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了解和測量隔振系統(tǒng)中的噪聲源

TNC 學(xué)習(xí) 白 pi 書

TMC 是精密隔振系統(tǒng)的制造商，用于支持商業(yè)和學(xué)術(shù)研究環(huán)境中的各種振動敏感設(shè)備。盡管很多人都知道振動噪聲是一個問題，但很少有人了解它是如何測量和量化的。對于隨機(jī)振動源尤其如此。正因?yàn)槿绱?，噪聲?jīng)常被不正確地測量。這可能導(dǎo)致商業(yè)工具的地板振動要求不正確或模棱兩可，現(xiàn)場調(diào)查誤導(dǎo)或不準(zhǔn)確，并 最 zhong 導(dǎo)致關(guān)于系統(tǒng)敏感性和性能的錯誤結(jié)論。本文簡要介紹了噪聲測量中的關(guān)鍵概念，以及如何解釋結(jié)果。

介紹

為了測量振動噪聲（我們將在這里簡單地使用噪聲），通常使用三種工具。這些是振動傳感器（傳感器），通常是地震級加速度計(jì)，存儲示波器（示波器）和具有亞赫茲能力的雙通道頻譜分析儀（分析儀）。示波器可用于在時域中查看來自傳感器的信號，分析儀可以對傳感器的信號執(zhí)行傅里葉分析，以給出相同數(shù)據(jù)的頻域圖像。

聽起來很簡單，但真的嗎？示波器可以告訴您噪聲的峰值水平，但它不能為您提供噪聲的頻率或噪聲的 RMS（均方根）值?！胺逯怠敝凳鞘裁匆馑?？問噪聲的“頻率”是什么是一個明智的問題嗎？RMS 值是什么意思？事實(shí)證明，在大多數(shù)情況下，詢問噪聲的頻率是不合適的，如果不 指 ding 計(jì)算它的頻率范圍，則 RMS 值是沒有意義的。

同樣，分析儀可以計(jì)算幅度譜或幅度譜密度。一個有伏特單位，另一個單位是 V/√Hz（伏特每根赫茲）。你應(yīng)該使用哪個？大多數(shù)分析儀默認(rèn)使用幅度譜，這是用于表征大多數(shù)噪聲源的不正確方法。由于分析儀設(shè)置不正確，大多數(shù)用戶 最 zhong 會獲取無意義的數(shù)據(jù)。

要了解如何使用這些工具，首先要了解您要測量的是什么：噪聲。噪聲可以被表征為隨機(jī)的或相干的。正如下一節(jié)所示，這些可以進(jìn)一步細(xì)分為平穩(wěn)或非平穩(wěn)。這些是根本不同的噪聲源，必 xu 使用不同的方法進(jìn)行分析。由您（進(jìn)行測量或調(diào)查的人）決定您有什么類型的噪音，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量。

噪聲類型 - 隨機(jī)與相干

以下是示波器上不同類型噪聲的幾個示例。選擇這些示例是為了便于識別不同的類型。

曲線 A 和 B 代表大多數(shù)人認(rèn)為是噪音的東西——但它們在現(xiàn)實(shí)世界中也是最 bu 可能 被觀察到的。曲線 C 代表常見的噪聲類型：A 和 B 的組合。在這種情況下，相干噪聲源（周期性噪聲）優(yōu)于隨機(jī)分量（為了便于說明）；然而，隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位也很常見。大多數(shù)情況下，分析儀需要“看到”信號中的相干噪聲分量，因?yàn)樗鼈兺ǔ２粫氖静ㄆ鬈壽E中明顯看出。

A：純周期性（相干）噪聲

B：純隨機(jī)噪聲

C：周期性和隨機(jī)噪聲一起

在現(xiàn)實(shí)世界中，噪聲的幅度幾乎從不恒定，而是隨時間變化。這種噪聲稱為非平穩(wěn)噪聲。曲線 D 顯示了隨機(jī)打開和關(guān)閉的周期性源。曲線 E 顯示了在空氣壓縮機(jī)或 HVAC 系統(tǒng)循環(huán)打開和關(guān)閉的建筑物中可能會看到的情況：存在隨機(jī)噪聲背景，具有來來去去的周期性分量。非平穩(wěn)并不總是意味著“開”和“關(guān)”，而是可能意味著噪音逐漸增加或減弱。曲線 F 顯示非平穩(wěn)隨機(jī)噪聲。您可能會在高速公路附近看到這樣的噪音，或者在風(fēng)暴來來去去時的地震噪音數(shù)據(jù)中看到這樣的噪音。

D：非平穩(wěn)周期噪聲

測量噪音

示波器有助于快速指示哪種類型的噪聲在您的測量中占主導(dǎo)地位，并確定噪聲的峰值電平（分析儀不提供）。然而，它們的用途有限，到目前為止，量化噪聲的 最 zhong 要 工具是頻譜分析儀。不幸的是，這就是事情變得棘手的地方。

