19. Аппаратура для измерения вибраций и шумов.

Аппаратура, предназначенная для измерения характеристик вибраций (ударов) и акустических шумов, строится по классической схеме электрического измерителя неэлектрических величин, рассмотренной в первой части, и включает в свой состав первичные преобразователи, устройства преобразования сигналов, а также регистрирующую аппаратуру и индикаторы.

В качестве первичных преобразователей звуковых колебаний применяются различные виды микрофонов, а для измерения параметров вибраций чаще всего применяют датчики ускорений – акселерометры (подробнее о первичных преобразователях будет рассказано в следующих параграфах).

В качестве устройств преобразования сигналов выступают различные усилители и фильтры, с помощью последних происходит частотный анализ вибраций и шумов, а также имитация восприятия шумов человеческим ухом (характеристики А,ВиС). Классификация устройств в зависимости от типов преобразуемых сигналов (переменные, постоянные и т. п.) и вида преобразования представлена на рисунке 4.5.

Как уже отмечалось, применение предварительных (нормирующих) усилителей вызвано низким уровнем выходных сигналов первичных преобразователей и необходимостью приведения этих сигналов к стандартному уровню. Линия связи между микрофоном и предварительным усилителем должна иметь минимальную длину, поэтому усилитель и микрофон часто объединяют в едином корпусе или выполняют предварительный усилитель в виде насадки на микрофон.

Особые требования предъявляются к предварительным усилителям, рассчитанным на работу с пьезоэлектрическими датчиками. Это связано с тем, что пьезоэлектрический датчик можно рассматривать и как источник напряжения, и как источник заряда, причем электрический заряд датчика легко рассасывается даже через хорошую изоляцию. В таблице 4.1 приведены техничекские характеристики некоторых предварительных усилителей датской фирмы «Брюль и Къер», продукция которой широко используется при виброакустических измерениях [1,5,6,8].

И

Рис. 4. 5. Классификация устройств усиления и преобразования сигналов.

змерительные усилители могут быть рассчитаны на использование в цепях постоянного тока, переменного тока высокой или низкой частоты или быть универсальными. Данный тип усилителей должен обеспечивать высокий коэффициент усиления в сочетании с возможностью его регулировки и малым уровнем помех и искажений. Решается эта задача путем построения измерительного усилителя в виде последовательности усилительных каскадов с постоянными коэффициентами усиления, первый из которых выполняется особо качественным (малошумящим). Изменение общего коэффициента усиления оказывается проще всего обеспечить введением в схему регулируемого аттенюатора¹¹, который подключается, как правило, после первого усилительного каскада. Характеристики некоторых измерительных усилителей фирмы «Брюль и Къер» приводятся в таблице 4.2.

Таблица 4.1

Наименование	Модель	Макс. Входной сигн. (В)	Диапазон частот	Коэфф. усиления, дБ (чувствительность)	Габа-риты, мм	Масса, кг
Предусилитель к конденсаторным микрофонам	2615	-	10 Гц – 100 кГц	< 0,8*	12,7; l = 83	-
	2618	-	2 Гц – 200 кГц	< 0,2*	6,32; l = 83	-
	2619	-	1 Гц – 200 кГц	< 0,03*	12,7; l = 83	-
	2627	-	0,3 Гц – 200 к Гц	< 0,08*	23,8; l = 99	-
Микрофонный усилитель	2642	100	20 Гц – 20 кГц	< 2,5*	12,7; l = 55	-
Усилитель напряжения	2616	1 и 100	0,13 Гц – 500 кГц	-20…+1,5	52; l = 66	0,29
	2623	-	0,16 Гц – 500 кГц	-	14; l = 45	0,206
	2625	±700	1 Гц – 30 кГц	0…40 перекл.; 0…20 регулир.	132,6 x x 69,5 x x 200	0,82
Усилители заряда	2651	105 пКл	0,003 Гц – 200 кГц	-20…+20	132,6 x x 69,5 x x 200	0,6
	2634	104 пКл	1 Гц – 200 кГц	(10мВ/пКл)	21 x x 34,5 x x 100	0,112
Нормализующий усилитель заряда и напряжения	2650	-	0,3 Гц – 200 кГц	(100мВ/пКл по заряду)	132,6 x x139,5x x 200	1,5
* - коэффициент ослабления

