激光测振仪在汽车用电喇叭基频测试中的应用

2020-07-07徐子轩卢金罗熠潘建安王庆祥吴茜林振淼

汽车零部件 2020年6期

关键词：多普勒条纹振动

徐子轩，卢金，罗熠，潘建安，王庆祥，吴茜，林振淼

中汽检测技术有限公司，广东广州 510530)

0 引言

随着激光技术和数字信号处理技术的迅速发展，激光测振仪具有能实现较远距离非接触式测量、速度快、精度高、量程大、抗干扰能力强等突出优点，在航空航天、汽车制造、兵器船舶等行业得到迅速的推广应用。

目前我国汽车行业处于高速发展阶段，中国汽车产业在自主创新方面大步迈进，取得了突出成就，自主创新已成为众多车企的共识，但缺少对核心部件测试技术的关注，自主创新的核心技术还亟待突破，因此开展激光测振仪在汽车电气部件测试上的应用研究十分重要。

本文作者根据激光测振仪的结构特点，以常见的汽车用电喇叭为例，提出相应的测试方法，从而提高试验过程的稳定性，保证测试结果准确可靠。

1 激光测振仪工作原理和特点

1.1 激光测振仪的特点

激光测振仪相比传统接触式传感器具有特点如下：(1)无接触式高精度测量被测物体的振动频率和幅值。(2)可以对多个测试点进行速度采集。(3)不受限于材质和材料状态(高温)。(4)可实现对微小物体和困难位置的单方向振动测试。(5)可实现较远距离的测量。(6)甚至可以测试液体表面的振动以及很小很轻的物体。

1.2 激光测振仪工作原理

激光测振仪是由激光多普勒干涉仪、信号处理器和数据采集系统组成，激光器发出具有一定频率的偏振光，由分光镜分成两路，一路作为测量，一路作为参考，测量光通过声光调制器后具有一定频移，被聚焦到被测物体表面，被测物体振动引起频移，系统收集反射光与参考光汇聚在传感器上，此两束光产生干涉后，信号处理器将频移信号转换为速度信号，可实现加速度、速度、频率、振动幅值的精密测量。

1.3 多普勒效应

多普勒效应存在每个人身边，例如在高速上行驶时，当快速行驶的车辆经过行人时，鸣笛的音调就会发生变化。图1描述了一个移动声源的多普勒效应。

图1 一个移动声源的多普勒效应

图1表示了一个汽车电喇叭的3种状态：静止状态，向右移动和向左移动。从喇叭起源的曲线代表在某一个观察时刻的振动强度。喇叭右边的一个观察者听到的频率是喇叭本身产生的频率；在图(b)所示的情况下，喇叭向着观察者移动(v>0)，声波被压缩，结果听到的频率比喇叭本身产生的频率高；相应在图(c)所示的情况下，听到的频率比喇叭本身产生的频率低。如果波被一个移动物体反射回来被测试系统接收(激光测振仪的工作原理就是上述情况)，波的频移可以表示为

fD=2×v/λ

其中：v是物体移动速度；λ是声源产生的波长。为了得到物体的速度，先计算多普勒频移，在激光测振仪中通过激光干涉仪实现的。

1.4 激光干涉仪

如图2所示：基于光学干涉基本原理，从光源发出的激光被分光镜(BS1)分成参考光和测量光；测量光经过分光棱镜(BS2)后聚焦到被测物体。从被测物体反射回来的光被BS2反射到BS3，与参考光在这里重合后传输到探测器。由于参考光的光程是固定的，所以被测物体移动就在探测器上形成明暗条纹，一个完整的明暗条纹对应着物体移动了激光的半个波长。单位时间内光程的改变意味着多普勒频移，所以干涉条纹的调制频率与被测物体的移动速度成正比。当物体远离干涉仪时产生的条纹与物体靠近干涉仪时产生的条纹是一样的，则不能决定物体的运动方向，所以在参考光路中放置一个声光调制器，将光的频率调成40 MHz。当物体静止时，将产生一个40 MHz的干涉条纹。如果物体向着干涉仪移动，条纹频率就降低。如果物体远离干涉仪运动，条纹频率就大于40 MHz，则可以确定被测物体运动方向。从原理上可以看出，激光测振仪既可以测量速度也可以测量位移。测量位移时，不是把多普勒频移转变为与速度成正比的电压，而是在数探测器上形成明暗条纹，故位移解调更适合低频运动，速度解调适合高频运动，所以振动的最大幅值可以表达为

v=2π×f×s

由上述公式可以看出，当频率很大时，很小的位移也可以产生很大的速度。

图2 激光测振仪原理

1.5 振动测试系统构建

采用德国Polytec公司的PDV-100激光测振仪进行测试，在被试件测试部位贴一层反光膜，将激光测振仪一束激光投射到被试件的反光膜上，通过收集反射回来的激光，利用多普勒效应原理，经干涉产生一个测量目标的表面速度的频移信号，信号处理器将频移信号转为位移、振动速度信号，实现表面振动的非接触测量。

试验采用ECON AVANT系列4通道便携式数据采集仪，每个通道同步采样频率为204.8 kHz，通道具备微积分功能，测试精度高，抗干扰能力强，在复杂的测试环境下，能采集到高精度数据。

2 汽车用电子机械喇叭振动测试

由于电喇叭通电运行时振动频率高，表面温度也会迅速升高，传统的加速度传感器很难固定在电喇叭表面上，很容易脱落，导致测试结果不精确，故采用激光测振仪非接触式方法对电喇叭进行测试。试验时，将电喇叭固定在支架上，激光测振仪连接数据采集仪放置在电喇叭正前方，调节相对位置，使激光测振仪信号强度达到最佳后，将电喇叭通电，光学头采集电喇叭速度信号，采集仪进行数据采集，由软件进行处理，得出电喇叭基频结果。

由图3可以得出电喇叭的基频测试值为490 Hz，电喇叭基频为500 Hz，相对误差为2%，说明激光测振仪能够较好地测量电喇叭的基频。