quarta-feira, 15 de fevereiro de 2023 · 0 min read
Analisadores de Espectro para Análise de Som e Vibração
Neste artigo, vamos falar sobre analisadores de espectro para medição de som e vibração com detalhes suficientes para que você:
Veja o que são analisadores de espectro e como eles diferem dos analisadores de vibração
Aprenda como funcionam os analisadores de espectro
Entenda como os analisadores de espectro são usados hoje
Você está pronto para começar? Vamos lá!
Introdução
Este artigo se concentrará em analisadores de espectro em tempo real para medições de som e vibração. Esses instrumentos são usados para aquisição e análise de dados na faixa de frequência entre DC e vários megahertz. Isso inclui toda a gama de sinais sonoros de infra-som a ultra-som.
Para algumas aplicações, um analisador de espectro é conhecido como analisador de vibração.
Analisadores de vibração, cobrindo a faixa de frequência entre DC e vários megahertz, são usados em vários domínios de aplicação, por exemplo:
Acústica,
NVH (ruído, vibração e aspereza),
Potência e energia,
Aeroespacial e defesa.
Para domínios de aplicação como telecomunicações, onde a faixa de frequência de interesse está na faixa de MHz a GHz, outros tipos de analisadores de espectro devem ser usados. Normalmente, são chamados de analisadores de espectro de RF.
O que é um analisador de espectro?
Um analisador de espectro mede a magnitude de um sinal de entrada versus frequência dentro da faixa de frequência total do instrumento. O uso principal é medir a potência do espectro de sinais conhecidos e desconhecidos.
Um analisador de espectro é um instrumento que mede a magnitude de um sinal de entrada em uma faixa no domínio da frequência. O uso principal é medir a potência do espectro de sinais conhecidos e desconhecidos. Além disso, os analisadores de espectro geralmente possuem ferramentas e recursos para uma análise mais profunda do sinal, adequada para diferentes domínios de aplicação.
O que é Espectro?
Um espectro é uma representação gráfica do sinal como uma função de uma variável dependente.
Um espectro de som, por exemplo, é uma representação de um som - geralmente uma pequena amostra de um som - em termos da quantidade de vibração em cada frequência individual. Geralmente é apresentado como um gráfico de potência ou pressão em função da frequência. A potência ou pressão é geralmente medida em decibéis e a frequência é medida em vibrações por segundo (ou Hertz, abreviatura Hz) ou milhares de vibrações por segundo (quilohertz, abreviatura kHz).
O que fazem os analisadores de espectro?
Os analisadores de espectro são usados em vários aplicações para criar imagens e representar os dados adquiridos de uma forma que ajuda os usuários a extrair mais informações e, assim, alcançar um melhor entendimento.
Analisadores de espectro para dados de som, ruído e vibração são usados em muitas indústrias como a principal ferramenta para ter sucesso, por exemplo:
Diagnóstico de máquinas rotativas e monitoramento de condições de saúde,
Vigilância de ruído,
Dinâmica Estrutural e Teste Modal,
Classificação da qualidade do som e acústica ambiente,
assim como muitos outros empregos.
Os analisadores de espectro geralmente são construídos com uma série de componentes de hardware e software, conforme descrito a seguir. Juntos, os componentes permitem uma análise de dados espectrais e o uso de ferramentas e recursos que variam dependendo de qual analisador de espectro é usado.
Saber mais:
Um dispositivo de aquisição de dados (DAQ) irá adquirir dados de entrada analógica ao longo do tempo, no domínio do tempo. Os dados de tempo analógico são convertidos em dados de tempo digital por um ADC (Conversor Analógico para Digital). O ADC soma todas as observações do sensor em intervalos de tempo discretos com uma duração de tempo definida pela Taxa de Amostragem do ADC.
Em analisadores de espectro, os dados são transformados do domínio do tempo para o domínio da frequência, no qual as características dos dados de interesse são divididas em linhas espectrais individuais. Em vez de ter os dados representados ao longo do tempo, os analisadores de espectro processam blocos de dados de tempo e produzem um espectro por bloco. As linhas espectrais individuais no espectro representam as diferentes características independentes dos dados medidos, que em conjunto se somam à forma do sinal do bloco de dados de tempo relacionado.
