소리와 진동 측정은 환경 노이즈 테스트나 머신 컨디션 모니터링과 같은 다양한 어플리케이션에 있어 매우 중요하다. 가속도계와 마이크로폰은 둘 다 진동을 측정한다는 점에서는 같지만, 이를 측정하는 매체는 서로 다르다. 둘 모두 측정 하드웨어가 적절히 읽을 수 있는 신호를 생산하기 위해 유사한 신호 조정 조건이 필요하다. 일반적으로 데이터를 수집하고 나면, 사용자들은 더 의미 있는 형태의 데이터를 디스플레이하기 위해 추가적인 신호 처리 과정을 거친다. 예를 들어, 일반적으로 설비의 특정 부분의 결함을 나타내는 특별한 신호를 찾아 유지, 보수를 하기 위해서 진동 신호는 주파수 스펙트럼으로 전환된다. 다음에 나오는 세션은 사용자가 데이터로부터 인사이트를 얻을 수 있도록, 정확한 가속도계와 마이크로폰의 측정 그리고 데이터 기본 분석 기법에 대해 소개할 것이다.

가속도계가 생산하는 전하는 매우 작고, 센서가 방출하는 전자 신호는 노이즈에 매우 민감하기 때문에, 사용자는 이를 증폭시키고 신호 조정을 하기 위해서 반드시 민감한 전자 장치를 사용해야 한다. 압전기 가속도계는 높은 인피던스¹ 소스이기 때문에, 사용자는 낮은 노이즈와 높은 입력 인피던스, 그리고 낮은 출력 인피던스와 함께 전하증폭기2를 설계해야 한다.

통합 전자 압전기(Integrated Electronic Piezoelectric, IEPE) 센서는 향상된 노이즈 면역과 더 편리한 페키징을 보장하기 위해 가까운 전하 증폭기 또는 전압 증폭기를 통합한다. 그러나 이런 센서들은 내부의 회로망을 운용 위해 4-20mA 여기 전류를 필요로 한다.

앞서 언급되었듯이 IEPE센서는 증폭기에 전원을 공급하기위해서 외부 전류가 필요하다. 일반적인 IEPE 여기 값은 2.1mA, 4mA 그리고 10mA이다. 사용자는 센서의 운영을 위해서 디바이스 사용설명서에 명시되어 있는 IEPE지원 전류 값을 참고해야 한다.

가속도계와 마찬가지로, 마이크로폰도 외부나 내부로부터 전원을 공급 받을 수 있다. 외부 편향 콘덴서 마이크로폰은 외부 전원 공급으로부터 200V가 필요하다. 정격 전압에 전력을 공급할 때는 순수한 전원을 제공해야하고, 마이크로폰의 전력 수용 용량을 초과하지 않도록 전원을 공급해야 한다. 압전기 콘덴서 마이크로폰은 지속적인 전류 소스가 필요한 IEPE 전치 증폭기에 의해 전원이 공급된다.

IEPE 신호 조정을 사용하면 여기 전류와 센서 임피던스의 생산과 동일한 DC 오프셋 전압을 발생시킨다. 센서로부터 수집된 신호는 AC와 DC 컴포넌트로 구성이 되어 있고, DC 컴포넌트는 “0”으로부터 AC 컴포넌트를 상쇄 시킨다. Figure13에서 보듯이, 이는 측정의 분해능을 상당히 낮출 수 있다. 왜냐하면 AC 신호의 증폭은 ADC의 입력 범위를 포함 하지 않도록 제한되기 때문이다. 이 같은 문제는 교류 결합을 시행함으로써 해결할 수 있다. 또한 정전 결합(capacitive coupling)3으로 알려져 있는 교류 결합은 커퍼시터(capacitor)4를 신호와 함께 직렬로 사용한다. 이는 신호로부터 DC 컴포넌트를 필터링 하기 위해서 이다. 하드웨어에서 시행 될 때, 교류 결합은 AC 진폭 분해능과 사용가능한 채널의 다이나믹 영역(dynamic range)5을 향상 시키기 위해, 더 좁은 입력 범위를 적용하는 데 도움이 된다. 소프트웨어에서 시행 될 때에는 교류 결합은 유용하지 않은 신호 과정 통합, 피크 레벨, 그리고 RMS와 같은 측정 결과가 오류 난 곳의 DC 데이터를 제거 할 수 있다. 또한 교류 결합은 센서의 수명과 온도 영향 때문에 장기간의 DC 드리프트(drift)6를 약화 시킨다.

