从噪音中收集有用的信息

作者：Christof Salcher国际产品经理HBM, Inc. www.hbm.com

了解被调查机器或系统组件的噪声来源和原因在开发、实验、生产取样、服务和维护中变得越来越重要。毕竟，声学的“额外数量”往往对整个产品生命周期中的舒适度、职业健康与安全以及品牌形象至关重要。

过去，工程师在测量声学时需要使用额外的工具——迫使他们与不同的设备、用户界面、理念和数据格式作斗争。然而，今天的测量工具，例如 HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 数据采集解决方案，可以提供详细的声学测量分析功能以及用于采集机械、热、电气和数字总线信号以及 GPS 和视频信号的全套功能. 特别是对于声学测量，工程师可以利用诸如以 dB(A) 为单位的声级分析等功能，并根据二维频谱图中的响度和频率分析进行心理声学评估。

多用途测量工具不仅可以更有效地测量事件，还可以简化和加快与趋势分析研究中早期测量结果的比较。这些工具提供了服务和维护任务所需的紧凑、便携的解决方案。

噪声工程

在汽车市场中，术语噪声、振动和声振粗糙度 (NVH) 通常用于描述车辆或机器中的可听噪声或可感知振动。粗糙度是 20 到 100 Hz 之间的主观过渡区域，既可听又可感知。振动产生于由振动源引入振动传递结构的力，例如自致粘滑效应。NVH 的典型示例是粘滑的挡风玻璃刮水器、变速箱啸叫、紧握离合器或嘈杂的空调系统。

NVH 产生于理想摩擦的副作用或固体之间摩擦的不希望结果，这导致结构传播噪声的排放和最终可听见的空气传播噪声。在四面不受限制的固体中，有两种不同的结构声波传播：所谓的纵波和横波。这些波彼此独立地传播。在这两种情况下，声速与空气传播的噪声一样，不依赖于频率。声速受密度、刚度模量(横波)和弹性模量(纵波)的影响。

结构噪声的记录和分析在工程中起着重要作用。在机械系统的开发过程中，噪声分析可以帮助测试整体功能、启动、性能、耐用性，甚至寿命。在生产中，噪声分析可以通过确保在将零件集成到汽车内饰、转向组件等过程中满足声学约束来增强质量检查过程。在整个产品生命周期中，噪声测量提供了在例行检查、故障调查、故障排除以及校准或调整期间持续分析长期结构健康和诊断数据所需的关键信息。

噪音的本质

使用 NVH 时，需要避免可能降低舒适度的振动。在声学科学中，声学不适的性质与声源的各种特性有关，包括声压级 (SPL)。例如，运转中的喷气发动机、音乐会或重型卡车的声音可能会因为音量太大而让人不舒服。表 1 提供了各种常见事件的 SPL。

表 1：各种噪声源的声压级 (dB(A))

噪声源	声压级 [dB(A)]
距离 25 m 的喷气式飞机	140
现场摇滚音乐会	120
重型卡车	100
嘈杂的办公室	80
对话	60
客厅	40
耳语	20
听力阈值	0

然而，除了大容量源之外，噪声源的特性与对该噪声的感知之间的关系可能很复杂。人类的听觉感知不同频率的声音或多或少响亮。声压级或噪声级是一个心理声学量。在测量过程中，噪声信号被过滤，以便它们模仿人类听觉的特性，从大约 2 kHz 到 4 kHz 的峰值灵敏度范围内下降。这些滤波器的加权曲线是标准化的。

我们说的是声压级的所谓 A 加权，记为 dB(A)。零 dB(A) 对应于听力阈值(听觉阈值)。A 计权滤波器曲线定义为 20 Hz 至 20 kHz(图 1)。噪音疼痛的阈值约为 130 分贝(A)。通过使用高级声学测量设备的“计算通道”，将声压转换为声压级(SPL)非常容易。

图 1：A 加权滤波器曲线将人耳感知的相对响度作为音频频率的函数考虑在内。

噪声测量 一般声学测量通常从使用高质量麦克风开始。以 Microtech Gefell M370 测量麦克风为例;这种内置转换器类型的麦克风包括一个具有圆形特性的驻极体压力接收器。来自放大器的恒定电流为麦克风供电，测得的声压被调制为电压信号 (IEPE)。1 类露天使用的可测量频率范围在 20 Hz 和 20 kV 之间(图 2)。最大声压级为 130 dB(A)。

图 2：MICROTECH GEFELL M370 麦克风的校准证书显示其响应在感兴趣的频率范围内的线性度。

对于实际的信号采集和处理，HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 软件等工具提供了完整的声学信号处理平台。QuantumX 是一种模块化数据采集解决方案，能够以 0.1 到 100 kS/秒的速度同时从多个传感器和传感器收集数据，测量力、应变、扭矩、压力、温度、位移、速度、位置、加速度、流量、电压、电流、噪声，以及许多其他特征。除了数据采集功能外，catmanAP 软件还提供了一个用于在线和后处理计算的集成数学库。数学函数从简单的代数计算、过滤器、统计和分类(如雨流或水平时间)扩展到频谱分析、电功率计算、

噪声分析要求

为了揭示噪声的根本原因，工程师依靠几个基本的分析功能来为他们提供包括噪声在内的被测系统的清晰图景。在这些功能中，一些最常见的功能包括：• 随时间、频率、角度或其他量(如位移或转速)的表示(转速计)• 在彩色频谱图中表示为功率谱密度 (PSD) • 总体以 dB(A) 为单位的声级特性 • 以 dB(A) 为单位的带限级特性

在频域中分析信号并不能显示信号的频率内容如何随时间演变。对于此任务，catman 中的频谱图等功能提供了所需的结果。频谱图通过计算信号中包含的频率以及随时间变化的相关颜色编码幅度，直接显示联合时频分析 (JTFA)。为了计算 JTFA，catman 软件使用所谓的短时傅里叶变换 (STFT)，随着时间的推移对信号的短片段重复应用快速傅里叶变换 (FFT)。本质上，频谱图的 JTFA 比标准 FFT 显示更多细节：频率内容(y 轴)随时间演变(x 轴)，以所谓的 2-D 1/2 可视化显示，其中幅度或能量映射到颜色代码(图 3)。

图 3：麦克风的频谱图显示了联合时频分析 (JTFA)，该分析是通过计算信号中包含的频率以及随时间变化的相关颜色编码幅度而得出的。

JTFA 依赖于用于计算频谱的测量值数量等参数。这些测量的经验法则是 FFT 中包含的测量值越多，频率范围内的分辨率就越准确。另一个参数是窗口函数，它决定了当在计算中使用从对段(窗口)内的信号进行采样得到的采样值时应用的加权。如果将多个通道分配给图形，则通道的光谱也可以显示为矢量和。

审核编辑：汤梓红