Hoàn thiện thiết kế, công nghệ chế tạo và lắp ráp dòng xe mini buýt thông dụng 6-8 chỗ ngồi mang nhãn hiệu Việt Nam - Thí nghiệm về rung vỏ xe và tiếng ồn trong cabin

BCN

VSAE

CATD

Bé C«ng nghiÖp

Héi Kü s− « t« ViÖt Nam

Trung t©m ph¸t triÓn c«ng nghÖ « t«

=====o0o=====

B¸o c¸o tãm t¾t khoa häc kü thuËt Dù ¸n

Hoµn thiÖn thiÕt kÕ, C«ng nghÖ chÕ t¹o vµ l¾p r¸p dßng xe mini

buýt th«ng dông 6 ÷ 8 chç ngåi mang nh∙n hiÖu ViÖt Nam

M· sè: KC.05.DA.13

PhÇn thÝ nghiÖm

ThÝ nghiÖm: 04

ThÝ nghiÖm vÒ rung vá xe

vµ tiÕng ån trong cabin

6091-11

07/9/2006

Hµ Néi, 06-2006

B¶n quyÒn 2006 thuéc Trung t©m Ph¸t triÓn C«ng nghÖ ¤ t«

§¬n vÞ sao chÐp toµn bé hoÆc tõng phÇn tµi liÖu nµy ph¶i göi ®Õn Gi¸m ®èc Trung

t©m Ph¸t triÓn C«ng nghÖ « t« trõ tr−êng hîp sö dông víi môc ®Ých nghiªn cøu

Môc lôc

1. §Æt vÊn ®Ò..........................................................................................................1

2. §Æc ®iÓm qu¸ tr×nh ®o vµ ph©n tÝch tÝn hiÖu rung, ån .......................................2

2.1 TÝn hiÖu ®o ......................................................................................................2

2.2 §Æc tr−ng kü thuËt ®o rung, ån « t« .........................................................5

2.3 BiÓu diÔn c¸c ®¹i l−îng ®o theo thêi gian khi ®o rung vµ ån ë « t« ........5

2.4 Ph©n tÝch tÝn hiÖu ®o .................................................................................7

2.5 S¬ ®å ®o rung, ån ....................................................................................10

2.6 Ph−¬ng ph¸p ®o.......................................................................................14

3. ThÝ nghiÖm ån, rung .......................................................................................14

3.1 Môc ®Ých thÝ nghiÖm ...............................................................................14

3.2 C¸c th«ng sè cÇn x¸c ®Þnh ®−îc sau thÝ nghiÖm ....................................15

3.3 Ph−¬ng ph¸p thÝ nghiÖm .........................................................................15

3.4 ChuÈn bÞ xe thÝ nghiÖm...........................................................................15

3.5 ThiÕt bÞ vËt t− thÝ nghiÖm .......................................................................16

3.6 §Þa ®iÓm, thêi gian, ®iÒu kiÖn, s¬ ®å thÝ nghiÖm....................................20

3.7 C¸c b−íc thùc hiÖn thÝ nghiÖm ..............................................................22

3.8 C¸c néi dung thÝ nghiÖm.........................................................................22

3.9 KÕt qu¶ thÝ nghiÖm..................................................................................25

3.10 TÝnh to¸n, xö lý kÕt qu¶ ®o ...................................................................25

3.11 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm .................................................................29

3.12 Mét sè h×nh ¶nh vÒ thÝ nghiÖm ............................................................32

PhÇn phô lôc

-1-

1. §Æt vÊn ®Ò

Rung ®éng vµ tiÕng ån cã quan hÖ mËt thiÕt víi nhau. TiÕng ån lµ mét phÇn

n¨ng l−îng rung ®éng cña kÕt cÊu truyÒn vµo kh«ng khÝ g©y ra sù biÕn thiªn ¸p

suÊt t¸c ®éng ®Õn c¸c c¬ quan thÝnh gi¸c cña con ng−êi. TiÕng ån, rung ®éng vµ

tiÕng va ®Ëp (NVH) ë « t« cã ¶nh h−ëng xÊu ®Õn con ng−êi tr−êng.

Trong « t«, rung ®éng vµ tiÕng ån lµ c¸c thuéc tÝnh cè h÷u, lu«n tån t¹i

cïng víi c¸c qu¸ tr×nh ®éng häc cña xe mµ kh«ng bao giê cã thÓ triÖt tiªu ®−îc.

