工程机械NVH基础

W 4r I
2
声学基础——声级 为什么引入声级?
人耳所能感受到的最小的声压2×10-5Pa，痛
阈声压20Pa，相差上百万倍，变化范围大，直 接用声压或声强表示不方便；此外人耳感受到 的声音的强度并不与声压或声强成正比，而是 近似于对数关系，为此引入一个成倍比关系的 对比两——“声级”表示声音的相对强弱。
机械零件的松动引起机械振动。如果零件变得松 动，那些原本可以容忍的正常振动可能变得不能约束 并且过大。
振动基础——共振引起机械振动
机器倾向于以某个速率振动。
如果一台机器被一往复力推动，且该力的节奏与机器 的固有振动速率相匹配将会发生什么呢？
振动基础——振动系统分类
振动系统
（按自由 度划分） 离散 系统 单自由 度系统 多自由 度系统 连续 系统 常参量 系统
声学基础——基本概念
五、声能密度
1.声能密度定义
声场中单位体积介质中声能，用D表示，单位为J/m3。
2.平均声能密度
声场中每一位置的声能密度随时间变化，取一个周期内的 平均值为平均声能密度 。
3. 声能密度计算公式
pe2 D 2 c
声学基础——基本概念
六、声强 1.声强定义
单位时间通过垂直于声波传播方向的单位面积 的声能在一个振动周期内的平均值,用I表示。
激励 （输入） 响应 （输出）
系统
Leabharlann Baidu
第一类：已知激励和系统，求响应。称为响应计算（分 析）或正问题。 第二类：已知激励和响应，求系统。称为系统识别或参 数识别，又称为第一类逆问题。
第三类：已知系统和响应，求激励 。称为载荷识别（振 动环境预测），又称为第二类逆问题。
振动基础——振动系统描述
求解振动问题的主要目的是要确定在任何给定时刻系统 的位移、速度、加速度等。 单自由度系统是振动研究中最简单的一类系统，仅用一 个坐标就可以确定该类系统的运动状态。
两个同频率简谐振动的合成
两个不同频率简谐振动的合成
两个频率十分接近的简谐振动合成
振动基础——无阻尼单自由度自由振动
振动方向相互垂直的简谐振动合成：
同频率两个简谐振动在同一平面内沿相互垂方向直合成后的运动轨 迹一般为椭圆，频率不同时合成后的运动轨迹较为复杂。当频率之间存 在一定比例关系时，合成后的运动轨迹呈现出稳定的有规律的结果。借 助于双线示波器我们可以观察到这些有趣的图形，这些图形被称为李萨 育图。
振动基础——有阻尼单自由度自由振动
有阻尼单自由度系统的自由振动：
阻尼比：
过阻尼（ζ>1）：
振动基础——有阻尼单自由度自由振动
临界阻尼（ζ=1） ：
欠阻尼（0<ζ<1） ：
振动基础——单自由度系统的受迫振动
受简谐力作用的单自由度系统的振动：
振动基础——单自由度系统的受迫振动
频率比： 共振频率比：
其中：x —— 某质点距振源的距离
c—— 声速
声学基础——基本概念 二、声波种类
1. 按振动方向分类
（1）纵波：介质的振动方向与波的传播方向一致。
振动方向
传播方向
力学原理：靠介质的拉或压应力传播振动
存在介质：固体、液体、气体均可传播纵波
声学基础——基本概念
（2）横波：介质的振动方向与波的传播方向垂直
连续系统是由弹性体元件组成。如杆、梁、板、壳。
振动基础——振动系统的自由度数
确定一个振动系统空间位置所需的独立坐标个数， 称为自由度。
弹性体可以看作由无数质点组成，各个质点之间 有着弹性连接，只要满足连续性条件，各个质点的任何 微小位移都是可能的。因此，一个弹性体有无限多个自 由度。
振动基础——振动问题分类
视为平面波。
声学基础——基本概念
