振动与噪声

第九章振动与噪声测量振动与噪声测量的主要测量内容：强度——位移、速度、加速度、声压、声功率特征——频谱特性、相位特性对于振动,测量位移、速度、加速度各有什么用途？声压、声功率哪个与测量位置无关？第九章振动与噪声测量9.1振动测量传感器9.2常用振动测量仪器9.3动态特性测量系统9.4噪声测量基础9.5噪声测量仪器9.6声功率与声强测量技术9.1振动测量传感器振动测量标准：我国共有19项有关振动与冲击的国家标准，涉及到有关术语、测量仪器、测量方法等。振动测量的目的：测量振级寻找振源研究结构的动态特性研究各种减振理论与方法等。振动强度测量指位移、速度和加速度的测量：研究加工精度——测量位移研究振动功率——测量速度研究振动引起的声辐射——测量速度研究机械损伤——测量加速度具体测量项目：由于位移、速度、加速度这三个物理量之间存在着固定的导数关系，原则上讲，对其中任何一个物理量都可以通过数学方法获得其它物理量。振动传感器：位移传感器、速度传感器、加速度传感器9.1.1振动位移传感器常用振动位移传感器有电容式、电涡流式及电感式电容式传感器：灵敏度高、频率范围宽、非接触式测量、受环境温度影响；测量范围0.001～0.1mm。电涡流式位移传感器：灵敏度高、频率范围宽、非接触式测量、线性范围大、抗干扰能力强、不受油污等介质影响；测量范围从±0.5mm到±10mm不等；测量频率范围0~5kHz电感式传感器：输出功率大、性能稳定、精度高、易受温度与磁场影响；测量范围10~20mm。9.1.2振动速度传感器振动速度传感器为磁电式速度计，分为绝对速度传感器与相对速度传感器两类。如果将壳体固定在一试件上，通过压缩弹簧片，使顶杆以力顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，此时的速度计就成为相对速度计。磁电式绝对速度计磁电式相对速度计绝对式速度计的固有频率应该尽可能低,但不能太低。一般为10～15Hz，其可用频率范围一般为15～1000Hz阻尼杯的作用？9.1.3振动加速度传感器加速度传感器有：应变式、压阻式、压电式。应变式加速度计2－阻尼液；3－悬臂梁；4－应变片；5－质量块优点：低频响应好；可测量直流信号（匀加速度）；液体阻尼可消除高频受激振动的影响。缺点：固有频率大大低于压电式。压阻式加速度计1－引线电极；2－扩散的电阻；3－质量块优点：体积微型化，外形可小于1mm；频率响应范围宽（0～1.5MHz）；灵敏度大于应变式加速度计数倍乃至数十倍；测量精度一般在0.1%~0.05%之间。缺点：受温度影响大。9.1.3振动加速度传感器•目前采用的加速度传感器大多数为压电式加速度计•压电式加速度计有压缩型、剪切型、弯曲型以及它们的组合。各型的主要差别是压电晶体承受应力的形式不相同。a)中央压缩型b)环状剪切型c)三角剪切型优点:尺寸小、重量轻、坚固性好，测量频率范围一般可达1Hz～22KHz；测量加速度范围为0～2000g，温度范围为－150～＋260℃,输出电平为5~72mv/g.缺点:低频性能差、阻抗高、测量噪声大。压电晶体质量块9.1.3振动加速度传感器结构加速度计的安装(a)将加速度计直接用螺栓安装在振动表面上;(b)将加速度计与振动面通过绝缘螺栓或者云母片绝缘相连;(c)用腊膜粘附;(d)手持探棒与振动表面接触;(e)通过磁铁与具有铁磁性质的振动表面磁性相连;(f~g)用粘结剂连结.其中:(a)可测量强振动和高频率振动，是安装加速度计理想的方法;(e)是常用的方法，方便可靠，但只能测量加速度较小的振动.为什么？常见压电加速度计9.1.4振动传感器的校准校准原因：压电材料老化使灵敏度变化仪器维修后性能变化绝对法：激光干涉仪绝对校准法方法：将被校准的传感器固定在校准振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被校准传感器的输出比较，以确定被校准传感器的灵敏度。优点：精度高缺点:设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用。