C¸c nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm vÒ NVH ®Òu cã môc ®Ých gi¶m tèi ®a

c¸c ¶nh h−ëng cña nã, n©ng cao chÊt l−îng vµ tiÖn nghi cña xe.

§¸nh gi¸ c¸c tiªu chÝ NVH ph¶i tiÕn hµnh qua c¸c phÐp ®o thùc nghiÖm,

th−êng lµ ®o rung ®éng cña c¸c hÖ thèng, côm vµ ®o tiÕng ån cña chóng còng

nh− cña toµn xe. §o rung ®éng vµ tiÕng ån cña « t« lµ mét trong c¸c néi dung

quan träng ®¸nh gi¸ NVH, trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt, ®¸nh gi¸ kiÓm ®Þnh còng

nh− trong b¶o d−ìng söa ch÷a xe. §o rung ®éng th−êng nh»m ®¸nh gi¸ tr¹ng

th¸i lµm viÖc theo ®Æc tÝnh cña c¸c hÖ thèng, c¸c côm, x¸c ®Þnh nguån g©y ra

tiÕng ån vµ va ®Ëp. Møc rung qu¸ giíi h¹n cho phÐp t¹i c¸c côm, c¸c hÖ thèng

thÓ hiÖn sù bÊt th−êng trong qu¸ tr×nh vËn hµnh cña chóng, dùa trªn c¬ së ®ã ®Ó

chÈn ®o¸n c¸c h− háng cã thÓ xÈy ra. §o tiÕng ån do c¸c côm, hÖ thèng lµm

viÖc, hay do « t« g©y ra (tiÕng ån ngoµi, tiÕng ån trong ca bin) nh»m so s¸nh víi

c¸c tiªu chuÈn qui ®Þnh, x¸c ®Þnh c¸c giíi h¹n cho phÐp.

Mét trong c¸c néi dung thÝ nghiÖm cña Dù ¸n lµ c¸c nghiªn cøu ®o thùc

nghiÖm x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh rung cña c¸c tÊm panel vá xe nh− lµ nguån g©y ra

tiÕng ån bªn trong ca bin vµ møc tiÕng ån trong ca bin trong c¸c ®iÒu kiÖn vËn

hµnh cña xe.

§o møc rung vµ ån cña « t«, ®Æc biÖt lµ c¸c lo¹i xe con, xe chë kh¸ch ®·

®−îc tÊt c¶ c¸c nhµ s¶n xuÊt « t« quan t©m. Møc rung, ån cho phÐp cña « t« còng

®−îc hÇu hÕt c¸c h·ng s¶n xuÊt, c¸c quèc gia thùc hiÖn b»ng c¸c tiªu chuÈn

nh»m b¶o vÖ m«i tr−êng. Mét sè tiªu chuÈn c¸c n−íc trong lÜnh vùc nµy cã thÓ

thÊy nh− ΓOCT 7495-63 cña Liªn X« (cò) qui ®Þnh tiÕng ån bªn trong xe Buýt;

-2-

SAE J.986 (cña Héi kü s− « t« Mü) qui ®Þnh møc ån bªn ngoµi xe chë kh¸ch…

§Ó ®¸nh gi¸ theo c¸c tiªu chuÈn, cÇn ph¶i tiÕn hµnh c¸c phÐp ®o.

§Ó ®o rung c¸c kÕt cÊu « t«, ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p ®o gi¸n

tiÕp víi c¸c c¶m biÕn gia tèc kiÓu ¸p ®iÖn g¾n trùc tiÕp lªn nguån rung. §©y lµ

ph−¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt hiÖn nay, ®−îc c¸c h·ng chuyªn cung cÊp thiÕt bÞ ®o

nh− B&K (§an M¹ch), QUEST (Mü), RION (NhËt), STEYR (¸o) øng dông…

Ngoµi ra, hiÖn nay ®o rung kÕt cÊu « t« cßn ®−îc kÕt hîp víi kü thuËt ®o b»ng

chôp ¶nh giao thoa laser (holographic) nh− h·ng LMS cña BØ ®· triÓn khai. §ã lµ

kü thuËt ph¸t vµ thu ph¶n x¹ cña tia laser tõ bÒ mÆt rung cña kÕt cÊu, hÖ thèng ®o

kh«ng tiÕp xóc trùc tiÕp víi nguån rung.

