对于旋转机械进行振动噪声分析时,经常要绘制colormap图,且有多种方式,如跟踪转速、时间和车速等方式。并且不同的测试对象,其colormap图中的阶次线会呈现不同的样式。这些样式,您都知道原因吗?
跟踪转速
振动噪声常规的colormap图通常采用跟踪转速的方式得到,如下图所示。在该图中阶次线是斜线,因为随着转速的增加,其对应的频率也在增加,所以,阶次线是斜线。
跟踪时间
如果采用跟踪时间的方式,此次得到的colormap图类似下图所示,由于转速上升速率有变化,因此,在跟踪时间的方式中,colormap图中的阶次线是曲线。
跟踪车速
除了跟踪时间和转速之外,有时还会用跟踪车速的方式,得到的colormap图所下图所示,这种图一般在路试中有可能会用到,要求同时采集车辆的行驶速度。
阶次域
如果将时域信号转换到角度域,再进行FFT变换,可得到阶次域的colormap图,所下图所示。此时,横轴为阶次,因此,阶次线垂直于横轴。
以上四图是常规的colormap图,只是采用了不同的跟踪方式或显示方式而已。绝大多数情况下,在colormap图中还可能出现多种“异常”的情况。
共振现象
下图中,除了阶次线之外,还有两条垂直频率轴(横轴)的高亮线或高亮频带,见图中两个红色椭圆所标注的区域,这样的线条在colormap图中很常见。高亮区域表示信号幅值较大,从图中可以看出,两条垂直频率轴的亮线不随转速变化。因此,这样的线条表明是共振问题。也就是说,在这两个频率处,结构存在共振(带),共振频率是结构的固有属性,不随激励的变化而变化。因此,如果colormap图中出现垂直频率轴的亮线,这表明结构存在共振,这样的频率为结构的某一阶固有频率。
高于最大阶次
下图中,高于75阶次以上,不存在任何信息。这是由每转的最大脉冲数所决定的,也就是说,采集该信号时所使用的每转脉冲数为150个PPR。能得到的最大阶次数为每转脉冲数的一半。
阶次混叠
下图中,左图为60个PPR采集得到的信号,那么,能分析到的最大阶次为30阶次。信号的主要阶次为1,2,10,17阶次。右图为20个PPR采集得到的信号,那么,能分析的最大阶次为10阶次。此时,右图中的主要阶次为1,2,3,10阶次。右图中没有17阶次,多出来一个3阶次。这是由于采用20个PPR进行信号采集时,只能采集得到10阶次以内的信息,17阶次高于最大阶次,此时,17阶次将关于最大阶次线混叠成了3阶次(17阶次关于10阶次镜像成了3阶次),这是所谓的阶次混叠。
当信号还有高于最大阶次成分的阶次存在时,就可能存在阶次混叠现象,如下图所示。左图是频域的阶次混叠,右图是阶次域的阶次混叠。都是关于最大阶次镜像到能观测的阶次区域。
频率混叠
以上是阶次混叠,在colormap图中还可能存在频率混叠,如下图所示。当采样频率为分析带宽的2倍时,可能在分析带宽80%以上的区域存在混叠,此时,在colormap图中对应的现象为阶次线关于带宽(分析频率上限)进行镜像,镜像到分析带宽内,如下图右侧所示。这是受到分析频带的限制,造成了频率混叠。
阶次调制
下图中,在某些区域相邻的阶次线很高亮,其他的阶次线反而不明显。在齿轮或轴承测试中可能存在这样的现象,这是由于阶次调制造成的,此时相邻阶次也就是边频带。
脉冲带宽调制
对于电机测试(如电动车),会出现如下图所示的colormap图,这是跟踪时间方式得到的,可以看到,此时的阶次线关于中心线成对称状分布。
如果将电机的振动噪声信号按跟踪转速的方式进行分析,可以得到如下图所示的colormap图。下图中,可以看出,在5000Hz,10000Hz和15000Hz处,阶次线成伞状,且关于这些频率成对称分布。这是由于电机中的脉冲带宽调制(PWM)造成的,(关于电机的脉冲带宽调制将在稍后作介绍),5000Hz,10000Hz和15000Hz是开关频率,通过调节脉冲的占空比(宽度)实现正弦(交流电)输出,从而形成了伞状的阶次线。
混合动力
上图是纯电动车的colormap图,阶次线条还比较干净,没有其他阶次的干扰,如果是混合动力的车辆,其振动噪声的colormap图中既会出现电机和内燃机的阶次,还会出现脉冲带宽调制的阶次,此时,colormap图可能会如下图一样凌乱。
多旋转轴
在混合动力车辆中,既有内燃机,又有电机等旋转设备,因此,存在多旋转轴的情况,因此,在colormap图中,这些旋转轴都有体现,如下图所示。因此,存在多条阶次相互交叉的情况。
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