센서에 적절하지 않은 그라운딩은 측정 시스템 노이즈 소스를 생성해 그라운드 루프를 초래할 수 있다. 이는 측정 시스템의 입력 또는 센서를 그라운드 시킴으로써 해결할 수 있는데, 두 가지를 동시에 사용하는 것은 안 된다. 만약 센서가 그라운드 되어 있다면, 사용자는 반드시 이를 다르게 연결해야 한다. 만약 센서가 플로팅 되어 있다면, 반드시 측정 시스템의 반전 입력을 그라운드에 연결해야 한다.

알리아싱은 소리와 진동 측정을 할 때 있을 수 있는 흔한 고민거리이다. 표본화 정리에 따르면, 분석가능한 가장 높은 주파수는 나이퀴스트 주파수(fN)8이고, 이는 두 가지로 분리된 ADC의 샘플 주파수 이다. 어떤 아날로그 주파수 이건 나이퀴스트 주파수 보다 큰 것은 샘플링 후 “0”과 fN 사이 주파수로 나타난다. 초기 신호의 세부적인 정보 없이는, 실질적으로 “0”과 fN사이에 놓여있는 주파수들에서 알리아스 주파수를 구분할 수 없다.

보통 저역 필터는 알리아싱에서 생성되는 고주파 노이즈를 약화시킨다. 그러나 만약 필터의 롤오프(roll-off)9가 가파르지 않다면, 나이퀴스트 주파수 위에 있는 주파수들은 충분히 약화되지 않거나, 신호의 유효 부분으로 알리아스되어 회귀할 수 있다. 저역 필터의 형태인 안티 알리아스 필터는 빠른 롤오프와 플랫 패스밴드(passband)10에 의해 특정 되어진다. 이런 필터는 나이퀴스트 주파수 아래에 있는 주파수들을 보호하고, 위에 있는 신호들을 약화시킨다. 이런 저역 필터는 f3의 노이즈를 제거하지만, 느린 롤오프는 오직 알리아스 되어 신호로 회귀한 f2의 노이즈만 약화시킨다. 안티 알리아스 필터는 획득된 신호로부터 양 쪽 주파수 요소를 제거한다.

다이나믹 레인지는 동시에 디바이스가 측정할 수 있는 최대 값과 최소 값 사이의 비율을 정의한다. 데시벨(dB)로 표현 되는데, 다이나믹 레인지는 20log(Vmax/Vmin)이다. 예를 들어, ±10 V의 입력범위와 110dB보다 큰 다이나믹 레인지를 가진 디바이스는 보통 106전압비을 가지고 있는 것이다.

전통적 저분해능 ADC는 90Db의 다이나믹 레인지를 제공하는 16비트를를 일반적으로 가지고 있었다. 대부분의 센서는 110Db 또는 더 높은 다이나믹 레인지를 제공하기 때문에, 16비트 디바이스는 센서의 측정 전자 노이즈에 묻혀 있는 낮은 단계의 신호 전체 범위를 측정하지 못 한다. 24비트 분해능의 계측은 다이나믹 레인지의 120dB까지 제공할 수 있어, 작은 신호들의 감지와 센서의 최대값을 얻을 수 있다.

노이즈 매핑, 충격 시험, 그리고 소리 세기 측정과 같은 일부 어플리케이션에서는, 두 개의 채널들 사이의 위상 정보가 매우 중요하다. 이런 경우 동시 샘플링이 필요하며, 이는 아날로그에서 디지털로 전환이 동시에 수행되어야 함을 의미한다.