§Ó ®¸nh gi¸ møc ån tæng thÓ bªn ngoµi cña « t«, c¸c c¶m biÕn ®o ©m

th−êng ®−îc ®Æt c¸ch trôc däc cña xe theo ®−êng ch¹y ë kho¶ng c¸ch 7.5 m vµ

cao 1.2 m so víi mÆt ®−êng. §Ó ®o tiÕng ån bªn trong vá xe « t«, ng−êi ta ®Æt

micr« t¹i nh÷ng ®iÓm n»m trªn ®−êng trôc cña xe ë ®é cao 0,7 m tÝnh tõ ®iÓm

gi÷a ghÕ ngåi. §èi víi nh÷ng « t« buýt cã trªn 6 hµng ghÕ vµ cã cabin t¸ch biÖt

th× viÖc ®o tiÕng ån ®−îc thùc hiÖn bªn trªn hµng ghÕ thø nhÊt, bªn trªn hµng ghÕ

cuèi cïng vµ ë gi÷a c¸c hµng ghÕ ®ã. Trong cabin ng−êi ta ®o møc tiÕng ån phÝa

trªn ghÕ ngåi cña ng−êi l¸i xe [4, 13].

V× nhiÒu lý do ë n−íc ta ch−a cã nhiÒu c¸c tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ rung, ån ®èi

víi « t«. HiÖn míi chØ cã tiªu chuÈn qui ®Þnh ph−¬ng ph¸p ®o vµ giíi h¹n cho

phÐp cña c¸c møc ån ngoµi ®èi víi ph−¬ng tiÖn giao th«ng ®−êng bé trong c«ng

t¸c ®¨ng kiÓm [14].

Mét sè c¸c b¸o c¸o nghiªn cøu gÇn ®©y cña c¸c t¸c gi¶ trong n−íc [3] còng

chØ nghiªn cøu kh¶o s¸t c¸c vÊn ®Ò tiÕng ån giao th«ng do « t« ph¸t ra bªn ngoµi

m«i tr−êng cïng c¸c ¶nh h−ëng cña nã. Ch−a cã tµi liÖu nµo ®Ò cËp ®Õn tiÕng ån

bªn trong, kÓ c¶ tiªu chuÈn tiÕng ån trong cña c¸c xe chë kh¸ch.

2. §Æc ®iÓm qu¸ tr×nh ®o vµ ph©n tÝch tÝn hiÖu rung, ån.

2.1. TÝn hiÖu ®o

C¸c th«ng sè cña tÝn hiÖu cã thÓ thay ®æi theo thêi gian hoÆc thay ®æi theo

nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c. Tuy nhiªn trong kü thuËt ®o l−êng nãi chung vµ khi ®o

-3-

rung ån ë « t«, c¸c tÝn hiÖu ®o th−êng ®Òu lµ c¸c tÝn hiÖu thay ®æi theo thêi gian,

ký hiÖu lµ x(t). Mçi mét ®−êng cong biÓu diÔn kÕt qu¶ ®o theo thêi gian cña mét

lÇn ®o ®−îc gäi lµ mét thÓ hiÖn (h×nh 1).

H×nh 1: Mét thÓ hiÖn cña phÐp ®o dÞch chuyÓn theo thêi gian

TÝn hiÖu ®o thay ®æi theo thêi gian cã thÓ chia lµm 2 lo¹i: TÝn hiÖu kh«ng

ngÉu nhiªn vµ tÝn hiÖu ngÉu nhiªn. Trong ®ã tÝn hiÖu kh«ng ngÉu nhiªn chØ lµ

tr−êng hîp riªng cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn.

TÝn hiÖu kh«ng ngÉu nhiªn l¹i cã thÓ chia thµnh hai lo¹i: tÝn hiÖu tiÒn ®Þnh

vµ tÝn hiÖu gÇn tiÒn ®Þnh, trong ®ã tÝn hiÖu tiÒn ®Þnh lµ tÝn hiÖu ®· biÕt qui luËt

thay ®æi còng nh− gi¸ trÞ c¸c th«ng sè cña nã. Trong thùc tÕ c¸c tÝn hiÖu kh«ng

ngÉu nhiªn th−êng lµ c¸c tÝn hiÖu gÇn tiÒn ®Þnh, lµ lo¹i tÝn hiÖu ®· biÕt tr−íc qui

luËt thay ®æi theo thêi gian nh−ng kh«ng biÕt mét hay vµi th«ng sè mµ ta cÇn

ph¶i ®o nã.

