第9章振动与噪声

0.163V S 4mV
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：
P合 P 2 P22 1

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：
L ptot

n L pi /10 10 lg 10 i 1
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
9.2.2 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
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，210－5 Pa 痛阈声压：人耳感觉疼痛的声压，20Pa 声压级LP ——单位是分贝（dB） 为什么 用对数 定义为：
表示？
p Lp 20lg p0
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。

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


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。

电磁式激振器
对于低频激振,常采用电液 激振器.
L p 20 lg
p p0
（2）若在半球方向上传播，相当于开阔地面或半消声室，则：
Lw L p 20lg R 8(dB)
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：
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
声压、声功率 哪个与测量位 置无关？
对于振动,测 量位移、速度、 加速度各有什 么用途？
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
压 电 晶 体
质量块
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 。
9.1.3 振动加速度传感器结构



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
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＝Sr Va / 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
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。
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 LI 10 lg I0

I表示测量声强，I0表示基准声强，取为10－12 W／m2

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？
信号发生器 放大器 激振器
力 传 感 器
系统
加 速 度 计
放大器 放大器 输出环节
测振仪或 频谱分析仪
输入环节
系统特性
9.3 动态特性测量系统
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？ 此时，人们必须通过激励与响应信号了解系统动态特性。 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。
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。
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
磁电式绝对速度计
阻 尼 杯 的 作 用？
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。
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。
磁电式相对速度计
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
压阻式加速度计
1－引线电极；2－扩散的电阻；3－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。
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。
电液式激振器
源自文库
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。
Lwtot
n Lwi /10 10lg10 i 1
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：
Lw L p 10lg T 10lgV 14(dB)
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：
T
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.


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。
9.4.1 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。 0dB是 定义：
w I ds
s
否表示 无声音？

声功率级： w 定义： Lw 10lg

w0
式中，W0表示基准声功率，取为10－12 W
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 。
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：

Lw L p 20lg R 11 dB) (
L 式中， p 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：
pi2 p 2 n
1/ 2
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0~5 kHz 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。