Vibrace (motor, pračka, hard disk)
Použité senzory: Akcelerometr (funkce "Spektrum zrychlení")
Kategorie: Mechanika
Potřeby: aplikace Phyphox, auto, hard disk, (pro měření doma pračka)
Teorie:
Počet otáček motoru za minutu (RPM – revolutions per minute, neboli otáčky za minutu) je klíčovou veličinou při analýze výkonu a chování motoru. V motoru se otáčení rozkládá mezi více válců a zapalovací cykly nejsou synchronní. Pokud máme informace o konkrétním motoru, mohou být vibrace motoru být analyzovány pro získání informací o jeho otáčkách. Chytrý telefon s akcelerometrem dokáže zachytit tyto vibrace a pomocí spektrální analýzy určit jejich frekvenci.
Aplikace využívající Fourierovu transformaci převádějí časovou doménu signálu do frekvenční domény. Zde můžeme pozorovat dominantní frekvence, které odpovídají vibracím vytvářeným motorem. V experimentu se zaměříme na měření těchto frekvencí a jejich převedení na otáčky motoru.
Postup
V aplikaci Phyphox přejděte do experimentu "Spektrum zrychlení" a do záložky "Historie". Klikněte na tlačítko "Play" v pravém horním rohu. Chytrý telefon umístěte na palubní desku auta (popř. jiný pevný povrch, který přenáší vibrace z motoru) nejlépe tak, abyste viděli na jeho displej. Zapněte motor a postupně zvyšujte otáčky. V aplikaci sledujte spektrum zaznamenaných frekvencí. Snažte se vytvořit 2D graf tak, abyste alespoň u dvou časů znali otáčky, které vyčtete na palubní desce. Dominantní frekvence, která odpovídá vibracím motoru, se zvyšuje s růstem otáček.
Tato frekvence může být převedena na otáčky za minutu (RPM) vynásobením odpovídajícím faktorem, který závisí na typu motoru a počtu válců.
Při analýze zohledněte frekvence odpovídající harmonickým signálům (například násobkům základní frekvence), které mohou vznikat vlivem mechanických rezonančních jevů nebo synchronizace některých částí motoru. Správná interpretace dat vyžaduje znalost základního vztahu mezi frekvencí vibrací a skutečnými otáčkami motoru.
V našem případě (Obr. 1 a 2) nejprve motor běžel na volnoběh (1 000 RPM) a poté byly otáčky zvýšeny na 1 500 RPM. Pokud tyto hodnoty vydělíme šedesáti (abychom získali frekvenci v Hz), dostaneme hodnoty 16,7 Hz a 25 Hz. To ale neodpovídá grafům, kde hodnoty cca 30 Hz a 50 Hz. Hodnoty z otáčkoměru musíme totiž vynásobit dvěma a to z důvodu, že v použitém typu auta jdou vždy dva a dva válce proti sobě, frekvence vibrací je tedy dvojnásobné oproti frekvenci otáčení motoru.
Obrázek 1. 2D graf spekter akcelerací motoru auta (vlevo), konkrétní příklad spektra v čase 30 s (vpravo) při 1 000 RPM.
Obrázek 2. 2D graf spekter akcelerací motoru auta (vlevo), konkrétní příklad spektra v čase 44,3 s (vpravo) při 1 500 RPM.
Poznámky
Během experimentu se ujistěte, že prostředí je klidné a nejsou přítomny jiné zdroje vibrací nebo zvuku, které by mohly ovlivnit výsledky.
Spektrální analýza je závislá na vzorkovací frekvenci telefonu (musíme alespoň trochu tušit, co nám má vyjít, jinak nevhodným nastavením přijdeme o správný výsledek). Pokud je tato frekvence příliš nízká, nemusí být možné přesně detekovat vysoké frekvence spojené s rychlými otáčkami motoru. V takovém případě tuto hodnotu můžete změnit v nastavení.
Měřit můžeme i další věci, které vibrují, např. kávovar. Konkrétní příklad je na Obr. 3. Proč vibruje právě s frekvencí 50 Hz?
Obrázek 3. 2D graf spekter akcelerací kávovaru (vlevo), konkrétní příklad spektra v čase 6,6 s (vpravo).
Demonstrační videa (v angličtině a němčině):