振動傳感器在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的響應(yīng)輸出分析

蘇秀紅，周桐，黃?，?/p>

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振動傳感器在強(qiáng)噪聲環(huán)境下的響應(yīng)輸出分析

蘇秀紅，周桐，黃?，?/p>

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

目的考察強(qiáng)噪聲場下振動傳感器的性能。方法采用GJB 150.17—86對振動傳感器進(jìn)行噪聲鑒定試驗(yàn)，并分析傳感器在噪聲場中的響應(yīng)輸出，對比試驗(yàn)前后的傳感器性能指標(biāo)。結(jié)果振動傳感器經(jīng)過強(qiáng)噪聲場試驗(yàn)后的性能正常，振動傳感器在強(qiáng)噪聲場中的響應(yīng)相對較小，單項(xiàng)振動試驗(yàn)中的噪聲場不會影響振動傳感器的測試結(jié)果。結(jié)論該傳感器可以完成振動監(jiān)測工作。

振動傳感器；噪聲試驗(yàn)；響應(yīng)輸出

核彈頭在地面貯存、運(yùn)輸、機(jī)動及飛行過程中，將遭受各種環(huán)境因素的影響，其中，再入環(huán)境的影響尤為突出[1—2]。核彈頭再入時(shí)，外表面的高超音速繞流流場將誘導(dǎo)復(fù)雜的振動、噪聲、過載和氣動熱等環(huán)境，有可能產(chǎn)生復(fù)雜的環(huán)境效應(yīng)如結(jié)構(gòu)破壞、核裝置結(jié)構(gòu)松動、電路板焊點(diǎn)脫落等。振動監(jiān)測是核彈頭地面測試中的重要環(huán)節(jié)。

核彈頭在再入環(huán)境中會遭受強(qiáng)的噪聲場，噪聲場將對振動傳感器的正常工作帶來安全隱患，強(qiáng)噪聲場是否會對傳感器的正常工作帶來影響是地面測試中必考察的一個(gè)項(xiàng)目。因此文中開展響應(yīng)的試驗(yàn)研究工作，考察強(qiáng)噪聲場對加速度傳感器性能指標(biāo)的影響。振動傳感器對噪聲場的耐受能力決定其能否正常完成監(jiān)測任務(wù)。

機(jī)載、彈載武器系統(tǒng)的實(shí)際使用環(huán)境中，振動與噪聲載荷都同時(shí)存在。GJB 150和MIL-STD-810F[3]都有這樣的描述：如果寬帶隨機(jī)噪聲總聲壓級不超過130 dB或每赫茲帶寬小于100 dB，則噪聲試驗(yàn)是不需要的，但有些情況下并非如此，噪聲載荷與振動載荷相比不能忽略。目前大部分地面振動試驗(yàn)，其測量的頻率范圍為10~2 000 Hz，而噪聲載荷的頻率范圍為50~10 000 Hz，二者有較大的重疊。在一般的振動試驗(yàn)中，振動傳感器的響應(yīng)并未考慮噪聲載荷的影響，如果振動傳感器對噪聲載荷存在響應(yīng)達(dá)到一定數(shù)值會明顯影響試驗(yàn)測量精度，因此必須對振動傳感器在噪聲環(huán)境下的響應(yīng)輸出進(jìn)行研究，并在必要時(shí)采取降噪隔噪措施。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

振動傳感器噪聲試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證它對于發(fā)動機(jī)噪聲、主動段和被動段氣動噪聲環(huán)境的適應(yīng)性，考核振動傳感器在噪聲環(huán)境中的工作性能，檢驗(yàn)振動傳感器的抗噪聲能力。對振動傳感器進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用GJB 150.17—86[4]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軍用設(shè)備噪聲試驗(yàn)方法，是制定軍用設(shè)備技術(shù)條件或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)條件相應(yīng)部分的基礎(chǔ)和選用依據(jù)。噪聲試驗(yàn)總聲壓級分別為130，140，145，150 dB。

1.2 合格判斷

設(shè)備進(jìn)行過噪聲試驗(yàn)后，符合下列要求即認(rèn)為是合格[5]：試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行功能測試的設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的功能不失效，性能、精度未超差；試驗(yàn)過程中不需要進(jìn)行功能測試的設(shè)備，試驗(yàn)后設(shè)備的功能不失效，性能、精度未超差；試驗(yàn)后檢查結(jié)構(gòu)，不能出現(xiàn)變形、松動等結(jié)構(gòu)變形。