As transformações de domínio e as seguintes operações de análise são normalmente feitas pelo software aplicativo em um computador conectado ao dispositivo DAQ. O usuário pode então operar o analisador de espectro a partir deste computador.
O domínio a ser usado para obter a melhor representação das características de dados interessantes depende do que é medido. Analisadores de espectro para coletores de dados de som, ruído e vibração normalmente representam os dados no domínio da frequência e no domínio da rotação.
Como os analisadores de espectro são usados?
Defeitos de mancal
Defeitos em rolamentos são uma das falhas mais comuns que ocorrem em equipamentos rotativos. Esses defeitos geralmente podem ser evitados por soluções de monitoramento de condição de máquina que usam analisadores de espectro.
Um rolamento típico consiste nos seguintes componentes:
Elementos rolantes - esferas / rolos
Gaiola
Anel interno
Anel exterior
Muitos tipos diferentes de defeitos podem surgir em rolamentos que podem causar falhas críticas e, portanto, diagnósticos de máquinas rotativas e monitoramento de integridade são usados para ajudar a prevenir a ocorrência de tais casos. Ao monitorar e analisar os sinais de vibração relacionados aos rolamentos, é possível reagir e agir antes que qualquer dano grave ocorra.
Defeitos Externos da Corrida
Os defeitos do rolamento do anel externo são normalmente caracterizados no espectro de frequência pela presença de múltiplos picos (harmônicos) da BPFO - Frequência de passagem da esfera no anel externo.
BPFO é representada pelo número de passagens que as esferas fazem sobre um ponto defeituoso no anel externo no período em que o eixo dá uma volta multiplicado pela frequência de rotação do eixo.
A equação para calcular a BPFO é a seguinte:
Onde Nb é o número de elementos rolantes, Bd é o diâmetro da esfera, Pd é o diâmetro do passo e β é o ângulo de contato. A frequência típica da BPFO é de 2-15 x RPM.
Medindo a velocidade de rotação RPM e calculando a BPFO, então as frequências harmônicas relacionadas podem ser determinadas. Se tais harmônicos começarem a surgir e aumentar em magnitude, então pode ser um sinal de um defeito do anel externo do rolamento.
Muitos analisadores de espectro de som e vibração têm ferramentas de monitoramento que ajudam o usuário com, por exemplo, definir níveis de aviso e alarme em tais frequências harmônicas.
Saber mais:
Exemplo: ajuste de qualidade de som
A medição da qualidade do som é uma ferramenta indispensável para uma engenharia de som bem-sucedida. Ela aborda a necessidade de avaliar empiricamente como os sons produzidos por diferentes tipos de máquinas são percebidos pelo ouvido humano.
A percepção auditiva do som é uma questão subjetiva, mas medições e testes objetivos são possíveis aplicando-se uma série de parâmetros ou métricas de Qualidade de Som. Analisadores de espectro são usados no processo de determinação desses parâmetros de qualidade de som.
Um parâmetro de qualidade de som é, por exemplo nitidez. Nitidez corresponde à sensação de um som agudo, doloroso e de alta frequência e é a comparação da quantidade de energia de alta frequência com a energia total. O algoritmo de nitidez pode, entre outras coisas, usar um espectro de banda de 1/3 de oitava para determinar a métrica de nitidez.
Componentes de frequência mais alta no sinal geralmente resultam em medições de maior nitidez.
Saber mais:
Outros parâmetros de interesse de qualidade de som podem ser, por exemplo: intensidade, critério de ruído, índice de articulação - todos definindo a qualidade do som em diferentes aspectos.
Ao usar métricas de qualidade de som, fica mais claro quais partes dos componentes devem ser reprojetadas, configuradas de maneira diferente ou ajustadas para melhorar a experiência geral de som e torná-la mais atraente para os usuários.
O que é análise de espectro?
