張從鵬，皮世威

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

噪聲是設(shè)備運(yùn)行中的重要參數(shù)之一，其中包涵了有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的豐富信息。目前，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征的測(cè)量主要是采用加速度等接觸式傳感器，來面向相應(yīng)的物理學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，例如切削力大小，位移等。這些測(cè)量方法對(duì)于傳感器的安裝和實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求具有一定的局限性。本文搭建的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)聲音采集分析系統(tǒng)，采用無接觸式傳感器進(jìn)行噪聲測(cè)量，通過時(shí)、頻域分析方法，可以精確獲得設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，用以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成由高靈敏度傳聲器、信號(hào)放大器、信號(hào)調(diào)理儀、A/D采集卡以及計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。系統(tǒng)采用CHZ223型駐極體傳聲器，其理論靈敏度為-29.0dB re 1 V/Pa。前置放大器采用4mA恒流源供電，BNC接口輸出，適合于遠(yuǎn)距離信號(hào)傳送。信號(hào)調(diào)理儀采用5倍固定增益以調(diào)節(jié)電壓信號(hào)?？紤]到測(cè)試系統(tǒng)的靈活性，選取USB-2523型采集卡，最大采樣頻率可達(dá)1MHz，采樣分辨率為16 bits，能夠滿足絕大多數(shù)的設(shè)備噪聲采集要求。通過搭建聲音采集分析系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高精度測(cè)量。

2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

2.1 軟件功能模塊

聲音采集分析系統(tǒng)的軟件部分是基于聲音對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心。本文所介紹的采集分析系統(tǒng)支持多通道聲音信號(hào)采集、不同型號(hào)傳感器標(biāo)定。系統(tǒng)包涵豐富的數(shù)字信號(hào)分析處理算法，如時(shí)域加窗、FFT算法、數(shù)字濾波函數(shù)等，以滿足采用多種算法結(jié)合的分析方法的要求。通過系統(tǒng)軟件模塊對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行分析處理，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生噪聲中的特征變量的辨識(shí)，達(dá)到對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。另外，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有一定柔性，以滿足不同的測(cè)試條件和設(shè)備要求。測(cè)試系統(tǒng)的軟件功能模塊框圖如圖2所示。

本文所介紹的系統(tǒng)是基于visual studio2008開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的。噪聲采集界面如圖3所示，分析界面如圖4所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

圖2 軟件功能模塊圖

圖3 系統(tǒng)采集模塊界面

圖4 系統(tǒng)時(shí)頻域分析和數(shù)字濾波模塊界面

2.2 傳聲器的標(biāo)定

傳聲器采集到信號(hào)是在聲場(chǎng)中某一點(diǎn)距離聲源的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)。圖4中振動(dòng)圖（通道1）所示的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成電壓值后的噪聲振動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)采集過程中，傳感器的靈敏度起到了關(guān)鍵的作用，靈敏度的計(jì)算如式1所示。

式中：S—傳聲器的聲壓靈敏度，mV/Pa。

U—傳聲器輸出端電壓，V。

p’—校準(zhǔn)器中的聲壓，Pa。

校準(zhǔn)器的聲音信號(hào)輸出一般用聲壓級(jí)表示，利用公式2將聲壓級(jí)換算回聲壓：

式中：p0——基準(zhǔn)聲壓值，取20μPa。

Lp——校準(zhǔn)器中的聲壓級(jí)，dB。

實(shí)際測(cè)試中，由于p的大小趨近與1 Pa，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁晧盒盘?hào)的方法一般是將電壓有效值除以系統(tǒng)靈敏度，系統(tǒng)靈敏度包括了傳聲器的靈敏度、放大倍數(shù)、以及各種濾波衰減。不同實(shí)驗(yàn)條件下的系統(tǒng)靈敏度各自不同，實(shí)際測(cè)量中系統(tǒng)靈敏度可以通過校準(zhǔn)器來校準(zhǔn)。本文中采用的校準(zhǔn)器發(fā)出的1000Hz，94db的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，通過測(cè)試系統(tǒng)采集校準(zhǔn)器發(fā)出的信號(hào)，得到的電壓有效值即為系統(tǒng)的靈敏度，單位為mV/Pa。通過測(cè)量計(jì)算得到本文所介紹的噪聲測(cè)試的實(shí)際系統(tǒng)靈敏度為165.4mV/Pa。

