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 船舶與動力學院，武漢 430033)

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

振動信號與聲信號的采集和處理是一個重要的應用研究領域［6］。由于PXI 平臺和基于該平臺上的數據采集板卡價格較工控機平臺的PCI 板卡昂貴，在所構建的數據采集分析系統通道數并不多的情形下，搭建一種價格更為低廉、使用更為方便的測量系統顯得尤為重要。本研究基于工控機平臺，利用基于PCI 總線的動態信號采集板卡PCI-4472，采用NI(national instruments)基于LabVIEW 平臺開發的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信號采集分析系統。對該系統進行了詳細介紹。實踐表明該系統易于理解和掌握，使工作人員能將主要精力投入到所需要研究的領域，而不需要再學習信號處理方面的專業知識和程序開發。采用經動態力校準的力傳感器，以加筋柱殼為研究對象，對其受激振動進行了實驗研究。基于力值的精確測量，采用穩態正弦激勵和隨機白噪聲激勵2種方式得到其加速度頻率響應函數。結果表明兩者符合良好，而采用本文搭建的測試系統性價比更高，易于理解和掌握使用。

1 頻響函數測量實驗原理

振動采集分析系統的原理框圖如圖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。柱殼結構懸掛，激振器置于地面上固定，在激振器與被測結構之間安裝有力傳感器，結構外殼體安裝有加速度傳感器。在進行穩態正弦激勵測量頻響函數試驗時，由信號發生器產生指定頻率的正弦信號，經由功率放大器驅動激振器在該頻率下振動，從而激起結構振動。通過安裝在結構表面的加速度傳感器測量指定位置振動響應。為了提高對信號分析的精度，在穩態正弦激振實驗過程中，設定數據采集板卡的采樣率為結構受迫振動頻率的整數倍，以減少由于譜泄漏所帶來的誤差［7］。在使用隨機白噪聲激勵求取頻率響應函數實驗過程中，由于所用的信號發生器并不能產生指定帶寬內的隨機白噪聲，因而使用PC 模擬產生隨機白噪聲，再通過儀器控制技術控制信號發生器，使信號發生器直接數字合成該指定帶寬的白噪聲信號，進而控制功率放大器驅動激振機工作。

圖3 柱殼模型激振機布置、傳感器安裝實物

2 測量系統組成與同步測試

測量系統主要由激振機和功率放大器組成的激振系統、力傳感器和電荷放大器組成的力值精確測量系統、加速度傳感器、數據采集板卡、信號發生器和聲與振動信號采集軟件所組成。主要的參試設備如表1 所示，其中關鍵儀器的主要性能指標為: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 生產的9331B 型單向力傳感器，該型力傳感器在實驗室中經正弦力校準系統進行了動態力的標定［8］，其動態力值可直接溯源到質量﹑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［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確性。②動態信號采集板卡PCI -4472，8 通道輸入，102.4 kS/s，24 位分辨率，110 dB 動態范圍，IEPE 調理(可直接連接ICP 型加速度計，無需額外調理)，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平臺上通過RTSI(real-time system integration)總線實現多塊數據采集板卡的同步。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 主要參試設備

采用該聲振測試軟件的好處在于可以較為方便地進行各類非電量測量相關參數的設置，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、應力、聲壓等常見信號類型，無需自己編程實現，從而簡化測試過程。選用的PCI-4472 板卡能夠提供恒流源激勵，無需進行額外的信號調理，可以直連ICP 型的加速度傳感器，能夠較快地搭建測試系統。圖5 為采集加速度類型信號時系統典型配置，通過配置該向導可以快速實現對傳感器的正確配置。

3 測試結果

在穩態正弦激振測試過程中，通過調整信號發生器旋鈕改變激振機的激振頻率，同時記錄力傳感器測量實際產生的激振力和加速度傳感器感知的加速度。在隨機激勵實驗中通過PC 控制信號發生器產生指定帶寬范圍內(20 ～520 Hz)的隨機白噪聲，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(20 ～520 Hz)基本為平直譜。圖7 ～9 為采用穩態正弦和隨機白噪聲作為激勵信號時所測得的典型通道頻響函數，結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)，所測量得到的結果完全一致。而Dev4_ai5 通道的測量結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的信噪比較低，易被干擾(圖10)。

4 結束語

利用基于LabVIEW 平臺開發的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。對該測試系統作了詳細介紹。實踐證明該系統易于掌握使用。采用該測試系統，以加筋柱殼結構為研究對象，使用穩態正弦和隨機白噪聲信號作為激勵源，采用經動態力校準的力傳感器精確測量輸入激振力，求取2 種方式下結構上布點的加速度頻響函數。結果表明，2 種激勵方式下所得測試結果符合良好，并且采用隨機白噪聲激勵可明顯縮短測試時間。

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［10］National Instruments Corporation. Getting Started with the NI Sound and Vibration Assistant［EB/OL］.［2011-12 -21］.http://www.ni.com/.