Muitas ferramentas e recursos extras são frequentemente adicionados ao analisador de espectro fundamental para cobrir todo o seu potencial, mas o mecanismo básico usado é a transformação do domínio de dados.
Quando um analisador de espectro é usado para análise de som e vibração, os dados de tempo adquiridos x (t) são transformados do domínio do tempo para outro domínio. Este outro domínio é muitas vezes o domínio de frequência X (f), mas também pode ser, por exemplo, o domínio de rotação / ordem.
No domínio do tempo, se um sensor observar vários eventos acontecendo ao mesmo tempo, isso será representado ao longo do tempo como um sinal, moldado pelo conteúdo dos diferentes componentes do evento.
Mas, quando os dados de tempo são transformados para o domínio da frequência, o conteúdo dos dados é dividido em seções com relação à frequência de ocorrência. Assim, diferentes características contidas nos dados são plotadas em diferentes linhas espectrais com base em sua taxa de movimento periódico.
Normalmente, os analisadores de espectro usam FFT (Fast Fourier Transform) para obter a representação da frequência a partir da representação do tempo.
Uma série de Fourier pode ser visualizada como uma série de componentes senoidais que, juntos, formam a forma dos dados de tempo. A fase de magnitude de uma série de Fourier pode, por exemplo, ser representado assim:
onde A0 é um componente de deslocamento DC e Ak é a magnitude da amplitude do pico dos componentes senoidais individuais, que também podem ser vistos como contribuições ponderadas para a forma de x (t). fk é o componente de frequência e k é o deslocamento de fase.
Um exemplo é dado. Os dados de pressão do som de um diapasão serão ilustrados por uma função senoidal de 440 Hz no domínio do tempo. No domínio da frequência, será ilustrado por um pico de magnitude em um eixo de frequência na linha espectral que representa o componente de frequência do diapasão de 440 Hz.
Outro exemplo. Quando você estala os dedos, os dados de pressão do som ilustram a função de tempo moldada para reproduzir aquele som transiente. Esta forma contém vários componentes senoidais com diferentes períodos de tempo, uma vez que tal som não pode ser produzido por um único tom puro.
Em um espectro de frequência, os múltiplos componentes senoidais serão ilustrados em diferentes linhas espectrais em um eixo de frequência em relação ao seu período de tempo. Magnitudes de linha espectral relacionadas indicarão o peso dos componentes senoidais individuais representados no sinal de pressão sonora.
Como selecionar um analisador de espectro?
Analisadores de espectro multicanal para som, vibração e, por exemplo, medições de potência, estão disponíveis em vários formatos, incluindo:
Analisadores de vibração de bancada
Analisadores de vibração para montagem em rack
Analisadores de vibração portáteis ou de mão
Ao considerar o melhor formato de instrumento para um teste, sua decisão dependerá da configuração específica do teste e de perguntas como essas.
Quantos sensores são necessários?
Dependendo dos cenários de teste, o número ideal de canais a escolher é diferente. Para alguns testes, um número reduzido de canais de sensores pode funcionar, mas muitas vezes isso vem acompanhado de um tempo extra de teste necessário e isso deve ser considerado.
A configuração do teste mudará com frequência?
Pode ser uma tarefa demorada conectar, configurar e gerenciar um sistema de medição multicanal, mas os sistemas de instrumentos adequados terão um conjunto de recursos para simplificar essa tarefa - por exemplo, Suporte ao sensor TEDS e ferramentas de reconfiguração automática do sensor no software aplicativo.
Os instrumentos às vezes são divididos em várias configurações de teste?
Se um sistema de medição maior puder ser dividido em sistemas independentes menores, então pode ser necessário escolher vários instrumentos que podem ser configurados individualmente ou trabalhar juntos.
O local de configuração do teste está estacionário?
Se a configuração do teste for projetada para permanecer no mesmo local, isso pode ser benéfico com instrumentos montados em rack e um PC executando o software aplicativo em um escritório. Mas, se a configuração do teste for movida regularmente, uma solução portátil pode ser a melhor.
Os instrumentos devem resistir a ambientes hostis?
