個(gè)心理聲學(xué)量。在測(cè)量過程中，噪聲信號(hào)被過濾，以便它們模仿人類聽覺的特性，從大約 2 kHz 到 4 kHz 的峰值靈敏度范圍內(nèi)下降。這些濾波器的加權(quán)曲線是標(biāo)準(zhǔn)化的。

我們說的是聲壓級(jí)的所謂 A 加權(quán)，記為 dB(A)。零 dB(A) 對(duì)應(yīng)于聽力閾值(聽覺閾值)。A 計(jì)權(quán)濾波器曲線定義為 20 Hz 至 20 kHz(圖 1)。噪音疼痛的閾值約為 130 分貝(A)。通過使用高級(jí)聲學(xué)測(cè)量設(shè)備的“計(jì)算通道”，將聲壓轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí)(SPL)非常容易。

圖 1：A 加權(quán)濾波器曲線將人耳感知的相對(duì)響度作為音頻頻率的函數(shù)考慮在內(nèi)。

噪聲測(cè)量 一般聲學(xué)測(cè)量通常從使用高質(zhì)量麥克風(fēng)開始。以 Microtech Gefell M370 測(cè)量麥克風(fēng)為例;這種內(nèi)置轉(zhuǎn)換器類型的麥克風(fēng)包括一個(gè)具有圓形特性的駐極體壓力接收器。來(lái)自放大器的恒定電流為麥克風(fēng)供電，測(cè)得的聲壓被調(diào)制為電壓信號(hào) (IEPE)。1 類露天使用的可測(cè)量頻率范圍在 20 Hz 和 20 kV 之間(圖 2)。最大聲壓級(jí)為 130 dB(A)。

圖 2：MICROTECH GEFELL M370 麥克風(fēng)的校準(zhǔn)證書顯示其響應(yīng)在感興趣的頻率范圍內(nèi)的線性度。

對(duì)于實(shí)際的信號(hào)采集和處理，HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 軟件等工具提供了完整的聲學(xué)信號(hào)處理平臺(tái)。QuantumX 是一種模塊化數(shù)據(jù)采集解決方案，能夠以 0.1 到 100 kS/秒的速度同時(shí)從多個(gè)傳感器和傳感器收集數(shù)據(jù)，測(cè)量力、應(yīng)變、扭矩、壓力、溫度、位移、速度、位置、加速度、流量、電壓、電流、噪聲，以及許多其他特征。除了數(shù)據(jù)采集功能外，catmanAP 軟件還提供了一個(gè)用于在線和后處理計(jì)算的集成數(shù)學(xué)庫(kù)。數(shù)學(xué)函數(shù)從簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算、過濾器、統(tǒng)計(jì)和分類(如雨流或水平時(shí)間)擴(kuò)展到頻譜分析、電功率計(jì)算、

噪聲分析要求

為了揭示噪聲的根本原因，工程師依靠幾個(gè)基本的分析功能來(lái)為他們提供包括噪聲在內(nèi)的被測(cè)系統(tǒng)的清晰圖景。在這些功能中，一些最常見的功能包括：? 隨時(shí)間、頻率、角度或其他量(如位移或轉(zhuǎn)速)的表示(轉(zhuǎn)速計(jì))? 在彩色頻譜圖中表示為功率譜密度 (PSD) ? 總體以 dB(A) 為單位的聲級(jí)特性 ? 以 dB(A) 為單位的帶限級(jí)特性

在頻域中分析信號(hào)并不能顯示信號(hào)的頻率內(nèi)容如何隨時(shí)間演變。對(duì)于此任務(wù)，catman 中的頻譜圖等功能提供了所需的結(jié)果。頻譜圖通過計(jì)算信號(hào)中包含的頻率以及隨時(shí)間變化的相關(guān)顏色編碼幅度，直接顯示聯(lián)合時(shí)頻分析 (JTFA)。為了計(jì)算 JTFA，catman 軟件使用所謂的短時(shí)傅里葉變換 (STFT)，隨著時(shí)間的推移對(duì)信號(hào)的短片段重復(fù)應(yīng)用快速傅里葉變換 (FFT)。本質(zhì)上，頻譜圖的 JTFA 比標(biāo)準(zhǔn) FFT 顯示更多細(xì)節(jié)：頻率內(nèi)容(y 軸)隨時(shí)間演變(x 軸)，以所謂的 2-D 1/2 可視化顯示，其中幅度或能量映射到顏色代碼(圖 3)。

圖 3：麥克風(fēng)的頻譜圖顯示了聯(lián)合時(shí)頻分析 (JTFA)，該分析是通過計(jì)算信號(hào)中包含的頻率以及隨時(shí)間變化的相關(guān)顏色編碼幅度而得出的。

JTFA 依賴于用于計(jì)算頻譜的測(cè)量值數(shù)量等參數(shù)。這些測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)法則是 FFT 中包含的測(cè)量值越多，頻率范圍內(nèi)的分辨率就越準(zhǔn)確。另一個(gè)參數(shù)是窗口函數(shù)，它決定了當(dāng)在計(jì)算中使用從對(duì)段(窗口)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣得到的采樣值時(shí)應(yīng)用的加權(quán)。如果將多個(gè)通道分配給圖形，則通道的光譜也可以顯示為矢量和。

審核編輯：湯梓紅