家電產品階次分析知識和應用

聲學工程師小吳

2023年8月23日 14:02

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家電產品常常會涉及到一些旋轉機械結構，如電機、壓縮機、風扇、齒輪、滾刷、葉輪、擺葉等運動部件。當這些旋轉機械處于運動狀態時，其本身或與之關聯的結構會產生一定幅值的噪聲信號，當轉速上升或下降時，幅值也會相應的變化。一般從噪聲信號的測試結果看，噪聲信號明顯處所對應的頻率總是轉速或轉速的倍數，這種倍數的關系即是階次。

家電產品階次分析知識和應用的圖1

階次的定義

階次主要針對旋轉機械，它代表的意義是旋轉部件每旋轉一圈某事件發生的次數。作為一個處于旋轉狀態的部件，它會產生一定幅值的響應（振動或/和噪聲）。

隨著轉速的變化，這個響應也會發生變化。這個階次響應與轉速和轉頻之間有對應關系。確切地說階次是轉速或轉頻的倍數，對轉速保持不變。獨立于軸的實際轉速，是參考軸轉速的倍數或者分數。而結構的振動噪聲響應通常出現在轉速的倍數或者分數處，也就是這些階次處。

階次分析用途

對于分析旋轉機械的振動噪聲，進行階次分析非常有幫助。這是因為系統產生的響應大多數情況下都與特定的階次(當然還有共振頻率產生的響應)相關，在特定的階次上會出現相應的響應、系統的每一個部件(電機，風扇，壓縮機等)對系統的振動噪聲總量級 (Overall level)都有貢獻。階次分析幫助確定每一個獨立部件對總量級有多大的貢獻。

2.1 故障診斷

2.2 產品測試

空調、冰箱、洗衣機等家電產品的開關機及模擬運行
料理機、吸塵器等小家電檔位轉速選擇及切換

2.3 仿真(聲品質)

階次圖

3.1 瀑布圖 waterfall graph

旋轉機械的轉軸部件從啟動、升速到額定轉速的過程經歷了全部轉速的變化，因此在各個轉動下的振動狀態可用來對機器的臨界轉速、固有頻率等參數進行辨識。啟動和停止過程包含了豐富的信息，是常規狀態下無法獲得的，描述這種瞬態過程的一種方法是瀑布圖法，是將不同轉速下的頻譜圖按轉速逐漸增加或是逐漸較小順序排列得到的一組頻譜，能夠反應加速/減速過程中信號頻率成分的變化，這種圖形的結構類似瀑布，所以稱為瀑布圖”。

家電產品階次分析知識和應用的圖2

3.2 Colormap 彩圖

Colormap是通過顏色深淺的變化，將兩個變量以及其對應的函數同時顯示的一種方法，在處理試驗數據時經常用到，其原理是通過一個mx3的矩陣，將具體的顏色變為Colormap中對應的Index，即相應的數值通過矩陣轉算，將指定的數值向量（矩陣）映射到相應的顏色，形成Colormap。

Colormap是NVH數據分析的重要途徑，通過Colormap將噪聲、振動數值與發動機轉速、頻率同時顯示，可以清晰全面地反映當前的振動或噪聲狀態。

家電產品階次分析知識和應用的圖3

3.3 階次切片

還有一種顯示方式是階次切片圖，在以上兩種圖形顯示方式中，如果要比較兩個或多個階次之間的相對大小，這是很不方便的，因而，此時需要把這些階次作切片，將切出來的階次放在同一個二維圖中進行比較，則方便得多，這就是所謂的階次切片圖，如下圖所示。另外，階次切片計算需要考慮一定的帶寬，實際上是因為能量發生了泄漏，導致頻譜拖尾到這些譜線上了，轉速變化速率越快，頻譜拖尾現象越嚴重。因此，轉速的變化速率對階次切片帶寬是有影響的，轉速變化速率越大，階次切片所對應的階次寬度越寬。

家電產品階次分析知識和應用的圖4