E：隨機(jī)和非平穩(wěn)周期噪聲

固定相干噪聲源是 最 rong 易 測量和理解的。在圖 A 的情況下，信號由 純 zheng 弦波和一些高次諧波（2f 0、3f 0、4f 0等）組成。信號的每個分量都有確定的頻率和幅度。頻譜分析儀可以將此信號數(shù)字化，對數(shù)字化數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅立葉變換 (FFT)，并為您提供一個幅度譜，該譜圖繪制了分量幅度（以伏特或微米為單位）與頻率的關(guān)系?？梢詫⑵淅L制出來，或者將每個峰的高度和頻率簡單地制成表格。即使存在隨機(jī)噪聲，這也是測量相干噪聲源強(qiáng)度的正確方法。

F：非平穩(wěn)隨機(jī)噪聲

隨機(jī)噪聲根本不同，需要另一種方法。這是因?yàn)?，對于隨機(jī)噪聲，在給定頻率上不再有 一 ding 的信號電平或幅度。事實(shí)上，在任何單一頻率上都沒有噪音！相反，必 xu 根據(jù)密度來考慮隨機(jī)噪聲。

考慮 一 ding 量的空氣（比如你坐的房間）。房間里顯然有很多空氣分子，但在任何一點(diǎn)上都沒有空氣分子。要定義許多空氣分子，您 必 xu 定義兩件事：空氣的密度和有限體積的空氣。如果你沒有體積，你也沒有空氣。談?wù)搯蝹€點(diǎn)的平均空氣密度是 完 quan 合理的，而且該密度甚至可能因點(diǎn)而異（例如，腳部的空氣比頭部的空氣密度略高）。隨機(jī)噪聲也是如此。

對于隨機(jī)噪聲，等效密度稱為給定頻率處的幅度譜密度（ASD），等效體積稱為頻率帶寬。信號的 RMS 水平類似于空氣分子的數(shù)量，在本文的上下文中是 RMS 地面運(yùn)動。RMS 幅度由下式給出：

其中幅度譜密度 ASD(?) 是頻率的函數(shù)，單位為 µm/√Hz。積分的形式清楚地說明了為什么將 ASD 表示為“每根赫茲”：這取消了 d? 的單位，并以適當(dāng)?shù)膯挝唬ㄎ⒚祝┙o出了 RMS 結(jié)果。分析器在選擇1 /√Hz或“每根根Hz”單元時顯示ASD（?）。

正如空氣分子的數(shù)量僅針對固定體積定義一樣，RMS 運(yùn)動僅針對固定頻率范圍定義，在這種情況下，從 ?1 到 ?2。使用 1/3 倍頻程圖來表示 RMS 運(yùn)動是很常見的。其中，頻譜被分解為 1/3 倍頻程區(qū)間（從 1 到 1.23 Hz、1.23 到 1.59 Hz、1.59 到 2.0 Hz 等等）。該積分在每個頻率范圍內(nèi)執(zhí)行，得到的 RMS 值（現(xiàn)在以 µm 為單位）繪制為條形圖與頻率的關(guān)系。許多分析儀會將其作為內(nèi)置功能來執(zhí)行。要計(jì)算更大頻率跨度上的 RMS 運(yùn)動，只需取該范圍內(nèi)所有 bin 的正交和。

在頻譜分析儀中，垂直刻度 必 xu 選擇 [伏特或單位]/√Hz 的幅度頻譜密度單位。否則，您將無法正確測量隨機(jī)噪聲。同樣，如果將分析儀設(shè)置為測量頻譜密度，它將無法測量相干噪聲源的正確幅度（ASD 或 1/3 倍頻程格式）。必 xu 告知分析儀是測量幅度還是密度。

分析儀的作用

為了進(jìn)一步說明隨機(jī)和相干噪聲源的行為有何不同，請考慮下圖：

一個以 ? 0為中心、寬度為 δ? 的簡單帶通濾波器連接到揚(yáng)聲器。濾波器的帶通（峰值）增益為 1。在場景 A 中，頻率為 ? 0的正弦波應(yīng)用于輸入。揚(yáng)聲器的輸出是輸入的全幅值，與濾波器 δ? 的寬度無關(guān)。這是因?yàn)闉V波器只 消 chu 了遠(yuǎn)離 ? 0的輸入分量（并且沒有）。相比之下，場景 B 表明對隨機(jī)噪聲的影響是顯著的。濾波器 去 chu 頻率高于 ? 0 + 1/2 δ? 和低于 ? 0 – 1/2 δ? 的能量，留下一個在 ? 0處聽起來越來越接近純音的信號隨著濾波器 δ? 的寬度變窄。更重要的是，隨著濾波器變窄并阻擋更多能量，輸出幅度與√δ?成正比下降。

