Giới thiệu
Những rung động và tín hiệu âm thanh ngẫu nhiên dội lại khắp mọi nơi xung quanh chúng ta và hầu hết chúng ta coi chúng chỉ là tiếng ồn. Tuy nhiên, việc xác định và giám sát một số “tiếng ồn” này có thể mang lại lợi ích. Ví dụ: tín hiệu âm thanh của các máy cơ khí điều khiển các quá trình quan trọng như máy bơm nước công nghiệp, máy nén lớn, thiết bị quay lớn, tua-bin và hệ thống băng tải có thể cung cấp manh mối về thời gian ngừng hoạt động. Một số tín hiệu cơ động có thể đo được dưới dạng lực kéo, lực nén và lực xoắn có thể có dấu hiệu hư hỏng tiềm ẩn. Chúng bao gồm các lực động xảy ra trên các cấu trúc chính của cây cầu, sự thay đổi độ cong trên cánh của máy bay khi bay qua vùng nhiễu loạn không khí hoặc ứng suất xoắn của thanh treo trong ô tô khi đang lái xe.
Việc đo các tín hiệu này cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi đặc trưng của một rung động ngẫu nhiên đứng yên. Tín hiệu rung ngẫu nhiên cố định thường có đặc tính ngẫu nhiên không đổi theo thời gian – ví dụ, tần số của vòng bi trong máy quay. Nếu chúng ta biết hành vi tốt của một dao động ngẫu nhiên đứng yên, chúng ta có thể phân tích và hiểu các dao động ngẫu nhiên của một máy quay đang bị mòn theo thời gian và dự đoán sự hỏng hóc của nó.
Lợi ích của việc phân tích âm thanh và độ rung
Phân tích âm thanh và độ rung là một ngành khoa học đo lường mang lại cho các ngành công nghiệp nhiều lợi ích khác nhau, bao gồm cải thiện độ tin cậy và an toàn, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể. Dưới đây là năm lợi ích chính mà phân tích âm thanh và độ rung mang lại cho các kỹ sư và nhà thiết kế.
1. Phát hiện và chẩn đoán lỗi sớm
Việc sử dụng phân tích âm thanh và độ rung để phát hiện và chẩn đoán lỗi sớm đã được cải tiến trong những năm gần đây nhằm kết hợp trí tuệ nhân tạo và học máy (AI/ML) để dự đoán lỗi máy móc công nghiệp. Do đó, nó ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và hư hỏng thiết bị đắt tiền. Hình 1 là mô hình cấp cao của hệ thống chẩn đoán và phát hiện lỗi sớm.[1]
![](https://www.manufacturingtomorrow.com/images/upload/images/keysight.jpg)
Hình 1. Phương pháp AI/ML trong đào tạo và dự đoán hệ thống phát hiện lỗi sớm
2. Độ tin cậy và an toàn
Khi chu trình thiết kế sản phẩm kết hợp phân tích âm thanh và độ rung, các kỹ sư thiết kế và phát triển sẽ thu được rất nhiều thông số động vật lý. Thông tin này giúp họ đưa ra các quyết định ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của sản phẩm, chẳng hạn như xác nhận ứng suất động của cánh tuabin, dự đoán độ hao mòn của ổ bi, hiệu suất khớp nối trục cơ học và độ cứng xoắn của thân ô tô.
3. Giảm thời gian dừng hoạt động và hệ thống
Hệ thống không có kế hoạch và thời gian ngừng hoạt động có thể tốn kém. Ví dụ, thời gian ngừng hoạt động tại một nhà máy sản xuất ô tô có thể tiêu tốn khoảng 2 triệu USD mỗi giờ.[2] Nghiên cứu các xu hướng phân tích âm thanh và độ rung trước đây của máy móc trong nhà máy sản xuất có thể giúp bạn xác định phân tích vòng đời của các bộ phận và tạo ra lịch trình bảo trì được lên kế hoạch trước.
