风扇升速振动测试试验分析

1.测试装置

测试对象为一个四磁极电动机驱动的包含七个叶片的计算机CPU的冷却风扇，测试其升速产生的振动信号，其加速信号由NI公司提供（原装置中本来有转速脉冲信号，但未能获得）。信号通过NI公司的PXI数据采集系统采集，包括24通道，每通道24位的动态信号采集，如图18-29所示。

图18-29 采集CPU风扇升速振动信号使用的NI PXI数据采集系统

由于电动机中有四个磁极，因此将推拉轴4次/转，故在运行时将会产生四倍于转速，即四阶的谐波以及相应的8、12等阶次谐波。此外，由于风扇由七个叶片组成，风扇的七个叶片通过传感器7次/转，因此还将观察到第7、14等阶次，也就是转速的7、14倍等谐波成分。

2.测试分析

（1）频谱分析 图18-30是该CPU风扇升速振动信号的时域波形和频谱。可以看出其频谱存在严重的频率模糊现象。

图18-30 CPU风扇升速振动信号的时域波形和频谱

图18-31 CPU风扇升速振动信号的STFT时频谱

（2）时频分析 图18-31是该风扇升速振动信号的STFT时频谱，从该时频谱图上可以清楚地看到某一瞬时所对应的频率成分及其分布情况。

（3）转速估计 图18-32是该风扇升速振动信号用瞬时频率估计法和转速计算方法得到的转速曲线。从时频谱上也可以看出，第四阶分量在整个分析时间范围内都很突出，因此这里选择第四阶分量进行峰值搜索，以进行瞬时频率估计。

（4）阶比谱分析 图18-33是该风扇升速振动信号的角域波形和阶比谱。要观察某一转速附近的阶比谱，可以从转速—阶比谱中，在该转速的剖面获得。从该图可以清楚地看到第四、七、八阶等分量。这与测试装置和风扇的结构特征完全吻合，说明重采样得到的角域信号完全正确。

图18-32 基于瞬时频率估计的CPU风扇升速曲线(www.xing528.com)

图18-33 CPU风扇升速振动信号的角域波形和阶比谱

（5）转频谱阵 图18-34是该风扇升速振动信号的转速频率谱阵。从图上可以清楚地看到某一转速所对应的频率成分及其分布情况。

（6）转阶谱阵 图18-35是该风扇升速振动信号的转速阶比谱阵。从转阶谱图上可以清楚地看到某一转速所对应的阶比成分及其分布情况。

这里为了说明自行开发的仪器的正确性，使用NI公司的阶比分析工具箱计算的计算机CPU风扇升速振动信号的色谱图，如图18-36所示，与前面的结果进行了对比。因为测试对象都是同一计算机CPU风扇升速过程，这两组信号都是NI的PIX采集系统采集的，只是采集的信号和分析的转速范围不同而也。因此，虽然不能进行定量的对比，但是可以进行定性的对比。

对比图18-31和图18-36a的时频谱，可以看出它们都能很好地反映某一时刻所对应的频率成分及其分布情况。对比图18-34和图18-36c的转频谱，可以看出它们都是一条条的斜线，可以很好地反映某一转速所对应的频率成分及其分布情况。对比图18-35和图18-36d的转阶谱，可以看出它们都是一条条的直线和双曲线，可以清楚地反映某一转速所对应的阶比成分，以及某一阶比随转速的变化情况。共振频率分量表现为图18-36中的双曲线。

（7）阶比分量提取 图18-37是提取该CPU风扇升速振动信号的第4.0阶分量的实现过程。该图从上到下从左到右依次由四副小图构成。第一副小图为该振动信号经滤波和降采样后的Gabor时频谱，第二副小图为对该时频谱进行遮掩后的Gabor系数，第三副小图为重构分量的Gabor时频谱，第四副小图为重构的第4.0阶分量。比较第二副和第三副小图，可以看出，遮掩后的Gabor系数和重构分量的Gabor变换所得的Gabor系数非常接近，说明采用的算法可有效提取阶比分量。

图18-34 CPU风扇升速振动信号的转速频率谱阵

图18-35 CPU风扇升速振动信号的转速阶比谱阵

图18-36 NI公司的阶比分析工具箱计算的CPU风扇升速振动信号的色谱图

图18-37 提取CPU风扇升速振动信号第4.0阶分量的实现过程