TÝn hiÖu ngÉu nhiªn lµ tÝn hiÖu mµ gi¸ trÞ cña nã t¹i mçi thêi ®iÓm lµ ®¹i

l−îng ngÉu nhiªn, lµ mét hµm ngÉu nhiªn theo thêi gian.

H×nh 2: C¸c d¹ng tÝn hiÖu trong ®o l−êng

-4-

Khi xÐt c¸c ®Æc tÝnh sè cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn, theo [1,2,10], c¸c tÝnh chÊt

quan träng nhÊt cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn lµ tÝnh dõng vµ tÝnh ªrg«dic cña tÝn hiÖu

ngÉu nhiªn dõng.

Mét tÝn hiÖu ngÉu nhiªn ®−îc gäi lµ dõng theo nghÜa hÑp nÕu nh− hµm mËt

®é x¸c xuÊt cña nã ( ) n n n W x ,t ; x ,t ;...; x ,t 1 1 2 2 víi n bÊt kú, kh«ng thay ®æi khi dÞch

chuyÓn c¸c thêi ®iÓm t1, t2,..tn däc theo trôc thêi gian. Tøc lµ víi n vµ τ bÊt kú ta

lu«n cã:

( ) = ( + +τ +τ +τ ) n n n n n n W x ,t ; x ,t ;...; x ,t W x ,t x ; x ,t ;...; x ,t 1 1 2 2 1 1 2 2 (1)

NÕu nh− ®Æc tÝnh nµy kh«ng bÊt biÕn th× tÝn hiÖu ngÉu nhiªn ®−îc gäi lµ

kh«ng dõng theo nghÜa hÑp.

Mét tÝn hiÖu ngÉu nhiªn dõng ªrg«dic lµ tÝn hiÖu ngÉu nhiªn dõng mµ bÊt

kú ®Æc tr−ng thèng kª nµo nhËn ®−îc b»ng c¸ch lÊy trung b×nh theo tËp hîp tÊt

c¶ c¸c thÓ hiÖn cã thÓ cã t¹i mét thêi ®iÓm (vÝ dô t1) ®Òu b»ng ®Æc tÝnh thèng kª

®ã khi lÊy trung b×nh theo kho¶ng thêi gian ®ñ lín (T) tõ mét thÓ hiÖn duy nhÊt

cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn dõng ®ã.

-

H×nh 3: LÊy trung b×nh theo tËp hîp vµ theo thêi gian

Do vËy khi ®o mét tÝn hiÖu ngÉu nhiªn ®Ó ph©n tÝch, th−êng ph¶i kiÓm tra

tÝnh dõng, tÝnh ªrg«dic cña tÝn hiÖu ®o ®−îc. NÕu tÝn hiÖu lµ tÝn hiÖu dõng,

ªrg«dic th× phÐp ®o chØ cÇn xÐt mét thÓ hiÖn duy nhÊt vµ lÊy trung b×nh theo

kho¶ng thêi gian T ®ñ lín thay cho viÖc lÊy trung b×nh theo tËp hîp nhiÒu thÓ

hiÖn t¹i mét thêi ®iÓm, ®iÒu mµ trong thùc tÕ ®o l−êng rÊt khã thùc hiÖn bëi khi

®o th−êng chØ nhËn ®−îc mét thÓ hiÖn cña tÝn hiÖu ngÉu nhiªn x(t). C¸ch kiÓm

t1 T t

Xt

-5-

tra ®iÒu kiÖn ®ñ ®Ó tÝn hiÖu ngÉu nhiªn dõng ªrg«dic ®−îc xÐt theo kú väng to¸n,

ph−¬ng sai vµ hµm t−¬ng quan cña chóng ®−îc tr×nh bµy kü trong [1]. Theo ®ã,

trong thùc tÕ c¸c tÝn hiÖu ngÉu nhiªn phÇn lín ®Òu tho¶ m·n ®iÒu kiÖn dõng,

ªrg«dic.

2.2. §Æc tr−ng kü thuËt ®o rung, ån « t«

a. §¹i l−îng ®o:

+ §¹i l−îng mong muèn:

* DÞch chuyÓn cña c¸c tÊm panel vá xe (®é vâng uèn), vËn tèc, gia tèc vµ

tÇn sè dao ®éng cña chóng.

* C¸c møc ¸p suÊt ©m, møc ©m trong ca bin t¹i c¸c vÞ trÝ ®Çu ng−êi ngåi.

