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電動(dòng)零部件異響分析參數(shù)方案
2024-07-24
一、調(diào)制(Modulation)、包絡(luò)分析(Envelope)
如果噪聲中出現(xiàn)了明顯的調(diào)幅(AM)現(xiàn)象，除了提及的抖動(dòng)度和粗糙度以外，BK Connect軟件還提供包絡(luò)分析(Envelope)。包絡(luò)分析能夠?qū)⒄{(diào)制信號(hào)從載波信號(hào)中分離出來(lái)。如下圖所示，紅色為載波信號(hào)，黑色為調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)包絡(luò)分析后，即可得到右下角的調(diào)制頻率fm。包絡(luò)分析除了用于調(diào)制信號(hào)的解調(diào)分析以外，還適用于電機(jī)軸承的故障檢測(cè)，能從軸承振動(dòng)噪聲信號(hào)中識(shí)別出微弱的故障信號(hào)，在出現(xiàn)故障的早期階段即能發(fā)現(xiàn)故障。
如下圖右圖的例子中，對(duì)載波所在頻段（125±100Hz）進(jìn)行帶通濾波后，對(duì)包絡(luò)線(xiàn)時(shí)間歷程曲線(xiàn)進(jìn)行FFT分析。Y軸幅值為包絡(luò)線(xiàn)的頻譜幅值。在頻譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的峰值，說(shuō)明信號(hào)中存在調(diào)幅現(xiàn)象。在噪聲信號(hào)的FFT分析結(jié)果中，如下圖左圖所示，我們發(fā)現(xiàn)在126Hz和120Hz有相鄰的峰值，其中幅值更高的126Hz為載波頻率，幅值較低的120Hz為調(diào)制信號(hào)頻率。根據(jù)調(diào)制信號(hào)幅值和載波信號(hào)幅值的比值，可計(jì)算出調(diào)制度(Degree of Modulation)，為0.082/0.395≈21%。
如果在分析之前，無(wú)法確定載波頻率的頻率范圍，則可以先進(jìn)行不同頻段的包絡(luò)分析，調(diào)查這些頻段的數(shù)據(jù)中，是否存在調(diào)制。如下圖例子所示，X軸橫坐標(biāo)為調(diào)制頻率，左側(cè)Y軸縱坐標(biāo)為包絡(luò)分析的載波頻帶中心頻率，Z軸顏色坐標(biāo)為調(diào)制信號(hào)幅值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)2500Hz載波頻帶和80Hz調(diào)制頻率處有明顯峰值（圖中黃色圓圈位置），同時(shí)在其他載波頻帶，如500Hz處，也存在多個(gè)調(diào)制頻率的峰值（圖中橙色圓圈位置），說(shuō)明這些位置存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象。
二、純音比(Tone-to-noise Ratio)、突出比 (ProminenceRatio)、音調(diào)(Tonality)
由于電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)出一些純音。這些純音可能讓電機(jī)噪聲聽(tīng)起來(lái)尖銳刺耳、不和諧，令人煩躁。在分析純音問(wèn)題時(shí)，需要考慮寬頻信號(hào)的掩蔽效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)寬頻信號(hào)中存在一個(gè)純音時(shí)，純音的聲壓級(jí)幅值超過(guò)純音所在臨界頻帶聲壓級(jí)幅值6個(gè)dB以上，人耳才能聽(tīng)到這個(gè)純音。如果小于6dB，則人耳聽(tīng)不到這個(gè)純音，它被周?chē)l帶的寬頻聲音所掩蔽。下圖為純音比和突出比的圖例和定義。針對(duì)人耳的這種特性，BK Connect軟件提供了多種純音分析參數(shù)，包括純音比(Tone-to-noise Ratio) 、突出比(Prominence Ratio)和音調(diào)(Tonality)，這些參數(shù)能自動(dòng)判斷噪聲中是否存在明顯的純音。
三、FFT、1/3倍頻程(1/3 Octave)、臨界頻帶(Critical Band)
FFT和1/3倍頻程多用于表述聲音能量在頻域上的分布。它們的縱坐標(biāo)為聲音幅值，比如聲壓級(jí)dB、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)dB(A)等，橫坐標(biāo)為頻率。FFT和1/3倍頻程最明顯區(qū)別之一是頻率坐標(biāo)的分辨率。FFT的頻率分辨率在各個(gè)頻率都是一致的（如下圖左圖），而1/3倍頻程的頻率分辨率是中心頻率的固定百分比（約23%），頻率越低，每個(gè)柱狀圖代表的頻段越窄，也就是頻率分辨率越小，反之頻率越高，頻帶越寬，頻率分辨率越大（如下圖中圖）。FFT和1/3倍頻程的本質(zhì)區(qū)別是噪聲幅值的計(jì)算方法，F(xiàn)FT利用傅里葉變換原理，進(jìn)行時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換，得到各頻率的噪聲幅值。1/3倍頻程采用時(shí)域?yàn)V波器的方法，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，得到各頻段噪聲幅值。