같은 규모에서 사용자가 크고 작은 구성요소를 보여주고자 할 때, 스칼라와 스팩트럼 결과를 표시하기위해 데시벨과 같은 상대 단위를 사용한다. 예를 들어, table2에서 보듯이, 위스퍼의 소리출력은 로켓 엔진과 비교되어 있다. 이런 값들을 비교하는 것은 대수 눈금 사용을 쉽게 관리할 수 있게 한다.



진폭 값 측정: 리니어 단위에서 상대 단위로 전환하기위해 다음의 방정식을 dB에서 사용한다.



출력 값 측정: 리니어 단위에서 상대 단위로 전환하기위해 다음의 방정식을 dB에서 사용한다.



음압 레벨과 저조파 옥타브 스펙트럼과 같은 음향 측정을 보고하기위해 일반적으로 dB 기준 상대 단위는 20 μPa 청력 역치에 사용된다. 음력 측정을 위한 기준은 1pW이다. 주파수 응답 측정을 위해, 사용자는 종종 dB의 기준으로 하나의 이득을 사용한다. 이런 경우에, 마이너스 dB 값 크기는 감쇠를 나타내며, 플러스 dB 값은 이득을 그리고 0dB은 하나의 이득에 방정식을 나타낸다. 각 측정 도메인은 상세 기준을 사용하기 때문에 dB로 결과를 보고할 때는 세부 dB 기준이 필요하다.

IEPE 센서를 긴 케이블과 함께 사용할 때, 케이블 내 추가된 커패시턴스(capacitance)11는 고주파수 컨텐츠의 일부 필터링에 의해 센서의 주파수 응답에 영향을 미칠 수 있다. 더구나 노이즈와 디스토션(distortion)12이 측정 신호에 들어가면, 케이블 커패시턴스를 드라이브하기위한 충분한 전류를 가지지 못 하게 된다. 일반적으로 사용자가 IEPE 센서를 긴 케이블과 함께 사용하고자 할 때는, 100ft(30m)이상의 케이블 길이를 사용하면서 10kHz이상의 주파수 영역에 관심이 있는 지에 대해 고민해 볼 필요가 있다.

긴 케이블의 영향을 정확히 파악하기 위해서, 고주파수 전기 특성을 실험적으로 알아내야 한다. 센서와 직렬로 있는 낮은 출력 인피던스 증폭기의 단위 이익에 기대되는 신호의 최대 증폭을 공급하기위해 발전기 기능을 사용해야 한다. 최초 신호 비율을 범주내에서 측정된 신호 비율과 비교해 보자. 만약 신호가 약화 된다면, 사용자는 전류를 증가시켜 1:1의 비율이 될 때까지 신호를 드라이브 해야 한다. 공급이 초과되지 않고, 실험에서 온도를 높이지 않도록 주의해야 한다. 케이블에 의해 사용되지 않은 전류는 내부 전기 동력을 위해 사용되고, 이는 열을 발생시켜, 센서가 최고 온도를 초과하는 것을 야기한다.

TEDS 케이블 센서는 자가 확인 EEPROM을 내장하고 있는데, 이는 파라미터와 센서 정보 테이블을 저장한다. EEPROM은 검정과, 감도, 그리고 센서 제조사 데이터를 포함하고 있다. 센서에 이런 파라미터들이 저장됨과 함께, TEDS 호환되는 계측은 프로그램으로 설치된 센서와 직접적으로 커뮤니케이션이 가능하다. TEDS 호환성 소프트웨어는 검정 실험실 또는 센서 제조사에 의해 제공되는 다항식 기능으로부터 자동적으로 스케일 한다. 더 많은 IEEE 1451.4 표준 또는 어떻게 TEDS가 작동하는지에 대해 궁금하다면 이 문서의 마지막 TEDS 세션을 참고해라.

만약 적절히만 사용 되어진다면 마이크로폰은 꽤 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있다. 마이크로폰의 부품들은 잘 못 된 사용으로 인해 깨지기 쉽고, 쉽게 손상을 받을 수 있다. 다음에는 마이크로폰의 정확한 측정을 유지 할 수 있는 팁들을 소개하고 있다.