+ §¹i l−îng ®o trùc tiÕp:

* Gia tèc dao ®éng vá xe

* ¸p suÊt ©m t¹i c¸c vÞ trÝ ®Çu ng−êi ngåi trong ca bin

b. §iÒu kiÖn ®o:

+ §iÒu kiÖn lµm viÖc b×nh th−êng trong d¶i tèc ®é sö dông cña xe « t«.

+ §iÒu kiÖn thêi tiÕt tèt, ®¶m b¶o theo TCVN qui ®Þnh.

c. §¬n vÞ ®o:

§¬n vÞ ®o hÖ SI. m/s2

(gia tèc); N/m2

, Pa (¸p suÊt), m (dÞch chuyÓn)

2.3. BiÓu diÔn c¸c ®¹i l−îng ®o theo thêi gian khi ®o rung vµ ån ë « t«

a. Khi ®o rung:

- Møc cña tÝn hiÖu rung ®éng theo thêi gian cã thÓ biÓu diÔn theo nhiÒu

c¸ch kh¸c nhau (H×nh 4). §Ó x¸c ®Þnh biªn ®é dao ®éng so víi tr¹ng th¸i c©n

b»ng ng−êi ta dïng c¸c gi¸ trÞ møc ®Ønh hoÆc møc ®Ønh toµn phÇn. Khi cÇn x¸c

®Þnh n¨ng l−îng cña tÝn hiÖu rung, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c gi¸ trÞ b×nh

ph−¬ng trung b×nh (RMS).

- X¸c ®Þnh c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng rung ®éng:

C¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cña rung ®éng lµ: gia tèc a (m/s2

); vËn tèc v (m/s);

dÞch chuyÓn d (m). Ba ®¹i l−îng nµy quan hÖ chÆt chÏ víi nhau vµ nÕu biÕt mét

trong ba ®¹i l−îng, chóng ta cã thÓ t×m c¸c ®¹i l−îng cßn l¹i b»ng c¸c biÓu thøc

tÝch ph©n (hoÆc ®¹o hµm) theo thêi gian (H×nh 5).

-6-

H×nh 4: BiÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ theo thêi gian khi ®o rung.

H×nh 5: X¸c ®Þnh vËn tèc vµ dÞch chuyÓn khi biÕt gia tèc rung.

b. Khi ®o ån:

Nh− tr×nh bµy t¹i c¸c phÇn tr−íc, c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng khi ®o x¸c ®Þnh

mét nguån ©m lµ: C«ng suÊt P (W); C−êng ®é I (W/m2

) vµ ¸p suÊt ©m p (Pa =

N/m2

). Trong tr−êng ©m tù do, khi biÕt mét trong ba ®¹i l−îng nµy, cã thÓ x¸c

®Þnh hai ®¹i l−îng cßn l¹i theo c«ng thøc ®−îc tr×nh bµy trong h×nh 6.

H×nh 6: X¸c ®Þnh c−êng ®é theo c«ng suÊt vµ ¸p suÊt ©m

trong tr−êng ©m tù do.

-7-

Do hÇu hÕt c¸c micr« trong c¸c thiÕt bÞ ®o hiÖn nay ®−îc sö dông cã ®¸p

øng víi ¸p suÊt [7,8], nh−ng còng nh− phÇn tr−íc ®· ph©n tÝch, ¸p suÊt ©m trong

d¶i nghe thÊy cña con ng−êi lµ thay ®æi trong mét ph¹m vi rÊt réng, tõ 10-6 Pa

(ng−ìng nghe thÊy nhá nhÊt) ®Õn 100 Pa (ng−ìng ®au), kho¶ng ®o theo ®¬n vÞ

¸p suÊt thay ®æi lín nh− vËy g©y phiÒn to¸i, phøc t¹p nªn ng−êi ta dïng thang ®o

logarit sÏ thuËn tiÖn h¬n. ViÖc chuyÓn ®æi thang ®o nh− thÕ ®−îc m« t¶ trong

h×nh 7.