4. Hiệu quả và tiết kiệm chi phí
Phân tích âm thanh và độ rung của các bộ phận quay hoặc chuyển động cơ học quan trọng có thể giúp tiết kiệm chi phí thông qua cái được gọi là giám sát tình trạng và bảo trì dự đoán. Quá trình này tránh được thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, giảm thiểu chi phí sửa chữa và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Phân tích âm thanh và độ rung cũng có thể giúp xác định những điểm yếu trong máy móc cơ khí. Tìm cách khắc phục điểm yếu của máy móc có thể nâng cao hiệu suất và hiệu quả.
5. Sản phẩm chất lượng tốt hơn
Hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều tiến hành kiểm tra tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt (NVH). NVH truyền vào cabin càng ít thì cảm giác lái càng tốt. Người lái xe và hành khách thường cảm nhận những chiếc xe có NVH thấp hơn là được thiết kế tốt hơn và có chất lượng cao hơn.
NVH cũng tìm thấy các ứng dụng dành cho người dùng cuối trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng. Các lĩnh vực quan tâm là ghi lại động lực học cấu trúc chuyến bay và phân tích tiếng ồn âm thanh của cabin và động cơ phản lực.[3] Ví dụ, khi một máy bay chiến đấu thực hiện một động tác cơ động cực độ, phi công và máy bay sẽ chịu lực g cao. Động cơ phản lực cực kỳ ồn ào và phi công có thể không chịu nổi nếu tiếng ồn của máy bay phản lực không giảm trong giai đoạn thiết kế.[4]
Cách giám sát, thu thập và phân tích tín hiệu động
Nhu cầu phân tích độ rung và tiếng ồn âm thanh ngày càng tăng dẫn đến sự phát triển của hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) có thể đóng vai trò là thiết bị ghi dữ liệu và giám sát cảm biến đa kênh phổ quát. Các hệ thống như vậy kết hợp các tính năng như bộ số hóa đa kênh đồng bộ, bộ phân tích miền tần số sử dụng biến đổi Fourier nhanh và khả năng dao động thời gian thực băng thông mức thấp. Hình 2 hiển thị biểu đồ thác nước 3D về dấu hiệu rung động miền tần số trong hệ thống quay bắt nguồn từ việc lấy mẫu định kỳ các tín hiệu rung động từ hệ thống quay được chuyển đổi thành dữ liệu miền tần số trong thời gian thực.
![](https://www.manufacturingtomorrow.com/images/upload/images/keysight1.jpg)
Hình 2. Giám sát tình trạng của hệ thống quay
Hiện có nhiều loại cảm biến để theo dõi, thu thập và phân tích các tín hiệu động có tính chất âm thanh. Chúng bao gồm từ các cảm biến áp điện đơn giản và thô sơ đến các cảm biến công nghiệp có độ chính xác và độ tin cậy cao tuân thủ các tiêu chuẩn Áp điện Điện tử Tích hợp (IEPE). Cảm biến tuân thủ IEPE với bộ tiền khuếch đại tích hợp giúp loại bỏ nhu cầu về bộ tiền khuếch đại độc lập cũng như hệ thống dây điện và chi phí liên quan.
![](https://www.manufacturingtomorrow.com/images/upload/images/keysight2.jpg)
Hình 3. Sơ đồ đo âm thanh và độ rung
Hình 3 cho thấy các yêu cầu cơ bản của thiết lập đo âm thanh và độ rung, bao gồm một bộ cảm biến tuân thủ công nghiệp hoặc nhiều bộ cảm biến và hệ thống DAQ hỗ trợ cảm biến IEPE. Các hệ thống DAQ như vậy cung cấp dòng điện không đổi trực tiếp tới nguồn.