轉(zhuǎn)化為的聲壓信號(hào)為瞬時(shí)聲壓，瞬時(shí)聲壓由于變化太快，不方便使用，一般采用有效聲壓進(jìn)行計(jì)算。在一定時(shí)間間隔內(nèi)，瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間取均方根值則為有效聲壓，如式3所示：

式中：p——瞬時(shí)聲壓值，也就是振動(dòng)幅值，Pa。

T——平均的時(shí)間間隔，可以是一個(gè)周期或者比周期大得多的時(shí)間間隔，s。

得到有效聲壓之后，計(jì)算出有效聲壓的聲壓級(jí)，如式4所示:

式中：Lp’為噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)

換算聲壓級(jí)后的信號(hào)圖如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)采集分析模塊的性能。測(cè)試實(shí)驗(yàn)基于HK5032型銑床，對(duì)簡(jiǎn)單的金屬銑削過程進(jìn)行噪聲測(cè)試，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)采用單通道信號(hào)采集，為了使測(cè)量數(shù)據(jù)最大程度的接近實(shí)際情況，將傳聲器架設(shè)在距離銑削加工面0.2m的位置，并對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和改善，以盡量減少背景噪音的干擾。

為了保證采集信號(hào)的高保真性，采用44100Hz的采樣頻率對(duì)典型工況進(jìn)行信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)選取從主軸靜止時(shí)刻為零點(diǎn)，到加工結(jié)束停止為終點(diǎn)，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)、頻域上的初步地分析。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)的振動(dòng)、聲壓級(jí)、和頻譜圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 噪聲信號(hào)在44100Hz采樣頻率下的時(shí)域圖

圖7 聲壓級(jí)在44100Hz采樣頻率下的時(shí)域圖

圖8 FFT之后0～20kHz段的頻譜圖

設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)的變化與振動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率有關(guān)。瞬時(shí)聲壓越大，有效聲壓級(jí)越大；頻率越高，有效聲壓級(jí)也越大。頻域上主要能量集中在3800Hz左右。本測(cè)試系統(tǒng)通過銑削噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，很好地完成了銑削噪聲的數(shù)據(jù)采集，在線監(jiān)測(cè)和時(shí)頻分析。在滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求的條件下，能夠精確地測(cè)量到銑削過程中噪聲信號(hào)的時(shí)頻域上的特征。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試效率理想。

4 結(jié)論

通過搭建噪聲測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備噪聲在時(shí)、頻域上的基本分析功能，具有可觀的擴(kuò)展功能以及柔性。經(jīng)分析得到噪聲信號(hào)的不同特征，可用以對(duì)不同工況的識(shí)別和監(jiān)測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于噪聲信號(hào)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)可行的方法，該方法可替代人耳對(duì)設(shè)備加工狀態(tài)聽測(cè)的傳統(tǒng)方法。

[1] 馬瑞,王增才,王保平.基于聲波信號(hào)小波包變換的煤矸界面識(shí)別研究[J].煤礦機(jī)械2010(5):44-46.

[2] Congpeng Zhang. Development of flexible threedimensional machining force measurement and analysis system. 2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE),Page(s):7299-7302.

[3] 李崢,劉強(qiáng).基于切削噪聲測(cè)試的數(shù)控加工顫振識(shí)別系統(tǒng)[J]. 機(jī)床實(shí)驗(yàn)研究技術(shù).2009(2):16-18.

[4] 薛寶.C＃2008編程參考手冊(cè)[M].清華大學(xué)出版社,2009.

[5] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].清華大學(xué)出版社,2010.