H×nh 7: ChuyÓn ®æi thang ®o tuyÕn tÝnh sang thang ®o logarit

2.4. Ph©n tÝch tÝn hiÖu ®o.

TÝn hiÖu ®o x(t) nh− ®· tr×nh bµy ®−îc biÓu diÔn trong miÒn thêi gian, ®ã lµ

c¸ch biÓu diÔn th«ng th−êng nhÊt. Ph©n tÝch tÝn hiÖu trong miÒn thêi gian ®−îc

gäi lµ phÐp ph©n tÝch t−¬ng quan. Tuy nhiªn, trong c¸c bµi to¸n kü thuËt nãi

chung, tÝn hiÖu ®o trong miÒn thêi gian kh«ng cung cÊp cho chóng ta th«ng tin

cÇn thiÕt, ch¼ng h¹n khi x¸c ®Þnh tÇn sè kÝch thÝch céng h−ëng cña kÕt cÊu. Do

vËy, cÇn ph¶i chuyÓn ®æi ®Ó biÓu diÔn tÝn hiÖu trong miÒn tÇn sè x(f) víi f lµ

th«ng sè nghÞch ®¶o cña thêi gian. PhÐp ph©n tÝch tÝn hiÖu trong miÒn tÇn sè

®−îc gäi lµ phÐp ph©n tÝch phæ.

Thùc chÊt cña phÐp ph©n tÝch phæ lµ t×m hµm mËt ®é phæ n¨ng l−îng Sx(f)

(lµ hµm biÓu diÔn sù ph©n bè n¨ng l−îng cña tÝn hiÖu däc theo trôc tÇn sè) ®−îc

®Þnh nghÜa: 2

S ( f ) X ( f ) x = (2)

Nh− vËy ®Ó x¸c ®Þnh hµm mËt ®é phæ cÇn x¸c ®Þnh hµm x(f). Cã c¸c

ph−¬ng ph¸p sau ®©y ®Ó x¸c ®Þnh nã:

-8-

- NÕu x(t) lµ c¸c tÝn hiÖu tiÒn ®Þnh hay gÇn tiÒn ®Þnh, cã thÓ biÓu diÔn b»ng

c¸c biÓu thøc gi¶i tÝch th×:

( ) ∫

∞

−∞

− X f = x t e dt j 2πft ( ) (3)

- NÕu x(t) lµ c¸c tÝn hiÖu ngÉu nhiªn dõng, ªrg«dit th× cÇn ph¶i sö dông

thuËt to¸n biÕn ®æi Furiª rêi r¹c DFT mµ thuËt to¸n tÝnh nhanh cña nã lµ biÕn ®æi

Furiª nhanh FFT.

PhÐp biÕn ®æi Furiª rêi r¹c (DFT) ®−îc viÕt d−íi d¹ng:

∑

−

=

− Ω Ω = 1

0

( ) ( )

N

k

jnk Te X n Te x kTe e

Víi T = NTe vµ

NTe N

Te Te 2π 2π Ω = = . Khi ®ã sÏ cã:

∑

−

=

−

Ω = 1

0

2

( ) ( )

N

k

N jnk

X n Te x kTe e

π

(4)

Trong ®ã: Te – b−íc rêi r¹c ho¸ tÝn hiÖu x(t);

Ω - phæ rêi r¹c cña tÝn hiÖu X(f);

Nh−îc ®iÓm cña DFT lµ sè l−îng phÐp tÝnh qu¸ lín, do vËy ng−êi ta th−êng

dïng phÐp biÕn ®æi Furiª nhanh (FFT).

Víi mét d·y sè xk bÊt kú, cã thÓ biÕn ®æi Furiª rêi r¹c theo biÓu thøc:

∑

−

=

−

= 1

0

2 N

k

N jnk

n k X x e

π

(5)

V× xk cho tr−íc lµ mét d·y sè nªn trong biÓu thøc nµy kh«ng cã thµnh phÇn

b−íc rêi r¹c ho¸ Te víi N lµ sè ch½n.

NÕu chia xk thµnh hai d·y sè: gi

cho c¸c sè ch½n vµ hi cho c¸c sè lÎ, mçi d·y

cã N/2 thµnh phÇn. Sö dông DFT cho mçi d·y sè:

∑

−

=

−

=

1 2

0

N 4

k

N jkn

n k G g e

π

(6)

∑

−

=

−

=

1 2

0

N 4

k

N jkn

n k H h e

π

(7)

-9-

H×nh 8: S¬ ®å rêi r¹c ho¸ thùc hiÖn FFT

§Æt: N

j

W e

2π −

= th× c¸c c«ng thøc (5) ®Õn (7) cã thÓ viÕt l¹i:

∑

−

=

= 1

0

N

k

nk Xn xkW ; ∑

−

=

=

1 2

0

2

N

k

nk Gn gkW ; ∑

−

=

=

1 2

0

2

N

k

nk Hn hkW (8)