三、声音的频率、波长、振幅
1.频率f： 单位Hz(1/秒)
人耳可听频率范围：20～20000Hz 次声波：低于20Hz 超声波：高于20000Hz
2. 波长λ ：人耳可听波长范围：0.17mm~17m 3. 振幅ξ 0：介质质点振动时离开平衡位置的最大距离
痛阈振幅：1.7×10-3cm
说明：声学所谈声压一般是指有效声压。
声学基础——基本概念
4.人耳对声压的感受范围 听阈声压：2×10-5Pa 痛阈声压：20Pa 说明：
（1） 人耳感受声压范围很大：最大最小相差106（百万） 倍； （2）大气压为105Pa，可听声压为大气压的1/50亿 ~1/5000，说明声音引起的气压变化非常小。
主要内容
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工业背景 国内现状 NVH理论基础 NVH测试及评价 NVH发展趋势
工业背景—— 接轨国际，“减振降噪”蓄势待发
NVH（Noise、Vibration、Harshness）技术已经在航空、航天、汽车等 行业中得到广泛应用，但在工程机械领域应用还比较少。
随着工程机械行业的迅速发展，NVH已经成为评价工程机械品质的最重要 的技术指标之一。
振动基础——振动系统描述
根据牛顿第二定律：
单自由度系统振动方程的一般形式：
振动基础——无阻尼单自由度自由振动
无阻尼单自由度系统自由振动：
求解：
其中：
振动基础——无阻尼单自由度自由振动
简谐振动： 周期振动：
振动基础——无阻尼单自由度自由振动
简谐振动：
振动基础——无阻尼单自由度自由振动
振动方向相同的简谐振动合成：
振动方向
传播方向
力学原理：靠介质中的剪切应力传播振动。 存在介质: 固体
注：空气中只存在纵波。
声学基础——基本概念
2. 按波振面分类 （1）概念
波振面：所有振动相位相同的点构成的面 （客观存在） 声 线：沿传播方向与波振面垂直或正交 的一系列直线（假想线）
波振面 声源 声线
声学基础——基本概念
（2）声波按波振面分类 球面波：波振面为球面，点声源产生； 柱面波：波振面为柱面，线声源产生； 平面波：波振面为平面，平面声源产生； 注：当距离声源足够远时，所有声波均可
I

I
穿过微小面积单元的声功率： dW I dS I dS cos
穿过任意曲面声功率： W I dS I cos dS
声学基础——基本概念
穿过波振面的声功率可直接用面积乘以声强。
I
r
S
I
声强均匀的平面波功率：
指向均匀点声源功率：
W IS
强烈的振动噪声还可以形成严重的公害。
振动基础——振动灾害举例1
部队经过桥梁时不能齐步走，为了避免桥因共振而坍塌
振动基础——振动灾害举例2
1940 年11月7日美国 Tocama 悬索桥风毁事故。
振动基础——振动的利用与控制
琴弦振动； 通信、广播等； 振动沉桩、振动拔桩 以及振动捣固等; 振动检测； 振动压路机; 振动给料机; 振动成型机 振动筛等。
（按参量 划分）
各力是否 为线性 随机 系统 线性 系统
定则 系统
变参量 系统
非线性 系统
振动基础——离散系统和连续系统
离散系统由集中参数元件组成。基本的 集中参数元件有三种：质量、弹簧与阻尼器。 质量(包括转动惯量)模型只具有惯性。 弹簧（线性）模型只具有弹性，本身质
量可忽略不计。
阻尼器（线性）模型既不具有惯性，也 不具有弹性，它是耗能元件，在有相对运动 时产生阻力。
国内现状
山推 山重建机
徐工
厦工
加速国际化—— 工程机械 减振降噪进行时
柳工 三一
振动基础——概念
振动
?
