激光測振儀在汽車用電喇叭基頻測試中的應(yīng)用

徐子軒，盧金，羅熠，潘建安，王慶祥，吳茜，林振淼

中汽檢測技術(shù)有限公司，廣東廣州 510530)

0 引言

隨著激光技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，激光測振儀具有能實現(xiàn)較遠距離非接觸式測量、速度快、精度高、量程大、抗干擾能力強等突出優(yōu)點，在航空航天、汽車制造、兵器船舶等行業(yè)得到迅速的推廣應(yīng)用。

目前我國汽車行業(yè)處于高速發(fā)展階段，中國汽車產(chǎn)業(yè)在自主創(chuàng)新方面大步邁進，取得了突出成就，自主創(chuàng)新已成為眾多車企的共識，但缺少對核心部件測試技術(shù)的關(guān)注，自主創(chuàng)新的核心技術(shù)還亟待突破，因此開展激光測振儀在汽車電氣部件測試上的應(yīng)用研究十分重要。

本文作者根據(jù)激光測振儀的結(jié)構(gòu)特點，以常見的汽車用電喇叭為例，提出相應(yīng)的測試方法，從而提高試驗過程的穩(wěn)定性，保證測試結(jié)果準確可靠。

1 激光測振儀工作原理和特點

1.1 激光測振儀的特點

激光測振儀相比傳統(tǒng)接觸式傳感器具有特點如下：(1)無接觸式高精度測量被測物體的振動頻率和幅值。(2)可以對多個測試點進行速度采集。(3)不受限于材質(zhì)和材料狀態(tài)(高溫)。(4)可實現(xiàn)對微小物體和困難位置的單方向振動測試。(5)可實現(xiàn)較遠距離的測量。(6)甚至可以測試液體表面的振動以及很小很輕的物體。

1.2 激光測振儀工作原理

激光測振儀是由激光多普勒干涉儀、信號處理器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，激光器發(fā)出具有一定頻率的偏振光，由分光鏡分成兩路，一路作為測量，一路作為參考，測量光通過聲光調(diào)制器后具有一定頻移，被聚焦到被測物體表面，被測物體振動引起頻移，系統(tǒng)收集反射光與參考光匯聚在傳感器上，此兩束光產(chǎn)生干涉后，信號處理器將頻移信號轉(zhuǎn)換為速度信號，可實現(xiàn)加速度、速度、頻率、振動幅值的精密測量。

1.3 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)存在每個人身邊，例如在高速上行駛時，當快速行駛的車輛經(jīng)過行人時，鳴笛的音調(diào)就會發(fā)生變化。圖1描述了一個移動聲源的多普勒效應(yīng)。

圖1 一個移動聲源的多普勒效應(yīng)

圖1表示了一個汽車電喇叭的3種狀態(tài)：靜止狀態(tài)，向右移動和向左移動。從喇叭起源的曲線代表在某一個觀察時刻的振動強度。喇叭右邊的一個觀察者聽到的頻率是喇叭本身產(chǎn)生的頻率；在圖(b)所示的情況下，喇叭向著觀察者移動(v>0)，聲波被壓縮，結(jié)果聽到的頻率比喇叭本身產(chǎn)生的頻率高；相應(yīng)在圖(c)所示的情況下，聽到的頻率比喇叭本身產(chǎn)生的頻率低。如果波被一個移動物體反射回來被測試系統(tǒng)接收(激光測振儀的工作原理就是上述情況)，波的頻移可以表示為

fD=2×v/λ

其中：v是物體移動速度；λ是聲源產(chǎn)生的波長。為了得到物體的速度，先計算多普勒頻移，在激光測振儀中通過激光干涉儀實現(xiàn)的。

1.4 激光干涉儀

如圖2所示：基于光學干涉基本原理，從光源發(fā)出的激光被分光鏡(BS1)分成參考光和測量光；測量光經(jīng)過分光棱鏡(BS2)后聚焦到被測物體。從被測物體反射回來的光被BS2反射到BS3，與參考光在這里重合后傳輸?shù)教綔y器。由于參考光的光程是固定的，所以被測物體移動就在探測器上形成明暗條紋，一個完整的明暗條紋對應(yīng)著物體移動了激光的半個波長。單位時間內(nèi)光程的改變意味著多普勒頻移，所以干涉條紋的調(diào)制頻率與被測物體的移動速度成正比。當物體遠離干涉儀時產(chǎn)生的條紋與物體靠近干涉儀時產(chǎn)生的條紋是一樣的，則不能決定物體的運動方向，所以在參考光路中放置一個聲光調(diào)制器，將光的頻率調(diào)成40 MHz。當物體靜止時，將產(chǎn)生一個40 MHz的干涉條紋。如果物體向著干涉儀移動，條紋頻率就降低。如果物體遠離干涉儀運動，條紋頻率就大于40 MHz，則可以確定被測物體運動方向。從原理上可以看出，激光測振儀既可以測量速度也可以測量位移。測量位移時，不是把多普勒頻移轉(zhuǎn)變?yōu)榕c速度成正比的電壓，而是在數(shù)探測器上形成明暗條紋，故位移解調(diào)更適合低頻運動，速度解調(diào)適合高頻運動，所以振動的最大幅值可以表達為

v=2π×f×s

由上述公式可以看出，當頻率很大時，很小的位移也可以產(chǎn)生很大的速度。

圖2 激光測振儀原理

1.5 振動測試系統(tǒng)構(gòu)建

采用德國Polytec公司的PDV-100激光測振儀進行測試，在被試件測試部位貼一層反光膜，將激光測振儀一束激光投射到被試件的反光膜上，通過收集反射回來的激光，利用多普勒效應(yīng)原理，經(jīng)干涉產(chǎn)生一個測量目標的表面速度的頻移信號，信號處理器將頻移信號轉(zhuǎn)為位移、振動速度信號，實現(xiàn)表面振動的非接觸測量。

試驗采用ECON AVANT系列4通道便攜式數(shù)據(jù)采集儀，每個通道同步采樣頻率為204.8 kHz，通道具備微積分功能，測試精度高，抗干擾能力強，在復(fù)雜的測試環(huán)境下，能采集到高精度數(shù)據(jù)。

2 汽車用電子機械喇叭振動測試

由于電喇叭通電運行時振動頻率高，表面溫度也會迅速升高，傳統(tǒng)的加速度傳感器很難固定在電喇叭表面上，很容易脫落，導(dǎo)致測試結(jié)果不精確，故采用激光測振儀非接觸式方法對電喇叭進行測試。試驗時，將電喇叭固定在支架上，激光測振儀連接數(shù)據(jù)采集儀放置在電喇叭正前方，調(diào)節(jié)相對位置，使激光測振儀信號強度達到最佳后，將電喇叭通電，光學頭采集電喇叭速度信號，采集儀進行數(shù)據(jù)采集，由軟件進行處理，得出電喇叭基頻結(jié)果。

由圖3可以得出電喇叭的基頻測試值為490 Hz，電喇叭基頻為500 Hz，相對誤差為2%，說明激光測振儀能夠較好地測量電喇叭的基頻。

圖3 測試軟件示意

3 結(jié)論

經(jīng)過實踐測試，采用激光測振儀測試電喇叭的基頻，測量準確度高，相比于傳統(tǒng)加速度傳感器貼在被測物體表面上，更加方便、實用，不改變物體狀態(tài)且無附加質(zhì)量在被測物體上，可靠性更強。