4. 旋转机械振动噪声信号采集
振动噪声诊断的第一步不是算法，而是把机械表面的运动与空气压力变化忠实地转换成可被计算机处理的电压序列。这一步做不好，后续的频谱分析、阶次追踪、包络解调都会建立在失真的数据上。本节围绕传感器选型、加速度计与传声器布置、采样定理、抗混叠滤波、数据采集系统搭建以及现场测试注意事项展开，目标是让读者能够独立完成一次可信的旋转机械振动噪声采集。
一、传感器选型：先明确测什么物理量
旋转机械的振动测量主要涉及三类物理量：加速度、速度和位移。加速度计（压电式为主）频响宽、体积小、动态范围大，适合滚动轴承故障、齿轮啮合、冲击类信号；速度传感器对中低频振动敏感，常用于旋转机械整体振动烈度评价；位移传感器（电涡流式）非接触测量，适合监测轴相对轴承间隙的轴心轨迹与油膜涡动。选型时需同时关注四个参数：灵敏度、频响范围、量程和安装谐振频率。
以常见的 IEPE 压电加速度计为例，灵敏度 100 mV/g、频响 0.5 Hz～10 kHz、量程 ±50 g、谐振频率约 30 kHz。若被测对象是转速 3000 r/min 的电机，其基频为 50 Hz，重点关注 10 倍频以内即 500 Hz 附近的啮合与轴承特征，该传感器完全覆盖。但若测量的是高速齿轮箱，啮合频率可能达到 3～5 kHz，需选择频响上限更高的型号，并确认安装后的实际可用带宽不超过谐振频率的 1/3～1/5。
传声器选型关注灵敏度（如 50 mV/Pa）、频率范围（20 Hz～20 kHz）、动态范围与声场类型。自由场传声器用于消声室或远场测量，压力场传声器用于封闭腔体或耦合器校准，无规入射传声器适合混响环境。现场噪声测量通常还需加装风罩，抑制气流引起的伪声。
二、加速度计与传声器布置
加速度计的布置原则是“就近、刚性、方向明确”。轴承座是旋转机械振动最集中的部位，应优先在轴承座垂直、水平、轴向三个方向布置测点。安装方式直接影响高频响应：钢螺栓安装最佳，可用频带上限最高；磁座安装方便但会降低高频响应，且易在低频段引入附加共振；蜂蜡或双面胶仅适合临时、低温、低量程场合。安装面应平整、清洁，必要时涂薄层耦合剂。
传声器布置需考虑声源指向性与背景噪声。测量机器辐射噪声时，传声器应距机器表面一定距离（如 1 m），并避免放在强反射面附近。若需定位噪声源，可采用声强探头或传声器阵列。单点测量时，应记录传声器高度、方向与机器相对位置，保证多次测量可比。
三、采样定理与抗混叠滤波
采样定理指出：若信号最高频率为 fmax，采样频率 fs 必须大于 2fmax，否则高频成分会折叠到低频，形成混叠。工程实践中不会刚好取 2 倍，而是取 2.5～5 倍，为滤波器过渡带留出余量。例如关注 5 kHz 以内的振动信号，可选 fs = 25.6 kHz，此时奈奎斯特频率为 12.8 kHz，抗混叠滤波器截止频率设为 10 kHz，过渡带从 10 kHz 到 12.8 kHz，足以让滤波器在奈奎斯特频率前充分衰减。
抗混叠滤波器必须放在 ADC 之前，且应为模拟低通滤波器。若只在数字域做低通，混叠已经发生，无法恢复。常见配置是每通道独立模拟抗混叠滤波，截止频率可随采样率切换。对于 IEPE 加速度计，调理电路通常还包含 0.5 Hz 高通，用于去除传感器偏置和低频漂移。
四、数据采集系统搭建
一套完整的采集系统包括传感器、线缆、信号调理器、数据采集卡、同步时钟和上位机软件。搭建时按以下顺序检查：
- 确认传感器供电方式。IEPE 加速度计需要 2～20 mA 恒流源，供电电压通常 18～30 V，采集卡或调理器需支持 IEPE 供电。
- 设置通道增益与量程。根据预估振动幅值选择量程，避免 ADC 溢出，同时保留足够信噪比。例如预估 10 g 峰值，选 ±20 g 量程。
- 配置采样率与抗混叠截止频率。按关注频带上限的 2.5～5 倍设置 fs，并同步设置模拟滤波器。
- 接入转速脉冲信号。用光电或磁电转速传感器输出每转一个脉冲，与振动通道同步采集，便于后续阶次分析。
- 检查本底噪声。在传感器静止、安装于被测对象但不运行的状态下采集一段数据，观察噪声幅值是否远小于预期信号。
五、现场测试注意事项
现场环境远比实验室复杂，以下问题最容易导致数据不可用：
- 接地环路：传感器、调理器、采集卡和计算机若多点接地，会引入 50 Hz 工频干扰。应保证整个系统单点接地，必要时使用绝缘安装座或差分输入。
- 线缆抖动：加速度计电缆在振动环境下会产生摩擦电效应，表现为低频噪声。应使用低噪声电缆并可靠固定，避免线缆在测点附近晃动。
- 电磁干扰：变频器、电机动力线、电焊机等强电磁源会耦合到信号线。信号线应远离动力线，采用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地。
- 工况记录：每次采集必须记录转速、负载、温度、测点编号和方向。没有工况标注的振动数据无法进行趋势对比和故障定位。
- 数据完整性：保存原始时域数据，不要只存频谱。原始数据可用于后续重采样、滤波、包络分析，而频谱一旦生成就丢失了相位和时域信息。
完成一次可信采集后，数据才具备进入频谱分析、阶次追踪和故障诊断的价值。传感器选型决定了能测到什么，布置决定了信号强弱与方向，采样与滤波决定了频率范围是否干净，系统搭建与现场控制决定了数据是否可用。这五个环节环环相扣，任何一处疏忽都会在后续分析中被放大为误判。