Muitos cenários de teste acontecerão em ambientes severos envolvendo, por exemplo, temperaturas extremas, borrifos de água ou submersão, alto choque e vibrações extremas. Nesses casos, a classificação de IP (proteção contra ingresso) do instrumento deve ser considerada.
Qual analisador de espectro é o melhor para quê?
A análise de frequência é amplamente utilizada em uma ampla gama de aplicações, incluindo som, ruído, vibração e, por exemplo, medições de potência.
Cada domínio de aplicação possui diferentes configurações de teste construídas para gerar e investigar diferentes eventos importantes. A configuração de medição deve suportar a aquisição e análise de dados em intervalos que incluam o máximo possível dessas observações de interesse.
A qualidade do suporte de um analisador de espectro para esses domínios de aplicação é dada por um conjunto de parâmetros de especificação ou requisitos para os diferentes componentes de hardware e software sobre os quais o analisador de espectro é construído. Alguns desses requisitos estão listados abaixo para os componentes típicos em um analisador de espectro.
Requisitos do sensor
Como este artigo se concentra principalmente na análise espectral, os requisitos do sensor serão mencionados apenas brevemente. Alguns dos requisitos de sensor de interesse são:
TEDS (folha de dados eletrônicos do transdutor)
Recuperação de Sobrecarga
Sensibilidade
Resposta de freqüência
Resposta de Temperatura
Proteção ESD (descarga eletrostática) / RFI (interferência de radiofrequência)
Esses requisitos e muitos outros indicam quais sensores são mais adequados para uma determinada aplicação de teste.
Requisitos de dispositivo DAQ
Para selecionar um dispositivo DAQ, você deve observar os diferentes requisitos que sua aplicação de medição pode ter. Alguns desses requisitos são:
Número de canais de entrada / saída
Requisitos de taxa de amostragem e largura de banda
Resolução de bits
Vamos examinar cada um de perto.
Número de canais
Embora uma medição de nível de pressão sonora possa ser obtida com um único canal de microfone, muitos padrões requerem configurações de medição específicas que geralmente especificam um certo número de sensores de som ou vibração que devem ser usados.
Alguns testes são realizados com várias centenas ou mesmo milhares de sensores, que devem ser aquisitados e analisados. Quando um teste requer muitos canais, o preço e o desempenho do equipamento de medição podem ter um grande impacto na escolha de um parceiro ou fornecedor de medição.
O desempenho de grandes sistemas de medição é normalmente mantido sob controle distribuindo a carga de processamento para várias unidades de medição que, juntas, fornecem ao usuário os dados solicitados.
Taxa de amostragem e largura de banda
Para medições de som, a faixa de interesse é geralmente de 20 Hz a 20 kHz, uma vez que cobre a faixa audível para humanos.
Para medições de vibração do quadro de um carro, a faixa de interesse pode ser de 10 Hz a 3,2 kHz. Isso cobriria a maioria das observações de interesse, como a dinâmica estrutural da estrutura e o comportamento de vibração ao longo de um perfil de velocidade.
Para medições do inversor de alta tensão em aplicações de E-mobility ou medições de pyroshock, a faixa de interesse pode ser de até vários MHz, para cobrir todas as características que juntas formam os transientes curtos.
Um analisador de espectro deve suportar uma largura de banda que cubra a faixa de interesse. A largura de banda do sistema é o intervalo máximo em um espectro produzido. Por exemplo, se um analisador de espectro pode visualizar e analisar dados de 0 Hz a 5 kHz, então ele tem uma largura de banda de 5 kHz.
A largura de banda está relacionada à taxa de amostragem do ADC no analisador de espectro, mas não é a mesma. A taxa de amostragem é a taxa com a qual uma nova amostra de dados é aquisitada. Por exemplo, um CD é normalmente gravado com uma taxa de amostragem de 44,1 kHz.
Devido ao teorema de Nyquist e aos filtros anti-aliasing, a relação entre a taxa de amostragem e a largura de banda é freqüentemente definida como 2 ou 2,56.
