基于聲音與振動工具包的振動測量分析

謝志勇，周其斗，呂曉軍

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

LabVIEW 是NI 公司提供的一個圖形化編程環(huán)境，力求使用戶從煩瑣的程序設(shè)計中解放出來，而將注意力集中在測量等物理問題本身［1］。由于LabVIEW 具有良好的開放環(huán)境和基于圖形化編程語言，使其在數(shù)據(jù)采集、分析和處理，工業(yè)儀器控制等方面應(yīng)用越來越廣泛［2-5］。

振動信號與聲信號的采集和處理是一個重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域［6］。由于PXI 平臺和基于該平臺上的數(shù)據(jù)采集板卡價格較工控機(jī)平臺的PCI 板卡昂貴，在所構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)通道數(shù)并不多的情形下，搭建一種價格更為低廉、使用更為方便的測量系統(tǒng)顯得尤為重要。本研究基于工控機(jī)平臺，利用基于PCI 總線的動態(tài)信號采集板卡PCI-4472，采用NI(national instruments)基于LabVIEW 平臺開發(fā)的Sound and Vibration Toolkit，無需自己編程即可方便地搭建聲信號與振動信號的動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實踐表明該系統(tǒng)易于理解和掌握，使工作人員能將主要精力投入到所需要研究的領(lǐng)域，而不需要再學(xué)習(xí)信號處理方面的專業(yè)知識和程序開發(fā)。采用經(jīng)動態(tài)力校準(zhǔn)的力傳感器，以加筋柱殼為研究對象，對其受激振動進(jìn)行了實驗研究?；诹χ档木_測量，采用穩(wěn)態(tài)正弦激勵和隨機(jī)白噪聲激勵2種方式得到其加速度頻率響應(yīng)函數(shù)。結(jié)果表明兩者符合良好，而采用本文搭建的測試系統(tǒng)性價比更高，易于理解和掌握使用。

1 頻響函數(shù)測量實驗原理

振動采集分析系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。實驗過程中模型配置與傳感器布置情況如圖2 和圖3 所示。柱殼結(jié)構(gòu)懸掛，激振器置于地面上固定，在激振器與被測結(jié)構(gòu)之間安裝有力傳感器，結(jié)構(gòu)外殼體安裝有加速度傳感器。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦激勵測量頻響函數(shù)試驗時，由信號發(fā)生器產(chǎn)生指定頻率的正弦信號，經(jīng)由功率放大器驅(qū)動激振器在該頻率下振動，從而激起結(jié)構(gòu)振動。通過安裝在結(jié)構(gòu)表面的加速度傳感器測量指定位置振動響應(yīng)。為了提高對信號分析的精度，在穩(wěn)態(tài)正弦激振實驗過程中，設(shè)定數(shù)據(jù)采集板卡的采樣率為結(jié)構(gòu)受迫振動頻率的整數(shù)倍，以減少由于譜泄漏所帶來的誤差［7］。在使用隨機(jī)白噪聲激勵求取頻率響應(yīng)函數(shù)實驗過程中，由于所用的信號發(fā)生器并不能產(chǎn)生指定帶寬內(nèi)的隨機(jī)白噪聲，因而使用PC 模擬產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲，再通過儀器控制技術(shù)控制信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器直接數(shù)字合成該指定帶寬的白噪聲信號，進(jìn)而控制功率放大器驅(qū)動激振機(jī)工作。