TÊt c¶ c¸c thµnh phÇn cña d·y sè xk ®Òu cã trong d·y gk vµ hk nªn cã thÓ

viÕt:

∑ ∑∑ [ ]

−

=

−

=

−

=

+ = + = + = +

1 2

0

1 2

0

1 2

0

2 (2 1) 2 2

N

k

N

k

N

k

n

n

n

kn

k

kn n

k

k n

k

kn Xn gkW h W g W W h W G W H (9)

C«ng thøc (3-9) ®óng trong tr−êng hîp khi 1

2

≤ − N

n . Khi 1

2

≥ − N

n th×:

2 2

N n

n

N n

Xn G W H − −

= +

XÐt 2 . 2 2 2 .

N N n N N n n W W W W

⎟

⎠

⎞ ⎜

⎝

⎛ ⎟ − ⎠

⎞ ⎜

⎝

⎛ − +

= =

V×: cos .sin 1 2

. 2

2 = = = − = − − −

π π π

π

W e e j j

N

N

j N

. Tõ ®ã cã

⎟

⎠

⎞ ⎜

⎝

⎛ −

= − 2

N n n W W .

VËy khi 2

N

n ≥ th×:

2

2

2

N n

N n

N n

Xn G W H −

⎟

⎠

⎞ ⎜

⎝

⎛ −

−

= − (10)

hk

t

h0 h1 h2 h3

c)

gk

t

g0

g1

g2

g3

b)

xk

t

X0

X1

X2

X3

X4

X5 X6

X7

a)

-10-

Gi¶ sö cã N gi¸ trÞ cÇn tÝnh th× sö dông DFT th«ng th−êng sÏ ph¶i tÝnh 2N2

phÐp tÝnh, cßn nÕu sö dông FFT sè l−îng phÐp tÝnh lµ N log2 N

2

3 . NÕu N>1000

th× thuËt to¸n FFT sÏ gi¶m khèi l−îng phÐp tÝnh kho¶ng 100 lÇn [1].

Trong thùc tÕ ë c¸c thiÕt bÞ ®o vµ ph©n tÝch tÝn hiÖu, ®Ó x¸c ®Þnh hµm mËt

®é phæ, ng−êi ta th−êng dïng c¸c bé läc tÝn hiÖu theo tÇn sè, víi ®é réng c¸c d¶i

läc kh¸c nhau [10] nh− sÏ ®−îc tr×nh bµy ë phÇn sau.

2.5. S¬ ®å ®o rung vµ ån.

§Ó thùc hiÖn ®−îc qu¸ tr×nh ®o rung vµ ån, s¬ ®å ®o kh«ng thÓ thiÕu c¸c

thµnh phÇn nh− s¬ ®å khèi cÊu tróc nªu ra d−íi ®©y:

H×nh 9: S¬ ®å khèi cña m¹ch ®o rung, ån.

Tõng khèi trong s¬ ®å thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng nh− sau:

2.5.1. ChuyÓn ®æi s¬ cÊp

ChuyÓn ®æi s¬ cÊp lµ thiÕt bÞ thùc hiÖn mét quan hÖ hµm ®¬n trÞ gi÷a ®¹i

l−îng vµo (kh«ng ®iÖn) thµnh mét ®¹i l−îng ra (®¹i l−îng ®iÖn) víi mét ®é chÝnh

x¸c nhÊt ®Þnh. Trong kü thuËt ®o l−êng, cÇn ph¶i cÊu thµnh chuyÓn ®æi s¬ cÊp ®Ó

®¶m b¶o hµm quan hÖ nµy lµ tuyÕn tÝnh. Bé chuyÓn ®æi ®−îc ®Æt trong mét vá,

hép cã kÝch th−íc vµ h×nh d¹ng kh¸c nhau phï hîp víi n¬i ®Æt cña ®iÓm ®o t¹o

thµnh mét dông cô gäi lµ ®Çu ®o (cßn gäi lµ c¶m biÕn hoÆc sensor)

a. ChuyÓn ®æi s¬ cÊp khi ®o rung

Th−êng sö dông nhÊt lµ c¸c chuyÓn ®æi ¸p ®iÖn thuËn, víi viÖc sö dông c¸c

vËt liÖu ¸p ®iÖn nh− th¹ch anh, titanatbari … v× c¸c chuyÓn ®æi nµy cã c¸c tÝnh

n¨ng tèt nh−: ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh tèt, khèi l−îng nhá, ®é nh¹y cao, d¶i lµm viÖc