Saber mais:
Em relação ao exemplo com o CD, a largura de banda é então, e. 44,1 kHz / 2,56 = 17,2 kHz, que cobre quase toda a faixa audível do som para a maioria dos humanos. Frequentemente, não há necessidade de usar uma taxa de amostragem mais alta, pois a faixa audível já está coberta e uma taxa de amostragem mais alta usará mais espaço em disco por segundo de dados de tempo.
Resolução de bits
Outro parâmetro de especificação é a resolução de bits. A maioria das amostras de dados medidos terá, por natureza, valores de nível diferentes se pudéssemos descrever os níveis com 100% de precisão. O limite da precisão do nível relativo é determinado pela resolução de bits.
O ADC em analisadores de espectro usados para aplicações de som e vibração geralmente tem uma resolução de bits entre 16 bits e 24 bits.
The ADC in Spectrum analyzers used for sound and vibration applications often have a bit resolution between 16 bits and 24 bits.
A alta resolução de bits é frequentemente necessária ao adquirir dados que possuem uma grande faixa de nível dinâmico e onde, ao mesmo tempo, valores de nível precisos são importantes.
Saber mais:
A Dewesoft oferece uma variedade de sistemas de aquisição de dados líderes da indústria que cobrem a maioria das demandas em relação à taxa de amostragem, resolução de bits, relação sinal / ruído e muito mais. O dispositivo DAQ funcionará como parte do hardware da solução do analisador de espectro.
Requisitos de software do Spectrum Analyzer
Como mencionado anteriormente, muitas ferramentas e recursos extras são frequentemente adicionados ao analisador de espectro fundamental para cobrir todo o seu potencial. Para muitos clientes, alguns desses recursos são peças obrigatórias no analisador de espectro, para que possam realizar os trabalhos desejados.
Cursores e marcadores com leituras de nível
A capacidade do usuário de interagir com telas e gráficos, por exemplo, zoom in e out, identificar áreas de interesse e adicionar diferentes tipos de marcadores é apreciado pela maioria dos usuários. Por exemplo, tendo um espectro que representa um sinal de som, então os valores do cursor harmônico podem fazer parte dos resultados de teste desejados. Ou, ao fazer um teste modal, os marcadores de amortecimento são frequentemente incluídos na análise.
Saber mais:
Curvas de referência e curvas de tolerância
As curvas de referência e de tolerância podem ser usadas como uma ferramenta de validação de dados, onde os dados são exibidos em comparação com alguma referência esperada ou exibidos junto com alguma figura de tolerância. Também pode fornecer saídas de gatilho usadas para alarmes e eventos.
Saber mais:
Espectrograma 3D
Vários espectros representados em um perfil permitem a capacidade de seguir tendências e obter uma visão geral das mudanças espectrais em relação a algum perfil. Por exemplo, em aplicações automotivas, uma variedade de sinais medidos são frequentemente analisados em um perfil de velocidade.
O novo vídeo de apresentação de gráficos 3D DewesoftX
Saber mais:
Operações matemáticas
Outros recursos de análise estendidos podem ser fornecidos por operações matemáticas. As operações matemáticas podem ser desde um simples dimensionamento de valores até fórmulas matemáticas mais complexas definidas pelo usuário. Alguns softwares de aplicação também oferecem suporte a scripts matemáticos e têm os dados matemáticos derivados disponíveis como saídas de canal virtual.
Saber mais:
Eventos e alarmes
Permite que o analisador de espectro notifique o usuário se a análise de dados for acionada em algumas configurações definidas pelo usuário. Ele também é usado como um mecanismo de desligamento de teste e para enviar informações de alarme para dispositivos de terceiros.
Saber mais:
Automatic reporting
The ability to generate reports while or after running tests. Some application software includes reporting tools where the user can create and modify reports containing graphs, metrics, metadata, and other desired information.
Análise cruzada com fontes de medição de terceiros
As análises de dados cruzados de fontes múltiplas são frequentemente valorizadas quando um analisador de espectro está recuperando dados de outras fontes, além dos dados dos sensores conectados diretamente ao dispositivo DAQ.