1.3 傳感器安裝及試驗(yàn)步驟

在混響室內(nèi)懸掛一金屬厚圓板，圓板質(zhì)量約400 kg。金屬圓板水平放置，圓板上對稱安裝兩支振動傳感器，傳感器型號為PCB356A01。兩支傳感器采用常規(guī)方式安裝，利用502膠固定，傳感器與金屬圓板之間用絕緣膠木墊塊進(jìn)行連接。

試驗(yàn)步驟如下：按上述傳感器安裝方式將振動傳感器固定；搭建測試系統(tǒng)，并進(jìn)行信號敲檢等準(zhǔn)備工作；利用振動傳感器進(jìn)行無噪聲環(huán)境的信號采集，作為參照數(shù)據(jù)；在強(qiáng)噪聲環(huán)境下對振動傳感器進(jìn)行信號采集，噪聲加載共采用4個(gè)不同的聲壓級，分別為130，140，150，155 dB。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 傳感器時(shí)域響應(yīng)分析

以傳感器1為例，分別采集傳感器在無噪聲環(huán)境下和不同量級噪聲環(huán)境下的信號輸出[6]，并求取各自的功率譜密度曲線。信號分析軟件采用Ideas。

圖1和圖2為無噪聲激勵和噪聲量級為120 dB時(shí)采集的時(shí)域信號。對比圖1和圖2的信號量值可以看出，振動傳感器在噪聲試驗(yàn)開始后有明顯的信號輸出。這是因?yàn)檎駝觽鞲衅鞣胖糜谠肼暬祉懯抑校瑥?qiáng)噪聲環(huán)境引起空氣振動，空氣振動的能量引起傳感器的機(jī)械振動，傳感器感受到機(jī)械振動產(chǎn)生信號輸出，這是合理的現(xiàn)象。同時(shí)，由于傳感器粘貼于金屬板表面，空氣振動引起金屬板的機(jī)械振動也會傳遞到傳感器上，因此傳感器的信號輸出是空氣振動和金屬板響應(yīng)的疊加作用。由于金屬板的剛性強(qiáng)度很大，空氣振動引起的機(jī)械振動很小，因此對傳感器輸出的影響很小，可以忽略。

圖1 無噪聲激勵的時(shí)域信號

圖2 噪聲量級120 dB的時(shí)域信號

2.2 加速度頻響分析

加速度頻率響應(yīng)的分析采用Matlab軟件[7]，處理方法采用快速傅里葉變換（FFT）[8]。將測試系統(tǒng)采集的時(shí)域數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，分別得到參照數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幅頻曲線如圖3—5所示。

圖3說明無噪聲激勵時(shí)，采集的參照數(shù)據(jù)的頻率幅值量級在10–4以下。圖4是噪聲量級為130 dB時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幅頻曲線。從圖4可以看出，傳感器響應(yīng)的頻率成分主要集中在0~500 Hz的范圍內(nèi)，并且振幅的量級已經(jīng)達(dá)到了10–3，較之參照數(shù)據(jù)的幅頻曲線有了明顯增大。圖5是噪聲量級為140 dB時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幅頻曲線，從圖5可以看出，傳感器響應(yīng)的頻率成分主要集中在0~300 Hz的范圍內(nèi)，振幅的量級已達(dá)到10-2。對比圖3—圖5可以看出，噪聲載荷的加載能夠明顯引起傳感器的響應(yīng)變化，并且隨著載荷增大，響應(yīng)增大明顯。

2.3 加速度總均方根值響應(yīng)分析

圖6是傳感器1在不同噪聲量級下的功率譜密度曲線[9]。從圖6中可以看出，隨著試驗(yàn)施加噪聲量級的增大，傳感器響應(yīng)也相應(yīng)變大。這是由于隨著噪聲量級的增大，機(jī)械振動強(qiáng)度相應(yīng)增大，因此傳感器的信號輸出也相應(yīng)增大。

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幅頻曲線

圖6 傳感器1在不同噪聲環(huán)境下的功率譜密度曲線

表1和表2分別統(tǒng)計(jì)了50 Hz~10 kHz，50 Hz~2 kHz，2~10 kHz頻率范圍內(nèi)各傳感器在不同噪聲量級下功率譜密度的總均方根值。從表1中可以看出，在頻率范圍50 Hz～10 kHz內(nèi)，隨著噪聲量級的增大，加速度傳感器總均方根值相應(yīng)增大。這說明隨著噪聲量級的增大，傳感器的響應(yīng)也相應(yīng)增大。這一規(guī)律在表2中也同樣可以得出。

