《振動噪音科普專欄》如何判斷EMA的數據為有效的、可靠的量測?- (1)敲擊槌之外力檢查

1.      Channel Setup量測通道設定:在設定感測器的「靈敏度(sensitivity)以及「窗函數(window),需要對感測器校正取得正確的「靈敏度」,以及選用正確的「窗函數」,才能取得有效的、可靠數據。

2.      FFT Setup快速傅立葉轉換((fast Fourier transform, FFT)參數設定:如圖示案例,依照需求選擇適當的有效頻寬 = 5000 Hz,以及頻率解析條數 = 12800 lines。就決定了頻率解析度 = 0.39062 Hz,以及每次的時間區間 = 2.56 sec。因為,進行EMA,所以平均次數 = 3,為什麼取3次平均,我們再另闢單元討論。

 

參閱圖示左下方,是一個完整的𝒇𝒋 (𝒕)時間波形,可觀察到有一個衝擊波,起始時間和終止時間的𝒇𝒋 (𝒕)都是零,所以可以選用Boxcar窗函數」,進一步放大時間波形來看,參閱圖示右上方,有兩個典型的𝒇𝒋 (𝒕)時間波形,說明如下:

 

1.      典型有效的敲擊外力–OK:呈現一個獨立的三角波,這是良好的𝒇𝒋 (𝒕)時間波形,前端與後端有輕微的波動,係來自力感測器的電雜訊,顯示的3𝒇𝒋 (𝒕)時間波形,都是有效的敲擊力。

2.      典型雙敲擊的外力–NG:可以觀察到3𝒇𝒋 (𝒕)時間波形,都有「雙敲擊(double hit/double impact)的現象,這是不好的量測,NG=No Good/No Go,原則上,「雙敲擊」是不可接受的。不過,有些結構不容易敲擊,「雙敲擊」難以避免,我們再另闢單元討論,如何評斷「雙敲擊」是否可行?

 

取得了𝒇𝒋 (𝒕) 的時間波形,就可進行FFT,以取得敲擊外力的𝑭𝒋 (𝒇)傅立葉頻譜(Fourier spectrum)。因為,𝑭𝒋 (𝒇)是複數(complex number),圖示顯示是其振幅值,OK的敲擊力,|𝑭𝒋(𝒇)|呈現接近水平線的「白噪音(white noise)激振,而NG的敲擊力,|𝑭𝒋 (𝒇)|則是有波浪現象,這是源自「雙敲擊」的效應。在此須注意,𝑭𝒋 (𝒇)傅立葉頻譜」是不能取平均處理(averaging),所以是單次敲擊的頻譜。

 

再對𝑭𝒋 (𝒇)傅立葉頻譜」,進行「功率頻譜密度函數 (power spectral density (PSD) function)PSD分析,可以取得𝑭𝒋 (𝒇)𝑮𝒋𝒋 (𝒇)自身功率頻譜(auto power spectrum, auto PSD)。在此須注意,𝑮𝒋𝒋 (𝒇)是可以取平均處理(averaging),所以是3次敲擊的頻譜。而且,𝑮𝒋𝒋 (𝒇)自身功率頻譜auto PSD是純實數。

 

觀察𝑮𝒋𝒋 (𝒇)是主要的重點,OK的敲擊力,𝑮𝒋𝒋 (𝒇)呈現接近水平線的「白噪音(white noise)激振,而NG的敲擊力,𝑮𝒋𝒋 (𝒇)則是有波浪現象,這是源自「雙敲擊」的效應。相較於|𝑭𝒋 (𝒇)| 傅立葉頻譜」呈現出平滑曲線,這是有平均處理的效果。

 

檢查𝑮𝒋𝒋 (𝒇)自身功率頻譜auto PSD的重點,要觀察是否接近水平?要水平到甚麼程度呢?檢查基準:有效激振頻寬 < 20 dB。參閱圖示下方的3個不同敲擊量測的𝑮𝒋𝒋 (𝒇),從0 Hz5000 Hz的接近水平曲線,分別降低了14 dB, 13 dB, 15.5 dB,都是< 20 dB,所以,在5000 Hz的頻寬,這是有效的外力激振。

 

如果,參閱NG的敲擊力,𝑮𝒋𝒋 (𝒇)則是有波浪現象,以有效激振頻寬 < 20 dB的基準來觀察,大約只到1000 Hz的頻寬。

 

綜合一下這個單元的討論:如何判斷EMA的數據為有效的可靠的量測?首先,必須瞭解:

 

1.      進行EMA與其量測數據信號處理

2.      Channel Setup量測通道設定。

3.      FFT Setup快速傅立葉轉換((fast Fourier transform, FFT)參數設定。

 

針對「衝擊槌(impact hammer)外力檢查,觀察重點:

 

1.      完整的𝒇𝒋 (𝒕)時間波形:必須是單一的衝擊波,時間波形的頭、尾,也就是起始時間和終止時間的𝒇𝒋 (𝒕)都是零,所以可以選用Boxcar窗函數」。

2.      放大𝒇𝒋 (𝒕)時間波形來看:確保只有單一的衝擊波,呈現一個獨立的三角波。必須避免「雙敲擊(double hit/double impact)的現象。

3.      檢查𝑮𝒋𝒋 (𝒇)自身功率頻譜auto PSD的重點:𝑮𝒋𝒋 (𝒇)曲線是否接近水平?

4.      𝑮𝒋𝒋 (𝒇)檢查基準原則:有效激振頻寬 < 20 dB

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2023.10.18




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