机械振动
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• 振动：简单的说，是一种往复类型的运动，是 自然界及工程上一种普遍存在的运动方式 。 • 振动的严格定义：机械或结构系统在其平衡位 置附近的往复运动，并随时间变化的运动。 • 机械振动：指机械系统的振动。
振动基础——振动的隔离
力传递率：
振动基础——振动的隔离
振动的隔离：
声学基础——基本概念 一、波动
波动是振动在介质中的传播。 1. 波动产生的原因： 介质中各个质点间相互力学作用： 拉压应力或剪切应力。 2. 波动函数 可通过质点受力分析导出波动函数：
x x ＝ 0 sin (t ) 0 sin2f (t ) c c
0.5
声学基础——声级
二、声强级
1.声强级定义：
LI 10 lg I 10 lg I 120 I0
其中：I0为参考声强级，10-12W/m2，人耳能听到的 最小的声强。
2.声强级与声压级关系：
pe2 pe2 pe20 I LI 10 lg 10 lg （ ） I 0 10 lg 2 ） 10 lg / （ I0 c pe 0 cI 0 L p 10 lg 400 L p L c
振动基础——振动举例
•心脏的搏动、耳膜和声带的振动等 •汽车、火车、飞机及机械设备的振动 •各种动力机械的振动 •控制系统中的自激振动 •家用电器、钟表的振动 •声、光、电、磁的波动等 •大海波涛 •桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的 振动
振动基础——振动的有害面
影响精密仪器设备的功能；
降低机械加工的精密度和光洁度； 加剧构件的疲劳损坏和磨损； 振动甚至使结构发生大变形而破坏； 机翼的颤振，机轮的摆振和航空发动机的异常振动，曾多次造 成飞行事故； 车船和飞机的振动恶化了乘载条件；
听阈振幅：1.7×10-9cm 分子直径：10-8cm 人耳能分辨小于分子直径的振动，及其灵敏。
声学基础——基本概念
四、声压(*)
1.声压定义p：声波扰动引起介质压强的变化量。 p=p声－p静 其中： p声—— 声音存在时介质压强 p静—— 无声音时介质压强 声压单位：帕（Pa） 说明：声压易于测量，人耳感受的也是声压，所以声学
在38.9℃，空气ρc=400Pas/m , ΔL=0
L p LI
声学基础——声级
三、声功率级
1.声功率级定义
W LW 10 lg 10 lg W 120 W0
W —— 声源功率或穿过某一界面的总功率 W0——参考功率，10-12 W
声学基础——声级
三、声功率级(续)
中一般用声压p替代振幅ξ来描述声音的强弱。
声学基础——基本概念 2.用声压表示的波动函数
x x p＝P0 sin (t ) P0 sin2f (t ) c c 3.有效声压pe
人耳不能感觉声压的瞬时起伏，只能感受声压的有效值， 即声压对时间的均方值。
P 1 T 2 pe p dt 0 T 0 2
振动基础——往复作用力产生机械振动
船将摇动因为波浪对其施加一个往复的力 —— 某种模 式的反复施加的力。 许多振动都因类似于那种引起船摇动的往复力而起， 像这样的往复力作用于机器部件会引起机械振动。引起机 械振动的往复力来自那里呢？
振动基础——往复作用力产生机械振动
偏心旋转
不对中旋转
内力
振动基础——松动加剧机械振动
声强I
声能传 播方向 单位面积
声强是矢量，单位为W/m2。
声学基础——基本概念
2.声强与声能密度及声压关系
p I Dc c
声强与有效声压的平方成正比 人耳所能感受到的最小声强为：10-12 W/m2.
2 e
声学基础——基本概念
七、声功率
单位时间穿过某一平面或曲面总声能量。
dS
dS
声学基础——声级
一、声压级
声压级定义：
pe 2 pe L p 10 lg( ) 20 lg pe 0 pe 0
其中：pe0 —— 参考声压， 2×10-5Pa，是人耳所能 听到的1000Hz最小声压。
又有： L p 20 lg pe 94 声压级单位：分贝（dB——decibel）
声学基础——声级
说明: a. 人耳正常听力范围：0～120dB
b.人耳对声音强弱的分辨能力为0.5dB.
0.5dB L p1 L p 2 pe1 pe 2 pe1 20 lg 20 lg 20 lg pe 0 pe 0 pe 2 pe1 10 20 1.06 pe 2
即当声压增加0.06倍后，人耳才能分辨其差别。
国际上各大工程机械厂商如Cat，John Deere，Komatsu，Kubota， Doosan等对NVH进行了深入的研究。国内对NVH的研究基本处于刚开始的阶段。 噪声、振动与舒适性三者密切相关。既要减小振动，降低噪声，又要提高 乘坐舒适性。 与节能、再制造、混合动力和不断更新的排放标准相比，减振降噪似乎算 不上行业热衷的词汇。然而，减振降噪研究的技术含量和重要程度并不亚于其 它任何一项研究。 2012年1月1日，GB16710-2010《土方机械 噪声限值》正式实施。