表1 50 Hz~10 kHz內(nèi)各傳感器的總均方根值

表2 50 Hz～2 kHz各傳感器的總均方根值

表3為50 Hz~2 kHz頻段內(nèi)傳感器響應(yīng)功率譜密度總均方根值與50 Hz~10 kHz頻段內(nèi)總均方根值的比例。可以看出，噪聲量級不同的條件下，傳感器振動響應(yīng)在2 kHz內(nèi)所占比例基本保持在50%以上，在量級130 dB和140 dB時(shí)更是達(dá)到90%以上的比例。這說明在整個(gè)噪聲試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，2 kHz以下頻段內(nèi)的響應(yīng)占主導(dǎo)作用。

表3 2 kHz內(nèi)占總頻率范圍的百分比

無論是振動-噪聲復(fù)合試驗(yàn)還是單項(xiàng)振動試驗(yàn)，加速度傳感器均是在噪聲場中工作，這種影響理論上是無法完全消除的，傳感器對聲載荷的響應(yīng)特性也無法改變。理論上說，噪聲量級越低，傳感器的直接響應(yīng)也越小。

在該試驗(yàn)的條件下，傳感器的響應(yīng)是空氣振動和金屬板響應(yīng)的疊加輸出，其中強(qiáng)噪聲引起空氣振動，空氣振動的能量在引起傳感器的機(jī)械振動的同時(shí)，激勵金屬圓板產(chǎn)生振動，傳感器采集的是二者響應(yīng)的疊加。該試驗(yàn)采用的金屬圓板質(zhì)量高達(dá)400 kg，在噪聲的激勵下，自身的響應(yīng)很小，幾乎可以忽略，因此傳感器采集的主要是傳感器本身機(jī)械振動引起的響應(yīng)。從表1中可以看出，噪聲量級達(dá)到155 dB時(shí)，各傳感器響應(yīng)的總均方根值約為0.25。同時(shí)從表2中可以看出，當(dāng)噪聲量級達(dá)到155 dB時(shí)，傳感器響應(yīng)的總均方根值約為0.12。這說明在噪聲強(qiáng)度達(dá)到155 dB時(shí)，傳感器對噪聲載荷的響應(yīng)仍然很小。在考核產(chǎn)品性能的一般振動試驗(yàn)中，產(chǎn)品的響應(yīng)占主導(dǎo)作用，振動產(chǎn)生的噪聲載荷遠(yuǎn)小于155 dB。由此可以得出，在振動試驗(yàn)中，振動產(chǎn)生的噪聲對最終試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略，因此本傳感器可以完成振動信號的監(jiān)測任務(wù)。

3 傳感器抗噪聲能力分析

試驗(yàn)結(jié)束后，首先檢查傳感器的外形結(jié)構(gòu)、電纜、接插件等部件，并未發(fā)現(xiàn)變形松動等現(xiàn)象，即兩支傳感器均外形良好，無結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象出現(xiàn)。

對傳感器重新進(jìn)行性能指標(biāo)的檢定，并對比試驗(yàn)前的性能指標(biāo)，結(jié)果見表4。噪聲試驗(yàn)后的性能指標(biāo)與試驗(yàn)前的高度一致。

表4 振動傳感器性能指標(biāo)對比

4 結(jié)語

為了考察振動傳感器在噪聲場中的性能，依據(jù)GJB 150.17—86開展了振動傳感器的噪聲考核試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器在噪聲場中性能正常，并且噪聲試驗(yàn)后傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均正常。同時(shí)通過對傳感器的響應(yīng)輸出進(jìn)行分析可以得出，單項(xiàng)振動試驗(yàn)中，振動引起的噪聲不會對加速度傳感器的測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此該傳感器可以完成振動監(jiān)測工作。

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Response Output of Vibration Transducer in Strong Noise Environment

SU Xiu-hong, ZHOU Tong, HUANG Hai-ying

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)

ObjectiveTo study characteristics of vibration transducer in strongn acoustic field. MethodsThe noise test of vibration transducer was done according to the standard of GJB 150.17-86. The response output of the transducer in the noise field was analyzed. Indicators of the transducer before and after the noise test were compared. ResultsThe performance of vibration transducer was proved to be normal after the noise test. The response of vibration transducer in strong acoustic field was relatively small. The acoustic field stimulated in single vibration test didn’t influence test results of the vibration transducer.Conclusion The sensor can complete vibration monitoring work.

vibration transducer; noise test; response output

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.009

TJ01; TB123

A

1672-9242(2017)05-0040-04

2016-12-11；

2017-01-14

蘇秀紅（1988—），女，山東臨沂人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閯討B(tài)測試技術(shù)。