réng, chèng va ®Ëp tèt, dÔ l¾p ®Æt,…

-11-

Khi phÇn tö ¸p ®iÖn bÞ va ®Ëp bëi khèi ®Ëp víi lùc biÕn thiªn, trªn bÒ mÆt

cña nã xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn tÝch. C¸c ®iÖn tÝch nµy trë thµnh tÝn hiÖu t−¬ng øng víi

lùc (gia tèc) va ®Ëp. H×nh sau ®©y m« t¶ ®Çu ®o gia tèc kiÓu ¸p ®iÖn B&K 4384

®−îc sö dông trong thÝ nghiÖm.

H×nh 10: CÊu t¹o vµ kÝch th−íc cña c¶m biÕn gia tèc ¸p ®iÖn B&K 4384

b. ChuyÓn ®æi s¬ cÊp khi ®o ån

ChuyÓn ®æi s¬ cÊp khi ®o tiÕng ån th−êng dïng lµ c¸c micro dùa trªn

nguyªn t¾c biÕn ®æi ®iÖn dung. Nguyªn t¾c nµy dùa trªn sù t¸c ®éng t−¬ng hç

gi÷a hai ®iÖn cùc, t¹o thµnh mét tô ®iÖn. §iÖn dung cña tô ®iÖn thay ®æi d−íi t¸c

dông cña ®¹i l−îng vµo. BiÕn thiªn cña ¸p suÊt kh«ng khÝ lµm cho mµng rung

rung, lµm thay ®æi khe hë kh«ng khÝ gi÷a mµng rung vµ tÊm sau cña tô ®iÖn, kÕt

qu¶ lµm thay ®æi ®iÖn dung cña nã. H×nh vÏ d−íi ®©y m« t¶ kÕt cÊu cña mét

micro kiÓu ®iÖn dung nh− thÕ.

H×nh 11: KÕt cÊu cña micr« kiÓu ®iÖn dung [8]

-12-

2.5.2. KhuyÕch ®¹i

Do tÝn hiÖu ®Çu ra cña c¸c c¶m biÕn cã trë kh¸ng cao trong khi møc tÝn hiÖu

nhá nªn trong m¹ch ®o th−êng sö dông khuyÕch ®¹i tr−íc khi ®−a vµo thiÕt bÞ

®o. Chøc n¨ng cña bé tiÒn khuyÕch ®¹i lµ:

- BiÕn ®æi trë kh¸ng

- KhuyÕch ®¹i

- ChuyÓn tÝn hiÖu ra víi ®é nh¹y phï hîp víi thiÕt bÞ ®o.

H×nh d−íi ®©y thÓ hiÖn mét bé tiÒn khuyÕch ®¹i cho micro kiÓu ®iÖn dung

H×nh 12: Micro víi bé tiÒn khuyÕch ®¹i

2.5.3. Bé läc tÝn hiÖu

Nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, tÝn hiÖu ®o ®−îc theo thêi gian nhiÒu khi kh«ng

cung cÊp ®ñ c¸c th«ng tin cÇn thiÕt, khi ®ã cÇn tiÕn hµnh ph©n tÝch phæ, thùc chÊt

lµ t×m hµm mËt ®é phæ cña chóng. Trong c¸c thiÕt bÞ ®o, th−êng sö dông c¸c bé

läc tÇn sè víi thang ®o tÇn sè tuyÕn tÝnh hoÆc l«garit. §Æc tr−ng cña mçi bé läc

lµ b¨ng th«ng (®é réng) tÇn sè B = f2 - f1 víi tÇn sè trung t©m f0. H×nh d−íi m« t¶

c¸c ®Æc tr−ng cña bé läc lý t−ëng vµ thùc tÕ.

Mét bé läc lý t−ëng chØ cho c¸c tÝn hiÖu cã tÇn sè n»m trong b¨ng th«ng (tõ

f1 ®Õn f2) ®i qua nã. C¸c bé läc tÇn sè trong thùc tÕ cho phÐp c¶ nh÷ng tÝn hiÖu

n»m ngoµi b¨ng th«ng ®i qua, tuy r»ng h×nh d¹ng cña nã bÞ suy biÕn. B¨ng th«ng

cña c¸c bé läc trong thùc tÕ cã thÓ chia lµm hai lo¹i: lo¹i b¨ng th«ng 3 dB vµ lo¹i

b¨ng th«ng läc nhiÔu.