FFT和1/3倍頻程主要表述聲音的能量分布，沒(méi)有考慮心理聲學(xué)中的頻域掩蔽效應(yīng)，因此與人對(duì)聲音的主觀感受存在一定的差距。為了減少這種差距，在進(jìn)行心理聲學(xué)分析時(shí)，通常使用臨界頻帶（單位bark）表述不同頻率的噪聲，臨界頻帶將人耳可聽(tīng)頻段分為0-24bark（如下圖右圖）。
四、更多參數(shù)
如果噪聲信號(hào)具有非穩(wěn)態(tài)特性，甚至是瞬態(tài)特性，除了上述常見(jiàn)的參數(shù)以外，還經(jīng)常使用其他一些參數(shù)。他們由常規(guī)參數(shù)衍生出來(lái)的，這些參數(shù)也常用于評(píng)價(jià)電動(dòng)零部件的異響。
1、百分位數(shù)
在研究噪聲問(wèn)題時(shí)，噪聲中除了與自身形成機(jī)理有關(guān)的特征成分以外，還經(jīng)常包含隨機(jī)成分，這使得噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)常分布在一定數(shù)值范圍內(nèi)。為了方便量化噪聲數(shù)據(jù)的分布特性，引入統(tǒng)計(jì)學(xué)的一些方法，比如百分位數(shù)，常見(jiàn)的百分位數(shù)有第1、第50（也稱(chēng)為中位數(shù)）、第99百分位數(shù)等。
以連續(xù)重復(fù)測(cè)試的三組數(shù)據(jù)為例，在下圖的響度時(shí)間歷程中，由于被測(cè)物運(yùn)行狀態(tài)等因素的影響，無(wú)法保證三組數(shù)據(jù)的最大值是最穩(wěn)定的、一致的。表格中為三組數(shù)據(jù)的第0至第15百分位數(shù)匯總，其中第0百分位數(shù)（第三行，即響度最大值）標(biāo)準(zhǔn)差為0.33Sone，而第3、4百分位數(shù)（第四、五行）標(biāo)準(zhǔn)差均明顯小于第0百分位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，因此第3、4百分位數(shù)具有更高的一致性。
2、（特征響度積分面積）百分位頻率
使用臨界頻帶表述不同頻率的響度時(shí)，我們將結(jié)果稱(chēng)為特征響度，如下圖結(jié)果，橫坐標(biāo)為臨界頻帶（bark），縱坐標(biāo)為響度。在研究噪聲的頻域分布特性時(shí)，可以利用特征響度曲線(xiàn)計(jì)算出積分面積。再利用積分面積百分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率，來(lái)表述頻譜分布特性。百分位數(shù)的結(jié)果為特征頻率，單位Bark。以下圖為例，左右兩圖為兩個(gè)不同聲音的特征響度數(shù)據(jù)，兩個(gè)聲音的總響度分別為13.00 Sone和12.74 Sone，比較接近，但是它們的頻譜分布是不同的，例如，在9 Bark附近，左圖數(shù)值小于右圖，而在16.5 Bark附近，左圖數(shù)值大于右圖。以第50百分位頻率為例，低于某個(gè)特征頻率的積分面積，占總積分面積的50%，也可以描述為，某個(gè)臨界頻帶以上和以下特征頻率積分面積相等，即特征響度“重心”，此臨界頻帶對(duì)應(yīng)的特征頻率即為第50百分位頻率。在上述兩組數(shù)據(jù)中，左右兩圖的第50百分位頻率分別為12.5 Bark和11 Bark（圖中紅色豎線(xiàn)），這意味著左圖的特征響度“重心”比右圖更偏右說(shuō)明特征響度主要集中在較高頻段。除了使用第50百分位頻率以外，也可以使用其他百分位數(shù)（比如第70百分位數(shù)）表示特征響度的分布特性。
對(duì)于瞬態(tài)噪聲信號(hào)，在瞬態(tài)噪聲的時(shí)間歷程中，頻率分布是隨時(shí)間變化的。以電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)的特征響度時(shí)域歷程為例，如下圖左側(cè)圖形所示，在0.09-0.25秒（藍(lán)框內(nèi)的時(shí)間范圍）出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊噪聲，在不同時(shí)刻下，特征響度是不同的。利用各個(gè)時(shí)刻的特征響度計(jì)算出百分位頻率，從而反映出各個(gè)時(shí)刻的頻率分布變化趨勢(shì)。下圖右側(cè)圖形為第70百分位頻率的時(shí)間歷程，其中的0秒為沖擊噪聲的峰值時(shí)刻，作為起始時(shí)刻。第70百分位頻率曲線(xiàn)隨時(shí)間逐步降低，意味著特征響度中的頻率成分，隨著時(shí)間逐漸向更低頻率轉(zhuǎn)移。
3、顫聲(Warble)
當(dāng)電機(jī)處于勻速運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)載或阻力的影響，容易引起噪聲的低頻顫動(dòng)，如下圖所示，在響度時(shí)間歷程數(shù)據(jù)中，從2.4秒至5.1秒（藍(lán)框內(nèi)），響度值出現(xiàn)了明顯的低頻顫動(dòng)。如果此類(lèi)顫動(dòng)的頻率在2-8Hz（也有文獻(xiàn)規(guī)定為1-10Hz）時(shí)，通常將之稱(chēng)為顫音(Warble)。下圖的顫音現(xiàn)象中，包含了多個(gè)周期的極大值和極小值，如圖所示的6個(gè)周期的極值。
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