Показано, что с помощью доступных интегральных акселерометров и свободного ПО можно получить хорошо интерпретируемые спектрограммы вибраций бытовых машин.
Ключевые слова: вибрации, спектрограммы, интегральные акселерометры, бытовые машины.
Анализ спектрограмм вибраций широко применяется, например, при вибродиагностике машин, мониторинге состояния сооружений и конструкций, в задачах реверс-инжиниринга. В настоящее время доступность интегральных акселерометров [1, 2] и свободного ПО для построения спектрограмм [3] значительно упрощает их применение. Целью данной работы была экспериментальная отработка получения информации о параметрах вибраций бытовых машин с помощью указанных средств.
Для регистрации экспериментальных данных применялся модуль [2] с датчиком MPU-9250 [1], подключенный к плате Arduino. Данные виброускорений записывались в ПК через USB. Были получены хорошо интерпретируемые спектрограммы вибраций работающих стиральной машины, микроволновой печи, холодильника, самого ПК.
Например, как известно, стиральные машины могут являться источниками заметных неприятных вибраций. На рис. 1 показана временная диаграмма сигнала, зарегистрированного с помощью описанных выше средств. Она снята за время части процесса стирки, а именно за время одного из интервалов отжима. Сигнал нормирован к максимуму диапазона в файле данных, а именно к значению 32768. Глядя на диаграмму, можно отметить, что максимальное зарегистрированное значение составляет несколько более 0,04*32768 = 1300 шагов квантования. Так как диапазон измерения датчика был выбран 2 g, что соответствует 2048 шагам квантования, виброускорения иногда достигали 1,3 g. Можно анализировать особенности огибающей этого колебания, однако по данной диаграмме нет возможности оценить такие параметры, как виброскорость и вибросмещение.
Рис. 1. Виброускорения стиральной машины на этапе отжима
Несколько периодов колебания около момента времени 120 с приведены на рис. 2. Здесь можно оценить период основной гармоники примерно 0,4/3 = 0,13 с. Соответственно частота колебаний в этот момент составляла около 6 Гц = 360 об/мин.
Рис. 2. Несколько периодов колебания, показанного выше
На рис. 3 показана спектрограмма рассматриваемого колебания. Частота дискретизации составляла 500 Гц, размер БПФ 2048, динамический диапазон 1000 (60 дБ). Изучение спектрограммы позволяет получить, например, следующие результаты.
Рис. 3. Спектрограмма вибраций стиральной машины на этапе отжима
- Существует два источника вибраций: вращающийся барабан (машина имеет двигатель с прямым приводом) — более сильный источник и помпа — намного более слабый.
- Вибрации барабана на спектрограмме имеют характерный кусочно-линейный вид, соответствующий интервалам разгона, постоянной скорости вращения и торможения барабана.
- Частота основной гармоники вибрации барабана достигает 13,3 Гц = 800 об/мин. В этот момент амплитуда виброускорения составляет примерно 0,3 g = 0,3*9,8 м/с 2 = 3 м/с 2 , как можно получить из рис. 1. Отсюда можно оценить амплитуду виброскорости как 3/(2π*13,3) м/с = 0,036 м/с, амплитуду вибросмещения 0,036/(2π*13,3) м = 0,0004 м = 0,4 мм.
- Вибрации барабана имеют множество хорошо различимых гармоник, прослеживающихся примерно до 30-й в пределах динамического диапазона 60 дБ. Относительные уровни гармоник меняются в зависимости от скорости вращения, что вызвано в том числе ограничением полосы пропускания (демпфированием) подвески барабана с частотой среза порядка 10 Гц.
- Помпа во время своей работы создает вибрации с основной частотой 50 Гц и наиболее сильной второй гармоникой в 100 Гц. Существует явление их амплитудной модуляции вибрациями барабана.
Можно также получить из этой спектрограммы детальную информацию о тайминге включения двигателя барабана и помпы, скоростях разгона и торможения.
Таким образом, в настоящее время спектрограммы вибраций в диапазоне до сотен Гц можно получить достаточно простыми средствами.
Литература:
- MPU-9250 Product Specification. Revision 1.1 [Электронный ресурс] / InvenSense, Inc. — URL: https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2015/02/PS-MPU-9250A-01-v1.1.pdf (дата обращения: 10.03.2022).
- MPU-9250 9DOF [Электронный ресурс] / Айрдуино. — URL: https://iarduino.ru/shop/Sensory-Datchiki/mpu-9250–9dof-giroskop-akselerometr-kompas.html (дата обращения: 10.03.2022).
- Synchrosqueezing in Python [Электронный ресурс] / John Muradeli. — URL: https://github.com/OverLordGoldDragon/ssqueezepy (дата обращения: 10.03.2022).