圖3 柱殼模型激振機(jī)布置、傳感器安裝實物

2 測量系統(tǒng)組成與同步測試

測量系統(tǒng)主要由激振機(jī)和功率放大器組成的激振系統(tǒng)、力傳感器和電荷放大器組成的力值精確測量系統(tǒng)、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡、信號發(fā)生器和聲與振動信號采集軟件所組成。主要的參試設(shè)備如表1 所示，其中關(guān)鍵儀器的主要性能指標(biāo)為:①力傳感器，量程20 kN，最小檢測閾值0.02 N。力傳感器采用由KISTLER 生產(chǎn)的9331B 型單向力傳感器，該型力傳感器在實驗室中經(jīng)正弦力校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)力的標(biāo)定［8］，其動態(tài)力值可直接溯源到質(zhì)量﹑加速度和時間，并且安裝于力的傳遞路徑上，從而克服了文獻(xiàn)［9］中的力傳感器布置只能測量70% ～90%激振力的缺點，保證了激振力值測量的準(zhǔn)確性。②動態(tài)信號采集板卡PCI -4472，8 通道輸入，102.4 kS/s，24 位分辨率，110 dB 動態(tài)范圍，IEPE 調(diào)理(可直接連接ICP 型加速度計，無需額外調(diào)理)，10 V 電壓范圍，45 kHz 無混疊帶寬，提供直流和交流兩種信號輸入的耦合方式［10］。③多張板卡上各通道在工控機(jī)平臺上通過RTSI(real-time system integration)總線實現(xiàn)多塊數(shù)據(jù)采集板卡的同步。圖4 為板卡1 上通道Dev1_ai0 和板卡2 上通道Dev2_ai0 采集的同一信號源的正弦信號。該信號源輸出的正弦信號具有直流偏置。本文用于采集的板卡分別采用直流耦合和交流耦合方式，采用直流耦合方式的板卡可以檢測出直流分量。若扣除直流分量，從圖4 中也可以看出兩通道同步良好。

表1 主要參試設(shè)備

采用該聲振測試軟件的好處在于可以較為方便地進(jìn)行各類非電量測量相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，如靈敏度、采樣率、耦合方式等，支持的測量信號類型包括電壓、溫度、電流、加速度、應(yīng)力、聲壓等常見信號類型，無需自己編程實現(xiàn)，從而簡化測試過程。選用的PCI-4472 板卡能夠提供恒流源激勵，無需進(jìn)行額外的信號調(diào)理，可以直連ICP 型的加速度傳感器，能夠較快地搭建測試系統(tǒng)。圖5 為采集加速度類型信號時系統(tǒng)典型配置，通過配置該向?qū)Э梢钥焖賹崿F(xiàn)對傳感器的正確配置。

3 測試結(jié)果

在穩(wěn)態(tài)正弦激振測試過程中，通過調(diào)整信號發(fā)生器旋鈕改變激振機(jī)的激振頻率，同時記錄力傳感器測量實際產(chǎn)生的激振力和加速度傳感器感知的加速度。在隨機(jī)激勵實驗中通過PC 控制信號發(fā)生器產(chǎn)生指定帶寬范圍內(nèi)(20 ～520 Hz)的隨機(jī)白噪聲，通過功率放大器使激振器在該工況下工作，記錄力信號和加速度信號。

圖6 為隨機(jī)白噪聲激勵時測得激振力信號的時域和頻域。從頻域圖上可以看出激振力在給定頻率范圍內(nèi)(20 ～520 Hz)基本為平直譜。圖7 ～9 為采用穩(wěn)態(tài)正弦和隨機(jī)白噪聲作為激勵信號時所測得的典型通道頻響函數(shù)，結(jié)果采用加速度和加速度級(參考加速度1 μm/s2)2 種表示方式。從圖7 至看出采用此2 種方式下所得的結(jié)果除了非激振力方向測量通道低頻段外(Dev4_ai5 通道所測方向為非激振力方向)，所測量得到的結(jié)果完全一致。而Dev4_ai5 通道的測量結(jié)果在低頻時相差較大的原因主要在于非激振力方向加速度響應(yīng)的信噪比較低，易被干擾(圖10)。

4 結(jié)束語

利用基于LabVIEW 平臺開發(fā)的Sound and Vibration Toolkit，通過簡單的配置，搭建了完整的聲音與振動測試分析系統(tǒng)。對該測試系統(tǒng)作了詳細(xì)介紹。實踐證明該系統(tǒng)易于掌握使用。采用該測試系統(tǒng)，以加筋柱殼結(jié)構(gòu)為研究對象，使用穩(wěn)態(tài)正弦和隨機(jī)白噪聲信號作為激勵源，采用經(jīng)動態(tài)力校準(zhǔn)的力傳感器精確測量輸入激振力，求取2 種方式下結(jié)構(gòu)上布點的加速度頻響函數(shù)。結(jié)果表明，2 種激勵方式下所得測試結(jié)果符合良好，并且采用隨機(jī)白噪聲激勵可明顯縮短測試時間。

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