相对法(背靠背比较校准法)将待校准的传感器和经过国家计量等部门严格校准过的传感器(参考传器背靠背地（或并排地）安装在振动台上承受相同的振动。将两个传感器的输出进行比较，就可以计算出在该频率点待校准传感器的灵敏度；Sa＝SrVa/Vr其中,Sr是参考传感器的灵敏度;9.2常用振动测量仪器9.2.1测振仪作用:测振仪是测量振动加速度、速度或位移信号的峰值、平均值及有效值的仪器。测振仪配有积分微分电路进行被测量的转换，其输出通过面板表头，因而可以直接读出位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰-峰值、平均值或均方根值。类型:在工程中常采用各种台式、袖珍式、数字式和单通道、多通道等各种规格测振仪。9.2.2前置放大器压电式加速度计后面常用电压放大器和电荷放大器。振动测量中常用电荷放大器。9.2.3频谱分析仪工程中的振动问题十分复杂，经常遇到多种频率叠加的振动波。频谱分析仪是专门对信号频率分布作分析处理的仪器。频率分析仪类型:模拟式、数字式信号的时域与频域描述9.3动态特性测量系统振动测量分为两类：在线测量：对机械运行状态进行检测；实验室测量：了解机械动态特性。动态特性测量的原因：在现场或在正常工作状况下测得的振动信号有时很难全面反映出被测系统的动态特性，因此需要人为地给系统施加一定的振动激励。动态特性测量方法：激励系统测量激励和响应分析两信号关系系统的动态特性系统信号发生器激振器放大器加速度计力传感器放大器放大器测振仪或频谱分析仪输入环节输出环节系统特性9.3动态特性测量系统激励方式:（1）稳态正弦激励需要信号发生器发出稳态正弦信号，经过功率放大器放大后推动专用的激振器产生力信号。（2）随机激励需要信号发生器发出随机信号，经过功率放大器放大后推动专用的激振器产生力信号。（3）瞬态激励利用专用的脉冲锤产生激励力。此时，人们必须通过激励与响应信号了解系统动态特性。问题：动态精度超差的原因是什么？机械噪声过大的原因是什么？9.3.1脉冲激励脉冲锤锤头垫材料刚度越高，激励的脉宽就越窄，频带也就越宽，能量分布在较宽的频域上。锤体质量与力的大小有关。优点:脉冲激励的激励力只需要一个脉冲锤，激励系统简单，使用方便缺点:激励能量相对较小，激励力信噪比低，对于大型结构动态特性的测量有一定的局限性9.3.2稳态正弦激励与随机激励稳态正弦激振：对被测对象施加一个幅值稳定的单一频率的正弦激振力优点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精确度；缺点：需要很长的测试周期。随机激励：宽带激励的方法，一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源。由于功放和激振器通频带有限，实际激振力频谱只在一定频率范围内保持常数。优点：可实现快速甚至“实时”测试；缺点：设备复杂，价格昂贵。正弦激励与随机激励可否用同一种激振器？9.3.2稳态正弦激励与随机激励激振器：电动式、电磁式和电液式。最常用的是电动式。使用时注意：（1）最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件，以便精确测量出激振力大小；（2）电动激振器主要用来对试件作绝对激振，因而在激振时最好让激振器壳体在空间中基本保持静止，使激振器的能量尽量用于试件上。即：（a）高频激励时：激振器用软弹簧或橡皮绳悬挂起来，应有足够的悬挂长度,并可加上必要的配重，使悬挂系统固有频率低于激振频率1/3以下。对于水平激励，为了产生一定的预加载荷，需要斜挂一定角度；（b）低频激振时：将激振器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上，让安装的固有频率比激振频率高3倍以上。电动式激振器安装方法9.3.2稳态正弦激励与随机激励如果感兴趣的是两个设备之间的相对振动，需要将激振器安装于两个设备之间，此时要求：（1）重量轻：以免影响原有系统动特性；（2）激振力大。