尹金花，馬曉明，徐敏杰

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

基于LabVIEW的電機(jī)噪聲測(cè)試與分析

尹金花，馬曉明，徐敏杰

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

基于虛擬儀器LabVIEW，文章介紹了一種通過(guò)硬件與軟件搭建建立永磁直流有刷電機(jī)噪聲的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該測(cè)試系統(tǒng)主要進(jìn)行噪聲信號(hào)的采集、波形的處理、特征量的提取、頻譜的分析、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等，對(duì)噪聲頻譜分析初步判斷出電機(jī)故障范圍。

LabVIEW；噪聲測(cè)試；信號(hào)采集

1 LabVIEW發(fā)展背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器LabVIEW具有簡(jiǎn)單、直觀的編程方式，多樣化的分析和表達(dá)功能，突破傳統(tǒng)儀器的諸多限制，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。電機(jī)作為日常生產(chǎn)中不可或缺的動(dòng)力裝置，其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲是不可忽視的。噪聲為發(fā)聲體在做無(wú)規(guī)律振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲音，是不被人接受的、是干擾人們的聲音。從醫(yī)學(xué)角度，聲音不超過(guò)40分貝人體不受影響，聲音超過(guò)90分貝就會(huì)對(duì)人的耳朵造成損害，噪音對(duì)人耳的損害與持續(xù)的時(shí)間以及強(qiáng)度成正比，人體長(zhǎng)如果時(shí)間待在40～60分貝的環(huán)境里神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受影響，這時(shí)噪聲平均每升高3分貝，噪聲能量就增強(qiáng)一倍。因此設(shè)定40分貝為本試驗(yàn)電機(jī)的合格依據(jù)，基于LabVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行噪聲，提取異常噪聲頻譜進(jìn)行分析并初步判斷電機(jī)產(chǎn)生噪音的大致部位和原因。

2 電機(jī)噪聲分析

電機(jī)主要有轉(zhuǎn)子、定子、軸承、端蓋、電刷裝置等組成。根據(jù)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原理不同可分為機(jī)械噪聲、電磁噪聲以及空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲是軸承、電刷等零部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力、撞擊力或非平衡力使機(jī)械部件振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。電磁噪聲是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交替變化引起機(jī)械部件或空間容積振動(dòng)產(chǎn)生?？諝鈩?dòng)力噪聲是由氣流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)或與物體相互作用產(chǎn)生。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)聲波衰減原理及聲波的傳送速度利用兩個(gè)聲壓傳感器通過(guò)電路搭建、軟件編程將噪聲中的特征量提取出來(lái)并分析比對(duì)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

3.1 硬件組成

電機(jī)噪聲測(cè)試的主要硬件有聲卡，分貝計(jì)、高靈敏麥克風(fēng)和PC機(jī)等。

聲卡又叫音頻卡，能實(shí)現(xiàn)聲波與數(shù)字信號(hào)互為轉(zhuǎn)換，能將采集到的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)處理后再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送入混頻器中放大，最后輸出。

分貝計(jì)又稱聲級(jí)計(jì)，噪音計(jì)，是最基本的噪聲測(cè)量?jī)x器。本測(cè)試系統(tǒng)采用的是?，擜R814高精度噪音計(jì)，主要由電容式傳聲器、放大器、衰減器、頻率計(jì)網(wǎng)絡(luò)和顯示屏組成。它具有采樣穩(wěn)定、測(cè)量精準(zhǔn)、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

高靈敏麥克風(fēng)具有頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、失真小等特點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)工具，將采集到的信號(hào)保存并進(jìn)行時(shí)域和頻域分析處理。程序框圖、界面圖和數(shù)據(jù)采集流程圖分別如圖2—4所示。

圖2 程序框圖

圖3 界面圖

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

4 噪聲測(cè)試

本系統(tǒng)采用雙通道聲卡進(jìn)行噪聲信號(hào)實(shí)時(shí)采集，對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)論證，通過(guò)聲波的頻域圖，提取特征量分析判斷出噪聲源。噪聲定義的數(shù)學(xué)公式為：

式中：L為聲壓級(jí)；P為瞬時(shí)聲壓；P0為參考聲壓，在空氣中p0=2× 10?5Pα；T為時(shí)間總量。

式中r1, r2為測(cè)試點(diǎn)與聲源的距離，L1，L2分別為中r1, r2處的噪聲值。

本測(cè)試用電機(jī)為轉(zhuǎn)速2 800轉(zhuǎn)/分，功率30 W的永磁直流有刷電機(jī)，麥克風(fēng)距離電機(jī)10 mm左右，采樣率約為22 kHz，對(duì)1 000臺(tái)同一批次的電機(jī)進(jìn)行抽樣檢測(cè)，為了數(shù)據(jù)的精確性，所有測(cè)試都應(yīng)在靜音室中完成，因條件限制本測(cè)試都在隔音房中進(jìn)行，會(huì)有一定的環(huán)境噪聲存在。根據(jù)聲波特性抽取電機(jī)噪聲波形計(jì)算出聲壓值，展開(kāi)頻域搜索極值抽取特征量。圖5為隨機(jī)抽取的時(shí)域波形和頻域波形，低頻是背景噪聲。

圖（a）中時(shí)域圖可計(jì)算分析出聲強(qiáng)，頻域圖的測(cè)試結(jié)果相對(duì)比較理想，可作為對(duì)比樣本。圖（b）頻域圖中1～1.2 kHz間有明顯峰值，判斷為機(jī)械噪聲。圖（c）頻域圖中800～1 300 Hz間有明顯峰值，判斷為機(jī)械噪聲。

圖5 時(shí)域、頻域波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)產(chǎn)生的噪聲非常復(fù)雜，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的噪聲信號(hào)也不是穩(wěn)定信號(hào)，并且易受干擾，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇很重要。根據(jù)頻域波形中的極值搜索，對(duì)比特征量確定噪聲類型，判定電機(jī)的故障范圍。

[1]程金光，張榮福.基于LabVIEW的聲音數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2016（2）：94-98.

[2]郝玉密.柜式空調(diào)直流電機(jī)噪聲解決方法和探討[C]. 2015年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集，2015：403-406.

[3]李昕.直流電機(jī)噪聲分析及降噪的工藝措施[J].船電技術(shù)，2012（7）：43-46.

[4]沈保山，姬長(zhǎng)英，郭玉萍.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2009（4）：76-78.

[5]柳文.降低無(wú)刷直流電機(jī)電磁噪聲的方法[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2013（1）：77-79.

Testing and analysis of motor noise based on LabVIEW

Yin Jinhua, Ma Xiaoming, Xu Minjie
（Changzhou Textile Garment Institute, Changzhou 213164, China）

Based on the virtual instrument LabVIEW, this paper introduced a kind of test system through the hardware and software to build a permanent magnet DC brush motor noise, which carries on real-time monitoring of the running noise. The test system is mainly for noise signal acquisition, waveform processing, characteristics extraction, spectrum analysis, data storage, etc., and analyzes the noise spectrum, to make a preliminary judgment out of the scope of motor fault.

LabVIEW; noise test; signal acquisition

尹金花（1981— ），女，江蘇常州。