How-To, Effettuare una misura di tipo Sound and Vibration
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Indice
Panoramica su acustica, vibrazione e sensori piezoelettrici
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Con il termine vibrazione ci si riferisce in particolare ad una oscillazione meccanica attorno ad un punto d'equilibrio. Un esempio tipico di vibrazione meccanica riguarda un sistema massa-molla-ammortizzatore, illustrato in Figura 1. Anche le superfici possono essere soggette a vibrazioni, basti pensare all'ala di un areo o un pendolo. In molti casi le vibrazioni sono un fenomeno indesiderato perchè disperdono energia e causano suoni e rumori fastidiosi. In cambio le strutture vibranti generano onde di pressione o suoni che diventano desiderabili nel caso di strumenti musicali. |
Guarda un video di un minuto su come effettuare misure di acustica e vibrazione |
Figura 1. Sistema massa-molla-ammortizzatore
La presenza di oscillazioni sound and vibration è essenziale in diversi mezzi. Proprio come le vibrazioni generano un suono, il passaggio di onde acustiche nell’aria, produce oscillazioni in materiali solidi. Considerata la correlazione sul piano teorico tra le due oscillazioni, le operazioni di misura sound and vibration hanno la stessa natura.
È possibile rappresentare sia il suono che la vibrazione come oscillazioni. Le oscillazioni più semplici sono forme d’onda sinusoidali espresse in termini di tempo come
, dove la frequenza angolare ω e la fase φ sono le costanti. La frequenza angolare ω viene rappresentata in radianti al secondo (rad/sec) ed è legata alla frequenza ƒ (Hz or s-1) dalla seguente formula: ω =2πƒ. Parlando di frequenza angolare, è necessario fare riferimento alla fase φ, che descrive l’offset di un’onda da un punto di riferimento specifico al tempo iniziale t0, e si ottiene in gradi o radianti.
Analisi di misure di acustica e vibrazione
In applicazioni realistiche, i segnali di tensione misurati sono forme d'onda complesse che contengono componenti dotate di frequenza multipla. L’analisi Sound e Vibration in genere si occupa di identificare ed esaminare queste componenti di frequenza. Per farlo è necessario convertire matematicamente i segnali dal dominio di tempo al dominio di frequenza, utilizzando le trasformate di Laplace, Z-, o Fourier. La trasformata di Fourier è il modello più diffuso perchè consente di ottenere la magnitudine in decibel (dB) e la fase relativa ω (raggi o radianti) per ciascuna componente di frequenza in un segnale.
Sensori IEPE
Gli indicatori tipici nelle misure Sound and Vibration sono l’accelerazione e il livello di pressione sonora rispettivamente. Questi indicatori vengono comunemente misurati tramite dispositivi quali accelerometri (shock e vibrazioni) e microfoni (suoni).
Molti sensori dedicati alla misura di accelerazione e pressione sono basati sul principio della generazione piezoelettrica. L’effetto piezoelettrico denota la capacità di generare potenziale elettrico tipica del materiale ceramico o di cristalli di quarzo soggetti a sforzi di compressione. Queste pressioni meccaniche sono causate da forze come accelarazione, sforzo o pressione. Nel caso di microfoni, le onde di pressione sonora fanno vibrare un diaframma o una sottile membrana, trasferendo la pressione nei cristalli piezoelettrici circostanti. Gli acceleromentri, dall’altro lato, contengono una massa sismica che applica direttamente delle forze ai cristalli circostanti in risposta a shock e vibrazioni. La tensione generata è proporzionale alla pressione interna dei cristalli.
Una particolare classe di sensori piezoelettrici, noto con l’acronimo IEPE (integral electronic piezoelectric), incorpora un amplificatore in prossimità dei cristalli piezoelettrici. Considerate le dimensioni ridotte della carica prodotta da un trasduttore piezoelettrico, il segnale elettrico generato dal sensore è suscettibile al rumore, pertanto è necessario utilizzare strumenti sensibili per amplificare e condizionare il segnale e ridurre l’impedenza di output. IEPE si occupa di integrare i dispositivi elettronici sensibili più vicino possibile al trasduttore per garantire una maggiore immunità al rumore e un pacchetto più conveniente. Un tipico sensore IEPE è alimentato da una sorgente di corrente costante esterna. Esso modula la propria tensione di output rispetto alla carica variabile del cristallo piezoelettrico. Il sensore IEPE utilizza esclusivamente uno o due cavi sia per il sensore di eccitazione (corrente) che per il segnale di output (tensione).
