雜音與高階次諧波分析教程

1. 噪聲和雜音概述

各種消費(fèi)產(chǎn)品有可能會(huì)產(chǎn)生不良的機(jī)械噪聲，這種噪聲對(duì)消費(fèi)者是不能接受的或令消費(fèi)者不滿的，這些產(chǎn)品包括：

• 汽車配件
• 壓縮機(jī)（電冰箱，冰柜）
• 計(jì)算機(jī)（風(fēng)扇啟動(dòng)）
• 電驅(qū)動(dòng)器
• 助聽(tīng)器/耳機(jī)
• 揚(yáng)聲器
• 電話和移動(dòng)電話中的傳感器
• 電視機(jī)

噪聲或雜音是一種非線性的、不規(guī)則的、脈沖式的和失真效應(yīng)的部分類型，他們通常不能用規(guī)則待測(cè)物（UUTs）來(lái)發(fā)現(xiàn)，而他們一般又是由待測(cè)物中機(jī)械和結(jié)構(gòu)的缺陷產(chǎn)生的。由于具有非常低能量的短脈沖，傳統(tǒng)測(cè)試和分析方法諸如RMS-FFT和總諧波失真（THD）方法都是沒(méi)有用的。下面的圖片顯示了信號(hào)中的典型效應(yīng)。

1)信號(hào)中的毛刺

2)陡度

3)絕對(duì)（陡度）

2. 案例研究——揚(yáng)聲器缺陷檢測(cè)

揚(yáng)聲器缺陷檢測(cè)的高階次諧波特征分析

揚(yáng)聲器裝配故障，如摩擦音圈、彎曲的支架、松弛的軸等等，傳統(tǒng)上都是由生產(chǎn)線終端有豐富經(jīng)驗(yàn)的收聽(tīng)者來(lái)檢測(cè)這些故障的。以測(cè)量總諧波失真（THD）為主要目的，我們?cè)噲D開(kāi)發(fā)在線測(cè)試生產(chǎn)測(cè)量系統(tǒng)，他們通常只能用來(lái)分析低階次的諧波，因而不能專門用來(lái)檢測(cè)缺陷的摩擦聲，嗡嗡聲和滴答聲等雜音。但是故障診斷時(shí)能否確定特定的缺陷特征嗎？經(jīng)過(guò)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們可以做到這一點(diǎn)，在超聲范圍內(nèi)（> 20千赫茲）測(cè)量是確定這些特征的主要因素。本案例研究描述了一種新的方法，在高階次諧波組的總能量中，例如從第10階次到第20階次或從第31階次到第40階次，對(duì)其分別進(jìn)行測(cè)量和分析。

揚(yáng)聲器的雜音信號(hào)特征

為何要關(guān)注高階次諧波？

總諧波失真主要是由第二階次和第三階次諧波占主導(dǎo)作用，幾乎很少與我們可以聽(tīng)出來(lái)的音頻失真相關(guān)。例如，考慮下面這個(gè)揚(yáng)聲器的雜音。該揚(yáng)聲器的雜音是典型的導(dǎo)致豐富諧波頻譜的脈沖串。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1. 當(dāng)使用正弦波激勵(lì)時(shí)，我們可以獲得已知缺陷的揚(yáng)聲器抽樣值，該缺陷會(huì)產(chǎn)生可以聽(tīng)出來(lái)的音頻失真。
2. 目視檢查揚(yáng)聲器，以確定故障的根源。
3. 在音頻范圍(20 赫茲 到 1 千赫茲)內(nèi)，手動(dòng)掃描揚(yáng)聲器，以確定造成聲頻失真的激發(fā)頻率。
4. 使用掃描正弦激勵(lì)，分析高達(dá)100千赫茲的諧波能量。

測(cè)量安裝

• 使用橡皮高空繩索將每個(gè)揚(yáng)聲器懸掛，用來(lái)隔離振動(dòng)。
• 測(cè)量麥克風(fēng)被放置在附近區(qū)域，如下圖所示。

結(jié)果

缺陷的視覺(jué)檢測(cè)

分析

• 揚(yáng)聲器#9被用作控制

• 針對(duì)相似的缺陷，對(duì)其他揚(yáng)聲器進(jìn)行了比較。
• 找出具有相同諧波分組的趨勢(shì)。

揚(yáng)聲器缺陷相關(guān)

包圍物

• 第1階次到第10階次諧波：揚(yáng)聲器6, 7 和10
• 基本頻率范圍：600到1300赫茲

防塵蓋

• 第11階次到第20階次諧波：揚(yáng)聲器3 和5
• 基本頻率范圍：100到400赫茲

防塵蓋

• 第31階次到第100階次諧波：揚(yáng)聲器1
• 基本頻率范圍：100到150赫茲

軸

• 第31階次到第100階次諧波：揚(yáng)聲器3
• 基本頻率范圍：400到550赫茲

錐體

• 第61階次到第70階次諧波：揚(yáng)聲器2,3,4,5,7,8, 和10

結(jié)論

相比傳統(tǒng)分析，使用雜音分析提供了更好的分析方法。這種分析不僅具有重復(fù)性，而且也適用于不同的揚(yáng)聲器模型。同樣至關(guān)重要的是該分析可以將數(shù)據(jù)采集在超聲范圍內(nèi)，使該范圍內(nèi)的諧波對(duì)缺陷提供深入的了解，否則我們很難檢測(cè)包括軸在內(nèi)的缺陷。此外，高階次諧波不僅明確顯示了揚(yáng)聲器中的單一缺陷，而且他們還有助于對(duì)具有多個(gè)缺陷的揚(yáng)聲器進(jìn)行缺陷特征化分析。