Таблица 4.2

Параметр	2606	2607	2608	2609
Диапазон:
частот	2 Гц – 200 кГц			20 Гц – 20 кГц
динамический среднеквадратических значений	10 мкВ – 300 В			100 мкВ – 30 В
Сопротивление:
входное, МОм	1			2
выходное, Ом	50			-
Входная емкость, пФ	50			65
Наибольший коэффициент усиления, дБ	114	120		90
Выходной сигнал, В	5	10		3,16
Уровень шума, мкВ	10			< 20
Внутренние фильтры	ФВЧ fср = 22,4 Гц			Один фильтр с характеристикой А
	ФНЧ fср = 315 кГц
Габаритные размеры, мм	132 х 380 х 200			133 х 140 х 200
Масса, кг	7	7,6	6	3

Для выделения из общей массы шумов и вибраций составляющих с определенной частотой в состав измерительной аппаратуры включают один или несколько фильтров. Фильтры нижних частот подавляют высокочастотные составляющие спектра вибрации или шума, фильтры верхних частот, наоборот, подавляют низкочастотные сигналы. Кроме этого для частотного анализа вибраций и шумов широко применяются наборы полосовых фильтров. Характеристика полосового фильтра показана на рисунке 4.6.

В

Рис. 4. 6. Передаточная характеристика полосового фильтра.

системах измерения шума и вибраций принято использовать так называемыеоктавныеитретьоктавныефильтры. Полоса пропусканияВтаких фильтров определяется из условия:

, 4.3, гдеf₁иf₂– нижняя и верхняя границы полосы пропускания,а= 1 для октавных фильтров иа= 1/3 для третьоктавных.

Центральная частота для полосовых фильтров определяется соотношением:

. 4.4

Установленные международными стандартами значения центральных частот для октавных и третьоктавных фильтров приведены в таблице 4.3, а в таблице 4.4 представлены характеристики фильтров, серийно выпускаемых фирмой «Брюль и Къер».

Таблица 4.3

Центральные частоты f0 октавных фильтров, Гц	16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000
Центральные частоты f0 третьоктавных фильтров, Гц	16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000

Таблица 4.4

Модель	Тип	Состав	Центральные Частоты	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
1613	Набор октавных	11 октавных фильтров	31,5 Гц; 31,5 кГц	155 х 120 х х 94	2,5
1614 (1615)	Набор октавных и третьоктавных	16 октавных и 50 третьоктавных фильтров	Октавные: 4 Гц – 125 кГц; третьоктавные: 2 Гц – 160 кГц	280 х 380 х х 200	13,5
1616	Набор третьоктавных	34 третьоктавных фильтра	20 Гц – 40 кГц	155 х 120 х х 94	1,9
1621	Перестраиваемый полосовой	Один полосовой фильтр	-	133 х 140 х х 200	2,2

Помимо рассмотренных элементов в схему измерителя вибраций и шумов могут включаться дополнительные цепи преобразования сигналов. Примером могут служить блоки экспоненциального усреднения с характеристиками «Импульс», «Быстро» и «Медленно», применяемые в шумомерах.

Таблица 4.5

Характеристика	Постоянная времени нарастания, мс	Время падения выходного сигнала на 10 дБ, сек
«Быстро»	125	0,5
«Медленно»	1000	3
«Импульс»	35	4-5

При включении характеристики «Медленно» происходит сглаживание показаний шумомера, что делает его пригодным для измерения стационарного шума машин. Характеристика «Быстро» применяется при измерении нестационарных шумов, а характеристика «Импульс» - при измерении коротких звуков (шум молота, штампа и т.п.).

Если при измерениях нет необходимости регистрировать мгновенные значении сигнала датчики вибрации или звукового давления, то в схему включают различные детекторы, с выхода которых на индикаторы поступают постоянные сигналы, соответствующие тому или иному параметру входного случайного процесса – амплитудному, среднеквадратическому значению и др. Так при измерении уровня звукового давления (см. формулу 4.1) применяют квадратичный детектор (цепь возведения в квадрат).

Т

Рис. 4.7. Структурная схема измерителя параметров шума и вибраций.

аким образом, система измерений параметров шума может иметь вид, представленный на рисунке 4.7. Для обеспечения универсальности измерительной системы при ее использовании для определения параметров вибрации блок фильтров с характеристикамиА,ВиСимеет дополнительный канал передачи сигнала без внесения искажений. В таком случае, основным элементом, определяющим целевое назначение системы, будет являться первичный преобразователь. В следующих параграфах подробно будут рассмотрены различные первичные преобразователи, используемые для измерений вибрации и акустических шумов.

В настоящее время все чаще применяется структура реализации рис. 4.7 на основе внешней выносной части