Come effettuare misure di acustica e vibrazione
La circuiteria dedicata al condizionamento del segnale è abbastanza lineare. Un tipico sistema per la misura dell'accelerazione e del livello di pressione sonora include i seguenti componenti:
- Sensore
- Sorgente di corrente per l’eccitazione del sensore
- Connessione di terra appropriata per l’eliminazione del livello di rumore
- Accoppiamento DC per la rimozione degli offset DC dal sistema
- Amplificatore per l’incremento del livello di segnale del sensore
- Filtro passabasso per la riduzione del rumore e la prevenzione dell’aliasing nel sistema di acquisizione dati
- Circuito sample-and-hold per mantenere i segnali multipli adeguatamente temporizzati in maniera reciproca
Come già affermato in precedenza, le operazioni di misura sound and vibration sono altamente sensibili al rumore. Tuttavia, è possibile minimizzare l’effetto, con una messa a terra adeguata. Per evitare una erronea messa a terra proveniente da anelli di massa o nodi flottanti è necessario assicurarsi che l'input di condizionamento del segnale o il sensore (ma non entrambi) siano connessi a terra. Se il sensore è connesso a terra, è necessario inserirlo in modo differenziale. Se il sensore è flottante, è preferibile connettere a terra l'input inverso del sistema di condizionamento del segnale.
Il segnale acquisito dal sensore è costituito da entrambi i componenti DC e AC, dove la porzione DC effettua un offset sulla porzione AC da zero. L’accoppiamento AC elemina l’offset DC dal sistema mendiante un capacitore in serie con il segnale. Un sistema di sensore accoppiato AC elimina il drift DC a lungo termine presente nei sensori a causa dell’effetto durata e temperatura, aumentando notevolmente la risoluzione e l'intervallo dinamico utilizzabile del sistema.
Per misure accurate, è preferibile impostare la frequenza di campionamento del sistema al doppio delle frequenza dei segnali in fase di acquisizione. Per essere certi di campionare il corretto intervallo di frequenza, è possibile aggiungere un filtro passabasso prima del campionatore e del converitore analogico-digitale. Questo consente di attenuare i disturbi di frequenze più alte ed evitare che le componenti di aliasing sopra la frequenza di campionamento non distorcano la misura.
Connettere il sensore ad uno strumento
Prendiamo come esempio il modulo della serie C NI 9234 progettato per misure tramite accelerometro o microfono (vedi figura 2). Il modulo NI 9234 è in grado di campionare simultaneamente quattro input analogici alla velocità di 51.2 kS/s e di offrire un condizionamento del segnale IEPE selezionabile via software, accoppiamento AC/DC e filtro antialising.
Figure 2. Modulo NI 9234 della serie C con lo chassis NI CompactDAQ
Il modulo dispone di quattro connettori BNC, ciascuno in grado di connettere un sensore IEPE (vedi figura 3). Il connettore centrale, AI+, fornisce l’eccitazione DC e la connessione al segnale AC. Il guscio del connettore, AI–, fornisce il cammino di ritorno per l’eccitazione e il riferimento per il segnale di terra AC.
Figura 3. Assegnazione dei connettori BNC del modulo NI 9234
Un sensore IEPE necessita di un cavo e/o connettore appropriato da inserire negli input BNC del modulo della serie C. Gli accelerometri triassiali hanno tre input, un asse per ciascun canale di acquisizione, ognuno dei quali richiede un proprio condizionamento di segnale.
È possibile connettere entrambi i sensori di riferimetto di terra o i sensori IEPE flottanti al modulo NI 9234, utilizzando necessariamente una connessione flottante per evitare l’acquisizione del rumore proveniente dal segnale di terra. I tipici sensori IEPE dispongono di una struttura elettricamente isolata dai circuti IEPE; la connessione del sensore al modulo NI 9234 restituisce una connessione flottante, nonostante il sensore è messo a terra.
Visualizza le operazioni di misura: NI LabVIEW
Una volta configurato il sistema, è possibile vedere i dati utilizzando l’ambiente di programmazione grafico LabVIEW (vedi Figura 4).
Tramite il software, è possibile convertire la tensione acquisita in dati di frequenza mediante funzioni di analisi spettrale (frequenza-dominio). Un semplice esempio è dato dalla trasformata di Fourier veloce, indicata come funzione FFT (fast Fourier transform). È possibile eseguire eleborazioni software dei dati ancora più avanzate grazie ai tanti strumenti offerti da National Instruments, tra i quali NI Sound and Vibration Measurement Suite.
Figura 4. Spettro di potenza con NI Sound and Vibration Toolkit
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Informazioni Legali
Questo tutorial di esempio (questo "tutorial") è stato sviluppato dal supporto tecnico National Instruments ("NI"). Sebbene il supporto tecnico di questo tutorial potrebbe essere reso disponibile da National Instruments, il suo contenuto potrebbe non essere stato testato e verificato completamente; NI non ne garantisce in nessun modo la qualità e non continuerà a supportare tale contenuto con ogni nuova revisione di relativi prodotti e driver. QUESTO TUTORIAL È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D'USO DI NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/).