Czym jest modulacja amplitudy ?

Modulacja amplitudy (ang. amplitude modulation) jest zjawiskiem często spotykanym w dziedzinie monitorowania kondycji czy diagnostyki elementów obracających się. Bardzo często występuje w przypadku pojawienia się usterek przekładni zębatych lub łożysk (czym zajmę się w detalach w nadchodzących wpisach).

Modulacja amplitudy jest zjawiskiem dosyć prostym w swej naturze i czytelnie manifestuje swoją obecność zarówno w dziedzinie czasu jak i częstotliwości. Wyobraź sobie, że siedzisz na karuzeli, która obraca się z częstotliwością 10 razy na sekundę (10Hz) i wydajesz z siebie pewien dźwięk radości. Dla prostoty demonstracji załóżmy, że sygnał jest sinusoidalny, ma stałą częstotliwość (100Hz) i stałą amplitudę (1). Sygnał widzimy na rysunku poniżej.

A jego spektrum wygląda tak:

Osoba która obraca Twoją karuzelę (czyli pozostaje w spoczynku względem Twojego ruchu) trzyma mikrofon i nagrywa to czym Ty go raczysz. Po chwili szalonej rozrywki idziecie do domu i po uprzednim zgraniu nagrania na komputer odsłuchujecie dzieło. Co słychać ? Pomimo, iż Ty wydawałeś dźwięk o stałej amplitudzie na nagraniu wyraźnie słuchać efekt Twojego oddalania się od mikrofonu i przybliżania się do niego. W dziedzinie czasu sygnał wyglądałby mniej więcej jak na rysunku poniżej.

Co się stało ? Wytłumaczenie jest proste – im bliżej Twoje gardło (źródło dźwięku) było mikrofonu, tym więcej energii zawartej w Twoim sygnale było przez ów mikrofon ‚zbieranej’. Im dalej odjeżdżałeś, tym nagrywany sygnał był słabszy, gdyż dźwięk musiał pokonać dłuższy dystans poświęcając na to pewną część własnej energii. Analizując rysunek powyżej wyraźnie widać, że Ty jako źródło dźwięku 10 razy na sekundę przybliżałeś się do mikrofonu po czym oddalałeś się. Twój odgłos został zmodulowany częstotliwością 10Hz z jaką obracała się karuzela. Spójrzmy w spektrum:

To co widać jest charakterystyczną oznaką modulacji amplitudowej: Twój sygnał radości widać niezmiennie w punkcie wskazującym 100Hz na osi częstotliwości, natomiast dodatkowe komponenty które pojawiły się po obu stronach naszego sygnału to tak zwane wstęgi boczne (ang. sidebands) które występują w punktach 90Hz i 110Hz (czyli 100Hz Twojego okrzyku +/- 10Hz częstotliwości obrotu karuzeli).

Analogia okrzyku i mikrofonu której użyłem w tej notce ma proste przeniesienie do świata rzeczywistych pomiarów wibracji, gdzie źródłem dźwięku jest wibracja generowana przez usterkę znajdującą się na obracającym się obiekcie (np. na łozysku), a mikrofonem jest np. akcelerometr. Rodzajom defektów łożysk zostanie poświęcony kolejny wpis.

---