Hệ thống DAQ cũng có thể cung cấp các trình kích hoạt sự kiện để thu thập dữ liệu động, xử lý trước và lưu trữ dữ liệu cũng như truyền dữ liệu đã định dạng sang PC để thực hiện công việc phân tích sau. Hầu hết các hệ thống DAQ hiện đại đều đi kèm với phần mềm ứng dụng DAQ PC có thể điều khiển một hệ thống hoặc nhiều hệ thống DAQ với nhiều cảm biến, tùy thuộc vào công suất và khả năng mở rộng của phần cứng. Phần mềm có thể cấu hình tất cả các cảm biến và hệ thống DAQ trực tiếp từ PC. Nó cũng có thể giám sát và ghi lại tất cả các tín hiệu đầu ra của cảm biến và hiển thị chúng trên biểu đồ đồ họa trên màn hình PC. Việc định dạng và xuất dữ liệu đã thu thập cho phép thực hiện công việc phân tích sau bằng MATLAB hoặc bất kỳ phần mềm phân tích dữ liệu thống kê nào.
Bản tóm tắt
Lợi ích của việc thu thập thông tin chi tiết thông qua phân tích âm thanh và độ rung là rất lớn. Chúng bao gồm việc phát hiện lỗi sớm để cải thiện độ tin cậy và an toàn, khả năng tránh thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, hiệu quả và tiết kiệm chi phí cao hơn cũng như chất lượng sản phẩm tốt hơn.
Việc lựa chọn cảm biến và hệ thống DAQ phù hợp là điều cần thiết. Đảm bảo hệ thống DAQ của bạn cung cấp tính linh hoạt, khả năng tương thích và hiệu suất để đáp ứng các yêu cầu khắt khe nhất.
![](https://www.manufacturingtomorrow.com/images/upload/images/keysightauthor.jpg)
Bernard Ang
Giám đốc tiếp thị sản phẩm
Công nghệ Keysight
Bernard Ang đã làm việc cho Keysight Technologies (trước đây là Hewlett Packard và Agilent Technologies) trong hơn 30 năm. Bernard giữ các vai trò trong kỹ thuật thử nghiệm sản xuất, kỹ thuật sản phẩm, quản lý dòng sản phẩm, quản lý phát triển sản phẩm, quản lý hỗ trợ sản phẩm và tiếp thị sản phẩm. Anh hiện là nhà tiếp thị sản phẩm tập trung vào hệ thống thu thập dữ liệu, đồng hồ vạn năng kỹ thuật số và giải pháp sản phẩm giáo dục. Bernard nhận bằng Cử nhân Kỹ thuật Điện của Đại học Nam Illinois, Carbondale, Illinois.
Người giới thiệu:
[1] Song, Wenbin, Weiming Shen, Liang Gao và Xinyu Li. “Phương pháp phát hiện lỗi sớm của máy quay dựa trên Mạng thần kinh chuyển đổi phân đoạn trình tự không được giám sát.” Giao dịch của IEEE về Thiết bị và Đo lường 71 (2022), 1-12. doi:10.1109/tim.2021.3132989.
[2] “Chi phí ngừng hoạt động trong sản xuất: Thông tin chi tiết và ý nghĩa.” Evocon. Sửa đổi lần cuối vào ngày 21 tháng 11 năm 2023. https://evocon.com/articles/cost-of-downtime-in-manufacturing-insights-implications/.
[3] Thị trường thử nghiệm tiếng ồn, độ rung và độ khắc nghiệt toàn cầu (NVH), Dự báo đến năm 2024. Frost & Sullivan, 2020. https://store.rost.com/global-noise-vibration-and-harshness-nvh-testing-market-forecast- đến-2024.html.
[4] Bharath, YK, G. Chitralekha, S. Veena, H. Lokesha, KV Nagalakshmi và U. Dilna. “Hệ thống kiểm soát tiếng ồn chủ động mạnh mẽ dành cho ứng dụng mũ bảo hiểm phi công máy bay chiến đấu.” Khoa học máy tính Procedia 89 (2016), 690-699. doi:10.1016/j.procs.2016.06.037.
Nguồn: https://www.manufacturingtomorrow.com/story/2024/06/beyond-noise-the-5-benefits-of-acoustic-and-vibration-analysis-/22886/ .