頻譜分析儀基本上與所示的一系列帶通濾波器相同，除了揚(yáng)聲器，它測量濾波器輸出的幅度，并以圖形形式顯示這些數(shù)值結(jié)果?？梢钥闯觯瑸V波器的寬度 δ? 以 Hz 為單位約為 1/T，其中 T 是分析儀測量的持續(xù)時間，以秒為單位。FFT 分析儀將“濾波器”δ? 隔開，從而 完 quan 覆蓋頻譜。例如，10 秒的測量將給出 0.1 Hz 的頻率分辨率（濾波器寬度），從而產(chǎn)生 100 個介于 1 和 10 Hz 之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)（例如）。

上圖說明了測量幅度譜的分析儀設(shè)置會看到什么：每個濾波器忠實(shí)地通過濾波器中心頻率處的任何相干噪聲的幅度。輸出幅度由分析儀測量和繪制。測量時間 T 會改變?yōu)V波器寬度 δ?，但這不會影響結(jié)果（如場景 A 中）。

從這個討論中可以立即看出，上圖中的濾波器對隨機(jī)噪聲產(chǎn)生了無意義的結(jié)果：噪聲頻譜的幅度會隨著測量時間 T 的變化而變化！測量時間越長，您看到的噪音就越少。顯然，隨機(jī)噪聲的水平與您選擇查看它的時間長短無關(guān)。為了糾正這種影響，當(dāng)分析儀設(shè)置為測量幅度譜密度時，它將濾波器輸出乘以 √T。由于 T 的單位為 1/Hz，因此結(jié)果圖的單位為每根赫茲的伏特（或微米）。當(dāng)您更改測量時間 T 時，該因子會校正濾波器帶寬，并呈現(xiàn)一致的光譜密度水平。

結(jié)論

顯然，√T 的因子可能很重要，但更重要的是，振幅和振幅密度彼此之間存在根本差異，就像許多空氣分子與氣體密度之間的差異一樣。它們根本沒有可比性。全面的現(xiàn)場調(diào)查應(yīng)包括以下步驟：

1、將分析儀配置為對幅度譜進(jìn)行 1-100 赫茲的測量。找出頻譜中所有尖銳的“尖峰”，并將它們的頻率和高度制成表格。這些將對應(yīng)于單頻噪聲源（建筑風(fēng)扇、壓縮機(jī)、變壓器嗡嗡聲等）。盡可能將峰值與特定噪聲源相關(guān)聯(lián)（通過關(guān)閉可能的源，并查看哪些尖峰發(fā)生變化或消失）。

2、將垂直單位更改為 [units]/√Hz。許多分析儀將幅度譜轉(zhuǎn)換為 ASD 譜而不重新收集數(shù)據(jù)。繪制結(jié)果。請注意，步驟 1 中尖峰的高度已經(jīng)改變了它們的值。用您在 1 中測量的（伏特或微米）值標(biāo)記 ASD 圖上的尖峰很方便。尖峰周圍的“背景”本底噪聲準(zhǔn)確地反映了隨機(jī)噪聲源（人行走、地震和風(fēng)噪聲）的噪聲密度）?，F(xiàn)在您有了一個（帶注釋的）圖，它準(zhǔn)確地代表了您環(huán)境中的噪聲。

3、如果您的分析儀將從 ASD 計(jì)算 1/3 倍頻程圖，這是一個不錯的附加圖。請注意，尖峰頻率處的 1/3 倍頻程“箱”可能看起來像“尖峰箱”。如果您確信這些頻率處的噪聲主要由相干噪聲源控制，則應(yīng)注意在步驟 1 中對這些分檔測量的值。否則，這些分檔的 RMS 值將不正確，誤差為 √T。/

4、記下任何可能不穩(wěn)定的噪聲源。這些來源中的大多數(shù)將是連貫的噪聲源：壓縮機(jī)、風(fēng)扇、HVAC 系統(tǒng)。由于“最 huai 情況”條件通常 最 shou 關(guān)注，因此應(yīng)注意在所有噪聲源都存在時進(jìn)行噪聲測量。隨機(jī)噪聲會隨著天氣（字面意思）、當(dāng)?shù)氐缆方煌ǖ榷兓?。它通常會在較長的時間段（幾小時到幾天）內(nèi)變化，因此應(yīng)考慮可能影響 ASD 測量的條件。

進(jìn)行測量的人員有責(zé)任確定存在哪些類型的噪聲源，并收集適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。即使遵循上述簡單步驟也可能因非固定來源而變得復(fù)雜。有了適當(dāng)?shù)恼J(rèn)識，并仔細(xì)記錄可能的噪聲源，您的環(huán)境中存在哪些振動噪聲問題就會少得多。

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