振幅的線性與對數刻度

2021-02-25 普迪美狀態監測

大家似乎認為最好是用線性刻度來觀察振動譜,因為這是實際測量振幅的真實表示。線性刻度使人們很容易看到和評估頻譜中最大的分量,但非常小的分量可能會被完全忽略,或者稍好些,也是難以確定幅值。在同一頻譜中,肉眼能看到的小成分大約是最大成分的1/50,但任何比這個更小的成分基本上都看不到。換言之,眼睛的動態範圍大約是50比1。

 

線性刻度對頻率分量都是差不多大小的情況可能是適當的,但在機器振動的情況下,一些部件如軸承故障開始時產生非常小的信號振幅。如果我們要很好地對這些頻譜成分的水平進行趨勢分析,最好是採用振幅的對數,而不是振幅本身。這樣,我們可以很容易地顯示和直觀地解釋至少5000比1的動態範圍,或者比線性刻度的效果好100倍以上。

 

為了說明不同類型的振幅表示,相同的振動特徵將顯示在線性和兩種不同類型的對數振幅刻度。可以說,在觀察線性頻譜時,人眼睛的動態範圍約為34分貝。

線性幅值刻度

 

請注意,這個線性譜很好地顯示了較大的峰值,但較低水平的信息丟失了。在機械振動分析時,我們通常感興趣的是頻譜中較小的成分,例如對於滾動元件軸承進行診斷的情況。

 

下面的頻譜繪製的是振動水平的對數,而不是值本身。

對數幅值刻度

 

由於這個頻譜是對數振幅刻度,乘以任何常數值只是將頻譜在屏幕上向上平移,而不改變其形狀或各分量之間的關係。

 

信號水平的乘法在對數尺度上轉換為加法,這意味著,如果振動信號的放大量改變,頻譜的形狀不會受到影響。這一事實大大簡化了在不同放大係數下測取的對數頻譜的可視化解釋 — 曲線簡單地在圖上向上或向下平移。對於線性刻度,頻譜的形狀會隨著不同的放大程度而急劇變化。

 

下一個頻譜以分貝表示,分貝是一種特殊的對數刻度,在振動分析中非常重要。

分貝刻度

 

分貝(dB)

分貝對振動測量和聲學測量是非常有用的。

 

分貝或dB刻標度一種方便的「對數」刻度,它實際上是一個比率刻度,它將測量到的振幅與參考水平聯繫起來。

 

分貝(dB)由如下表達式定義:

式中:  

LdB= 信號水平dB

L1 = 加速度、速度或位移的振動水平

Lref = 參考水平,相當於0 dB

 

貝爾電話實驗室在1930年前提出了分貝的概念,它開始被用於測量電話線的相對功率損耗和信噪比。它很快就被用作測量聲壓級的工具。

 

振動速度dB值縮寫為VdB,定義為: 

參考水平或「0 dB」,10e-9 m/s是足夠小的,我們在機器上的所有測量將得到正dB數。這個標準參考水平使用SI,或「公制」系統單位,但在美國和其他英語國家不被認可為標準。(美國海軍和許多美國工業使用10e-8 m/s為零分貝參考值,使他們的讀數比SI的讀數高出20分貝)

 

VdB是振動幅值的對數標度,它使得相對測量很容易進行。任何6分貝水平增加都表示振幅增加了一倍,與初始水平無關。同樣,任何20dB的變化都表示水平的變化是原來的十倍。因此,無論測量值的絕對水平如何,任何恆定的水平比都被視為刻度上的一定距離。這使得評估振動頻譜數據趨勢變得非常容易;6分貝的增長總是表示兩倍的量級。

 

dB值 vs. 幅值比

下表對應 dB值和幅值比:

dB改變

線性幅值比

0

1

3

1.4

6

2

10

3.1

12

4

18

8

20

10

24

16

30

31

36

60

40

100

50

310

60

1000

70

3100

80

10000

100

100000

強烈建議振動分析師使用VdB作為振動振幅刻度,因為與線性振幅單元相比,分析者可以獲得更多的信息。此外,與傳統的對數刻度相比,dB值更容易讀取。

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