Por exemplo, para ver os dados de temperatura de outra fonte de aquisição em relação aos dados medidos pelo analisador de espectro.
Saber mais:
Gestão de dados
Os recursos de gerenciamento de dados determinam como os dados medidos e analisados são, por exemplo, armazenados, convertidos, importados, exportados e transmitidos.
Dewesoft fornece armazenamento de dados brutos, bem como armazenamento em um banco de dados de série temporal. O banco de dados Dewesoft Historian pode estar localizado em uma unidade de medida local ou no servidor remoto ou nuvem.
O armazenamento de banco de dados de série temporal Dewesoft Historian para registro de dados de longo prazo
Monitoramento e análise distribuída
Dividir a análise dos canais do dispositivo DAQ em vários PCs em que todos executam o software aplicativo. Nela, vários usuários podem interagir e fazer suas próprias análises em paralelo nos sinais fornecidos ao seu PC.
Saber mais:
- Dewesoft NET online manual
Com um conjunto de tais recursos e anos de experiência em campo, os aplicativos de software podem ser projetados para realizar trabalhos mais específicos que orientam e ajudam diretamente os usuários, abordando o contexto do cenário do usuário.
Veja os diferentes casos de uso de aplicativos de teste Dewesoft.
Quais são os aplicativos do Spectrum Analyzer?
A Dewesoft construiu ao longo dos anos uma plataforma sólida de análise de sinal para análise espectral. Ele cobre a maioria dos cenários de usuário em relação à aquisição de dados e análise de todos os tipos de sinais na faixa de frequência de 0 Hz a vários MHz. Alguns desses cenários incluídos no premiado software DewesoftX são:
Manutenção preditiva e monitoramento
Monitoramento da integridade da máquina
Testes estruturais - análise modal, processamento senoidal, análise FFT
Teste e análise de durabilidade e fadiga
Máquinas rotativas, balanceamento de rotor, análise de torção
Análise de combustão
Testes de vibração do corpo humano
Potência, nível, intensidade e qualidade do som
Testes de resposta a choque mecânico, testes de queda
Detecção de falha de rolamento
Saiba mais sobre os aplicativos Dewesoft Vibration Signal Analyzer:
Para que mais são usados os analisadores de espectro?
Neste artigo, o foco principal foi em como os analisadores de espectro são amplamente usados para analisar dados adquiridos de som, ruído e vibração. Mas outras variantes de analisadores de espectro também são usadas para outros tipos de medições. Abaixo estão alguns exemplos de uso.
Telecomunicações
No setor de telecomunicações, os testes de banda larga e transmissão de radiofrequência (RF) são realizados junto com os testes em componentes de RF como antenas, cabos e osciladores.
Ao testar equipamentos de RF, a faixa de frequência de interesse é normalmente de MHz a GHz.
Ao adquirir e analisar dados na faixa de GHz, uma técnica de conversor de RF bem estabelecida é normalmente usada. O conversor de RF usa uma técnica de heterodinação que demodula e muda a faixa de frequência do sinal em relação a uma frequência de sintonização (frequência central).
Por meio deste, o eixo de frequência de um espectro de RF frequentemente não começará em DC-0 Hz, mas em uma frequência definida pela frequência de sintonia e pela largura de banda em torno dela.
Químico
Na indústria química e farmacêutica, os analisadores de espectro são usados para espectroscopia de massa. Eles produzem espectros que representam o conteúdo iônico de um objeto medido, dividido em linhas espectrais individuais com base em sua razão massa-carga. Assim, os químicos podem facilmente concluir em que consiste o objeto medido ou se contém impurezas indesejadas.
Física de Partículas
Outro exemplo pode ser encontrado no CERN. Quando as partículas aceleradas colidem e uma série de novas partículas surge, os analisadores de espectro são usados para representar os dados dos sensores de partículas. Eles estão dividindo as partículas emergidas em linhas espectrais individuais com base em sua relação massa-energia. Desta forma, os físicos são auxiliados na visão geral do conteúdo das partículas emergentes, uma vez que as diferentes características das partículas são separadas nos dados espectrais do domínio de massa-energia.