由于电动式自重过大，常采用电磁激振器。对于低频激振,常采用电液激振器.电磁式激振器电液式激振器9.4噪声测量基础噪声定义：实际应用——不需要的声音。噪声测量目的：衡量设备或产品的质量分析噪声产生的原因基本术语：声场、自由声场、扩散声场消声室：吸声本领特别强、室内声音主要是直达声而反射声极小的房间。提供自由声场。半消声室：半自由声场混响室：吸声本领尽量低，室内声音经过多次反射形成声能分布均匀的房间。提供扩散声场。9.4.1噪声测量的主要物理参数声压P及声压级LP声压P：声波作用于物体上的压力，其单位是帕（Pa）听阈声压：人耳可听到的最弱声压，210－5Pa痛阈声压：人耳感觉疼痛的声压，20Pa声压级LP——单位是分贝（dB）定义为：式中：P表示测量声压，P0表示基准声压（其值为听阈声压）。则：人耳可听声范围是0～120dB。020lgppLp为什么用对数表示？9.4.1噪声测量的主要物理参数声强I及声强级LI声强I：单位时间内垂直于声波传播方向上单位面积内所通过的能量，单位是W／m2声强级LI定义：I表示测量声强，I0表示基准声强，取为10－12W／m2010lgIILI9.4.1噪声测量的主要物理参数声功率W及声功率级LW声功率：声源在单位时间内发射出的总能量，单位为瓦。定义：声功率级：定义：式中，W0表示基准声功率，取为10－12W声功率级是反映声源发射总能量的物理量，且与测量位置无关，因此它是声源特性的重要指标之一。010lgwwLwswIds0dB是否表示无声音？声功率级的计算声功率无法直接测量，只能通过测量声压级经计算而得到。（1）在自由声场中有：式中，是在测试球面半径Ｒ上所测的多点声压级的平均值。设有n个测点，求法如下：（2）若在半球方向上传播，相当于开阔地面或半消声室，则：)(11lg20dBRLLpw2/122nppi0lg20ppLp)(8lg20dBRLLpwpL球面半径要求足够大，通常约大于整个被测物尺度的2倍。声功率级的计算（3）在混响声场中测量(a)用传声器在房间中几个位置上测量声级，取平均值；(b)被测声源声功率如下：式中：V为混响室房间体积，T为混响时间(混响时间定义为:在一定频带,房间内发一声音,等声音稳定后,突然切断声源,其声强衰减60dB时所需要的时间),其值为：式中：S为房间总面积，为各表面平均吸声系数，m为空气中声波传播的强度衰减常数。混响室是测量机器声功率的理想环境,只要测量较少的点就能求得声功率,但在混响室中不能测量声源的指向性.)(14lg10lg10dBVTLLpwmVSVT4163.09.4.2噪声级的合成当噪声源为两个时，总声压级应该是两个噪声源声压能量的叠加，即：若有n个互不相关的声源，声场中总声压级与总声功率级为：工程实践中，为简便起见，常利用两个声压级之间的差值来求得总声压级值：L=L1+△L式中，L1为噪声源中较大的一个声压级，△L为附加增值，由下表查出：2212PPP合niLptotpiL110/10lg10niLwtotwiL110/10lg10两个噪声级算术差012345678910附加增值△L3．02．52．11．81．51．21．00．80．60．50．49.4.3背景噪声的扣除本底噪声：在噪声测量时，即使所测量的声源停止发声，环境也存在着一定的噪声，称之为本底噪声。工程意义：只有从测量结果中扣除本底噪声后，才能得到所考察噪声的正确声压级值。扣除值：若被测噪声源的声级高于本底噪声的声级10dB，则可忽略本底噪声的影响；若被测噪声源的声级与本底噪声相差3～10dB，则按上表进行修正；若两者相差小于３dB，则测量结果无效。两声级算术差345678910扣除值△L3.002.301.701.250.950.750.600.459.4.4噪声的频谱测量在实际工作中，为了找出噪声产生的原因，必须知道噪声的频率分布特性：机床：电机噪声、齿轮啮合噪声、轴承噪声频率不同内燃机：燃烧噪声、机械噪声、排气噪声频率不同噪声频谱的测量技术频谱分析仪：恒定带宽的分析仪恒定百分比的