• 순서 없는 목록항상 측정을 시작하기 전에 마이크로폰을 포함한 전체 측정 체인에 대해 검정해라. 추가 예방책으로써 사용자는 측정이 완료된 즉시 시스템이 허용오차 내에서 확인 가능한지 새로운 검증을 원할 것이다.
• 외부 측정에서, 마이크로폰은 주위 환경으로부터 적절히 보호 받을 수 있도록 설치 되어야 한다. 이는 우천, 새로부터 보호되고 응결을 방지하기 위한 히터가 내장되어 있어야 한다.
• 측정 영향으로부터 보호받기 위해, 완충 마운터가 필요하다. 마이크로폰의 진동 민감도를 반드시 확인해라
• 재생할 수 있는 측정을 위해, 마이크로폰은 가능한 장소에 테스트 유닛과 주변 환경에 비교하여 단단하고 정교하게 설치되어야 한다.
• 손을 이용하거나 삼각대를 이용한 측정을 위해, 마이크로폰 연장선을 사용하는 것은 의도하지 않은 반사를 줄이는 데 도움이 된다.

아마도 소리와 진동에 연관된 가장 기본적인 측정 분석은 레벨(Level)일 것이다. 소리와 진동 레벨 측정은 타임 도메인 신호로 할 수 있다. RMS(Root Mean Square)는 역동적으로 변화하는 소리와 진동 신호의 에너지를 측정한다. 사용자는 다음의 식으로 RMS를 계산할 수 있다.



일반적인 소리 레벨 측정은 음압 레벨이다. 이 값은 항상 20μPa(인간 청력 한계 값)의 기준 압력과 연관되어 표현된다.

평균 기본 측정의 가장 큰 문제점은 평균 간격을 위해 선택한 길이에 기초해 측정이 달라진다는 것이다. 그렇기 때문에 음압 레벨과 같은 측정에 표준 간격이 있는 것이다. RMS를 찾기 위해서 리니어 평균과 지수 평균(exponential averaging)15, 이 두가지 방법을 사용할 수 있다.

리니어 평균 또는 Leq(equivalent continuous sound level)은 소리 레벨 측정을 위한 타임 평균 프로세스의 하나이다. 리니어 평균에서 모든 포인트는 시간의 한정된 기간에 균등하게 분포되어 있다. 이는 일반적으로 주어진 환경에서 장기간 노출을 측정하기 위해 사용되었다. 사용자는 정해진 시간과 시간 간격 분할에 걸친 신호의 제곱을 통합함으로써 Leq를 계산할 수 있다. 그 결과는 가상적으로 안정된 소리를 나타내는데, 이는 소리가 측정될 때와 같은 에너지 값을 나타낸다.

지수 평균은 지속적 평균 프로세스로 현재와 과거 데이터를 다르게 편중 시킨다. 현재 데이터와 비교해 과거 데이터에 편중된 양은 지수 시간 상수에 따라 달라진다. 이는 지수 함수적으로 감쇠하는 윈도우의 경사를 정의한다.

지수 평균 모드는 다음의 표준 시간 상수를 지원한다.

• 순서 없는 목록Slow: 1,000ms의 시간 상수를 사용한다. 슬로우 평균은 신호의 음압 레벨과 아주 느린 음압 레벨을 추적하는 데 유용하다.
• Fast: 125ms의 시간 상수를 사용한다. 패스트 평균은 신호의 음압 레벨과 아주 빠른 읍압 레벨을 추적하는 데 유용하다.
• Impulse: 만약 신호가 증가한다면 35ms의 아주 빠른 시간 상수를 사용하고 신호가 떨어지면 1,500ms의 아주 느린 시간 상수를 사용한다. 임펄스 평균은 음압 레벨이 갑자기 증가하는 것을 추적할 때와, 증가를 기록 할 때 유용하게 사용된다. 이를 통해서 변화를 기록할 수 있다.