声振检测

大连民族学院2005届自动化专业本科毕业论文 1 第一章 绪论

1.1 声振检测的研究意义及应用价值 随着汽车工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，使它成为了汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽车的整体性能。它的工作是否正常涉及到整个机组的工作性能。变速箱的结构和工作形式都很复杂，这又使得它容易发生故障，因此变速箱的检测在机械工程中占有重要地位。获得诊断信息的常用方法有直接观察法、振动噪声检测法、磨损残留物检测法和运行性能检测法[1]。 对于变速箱而言，噪声和振动信号是故障诊断的重要信息。当故障出现时,其振动强度增大，噪声水平超标。所以利用声振诊断的方法，就能对变速箱的运行状态和出现故障的原因、部位有一个比较清楚的了解，从而诊断出故障。这可为设备的正常运行和维修提供比较充分的依据，在生产和维修中获得显著的经济效益。主要包括：降低维修费用、提高机器的有效使用率、提高安全性、降低噪声辐射。

1.2 声振检测在故障诊断中的研究现状及发展趋势 作为故障诊断一个分支的声振诊断方法，包括声振的测量和检测，它是伴随着设备故障诊断一同成长起来的，由最初的简易诊断发展为现在的精密诊断、预知维修；减振降噪也由无源控制向有源控制方向发展[2]。 要求机械设备不出现故障是不可能的，绝对安全可靠的机械设备也是不存在的。我们只能从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现设备的故障和异常，掌握设备的运行状态，对已经形成的或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，做到防患于未然。因此,变速箱在出厂前就应该做好这方面的检测工作,这样才能尽可能的减小损失。所谓出厂检测，顾名思义，就是要在变速箱制造完后，在出厂前，对它的性能作一个全面的检测，变速箱的结构和制造过程都非常复杂，为了能够延长使用寿命，更应该做好出厂前的检测工作，这样能大大的降低生产成本。设备状态监测与故障诊断技术就是为了适应检测类似变速箱等各种机械设备这一需要而发展起来的一门新兴学科，它的发展是从20世纪60年代中期以后开始的。 在这方面,美日等发达国家是走在世界前列的,例如美国NI公司开发的LabView软件,它是一种虚拟的图形化的编程语言,大大减少了测试的硬件设备、软件开发的周期。这种图形化语言已经广泛地应用在测量测试、数汽车变速箱出厂声振检测及其系统分析 李彦 2 据采集、仪器控制及数据处理分析等领域中。基于LabView声源识别可视化系统对多通道进行同步采集和大容量数据进行高速处理，在平行测量面的面上，利用声全息技术重建声压、法向粒子速度和声强等声学参数，以图形的方式直观地判别声源的位置、大小以及噪声的传播路径[3]。 检测技术在我国的研究和应用相对来说起步较晚。20世纪70年代末期才开始着手组建故障诊断的研究机构.但由于国家政府部门的重视,发展较快。所应用的领域比较集中的是大型旋转机械设备诊断系统，已经开发了20种以上的机组故障诊断系统和10余种可用来做现场简易诊断的便携式数据采集仪。国内一些重点大学，如上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学和北京科技大学等成立了故障诊断研究所，并已培养出这方面的高级专业人才。我国机械设备故障诊断的发展经历了从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度越来越快。同国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，但是总体而言，在机械设备诊断的可靠性、安全性方面仍有一定的差距。 此外，虚拟仪器是当前检测领域的热点，所谓虚拟仪器，这个概念最先是由美国NI公司提出的。众所周知，传统仪器主要包括四个部分：执行、控制、信息变换、显示。虚拟仪器就是利用计算机强大的图形环境暖和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。这种以通用输入输出平台为硬件基础，通用计算机为 软件环境基础，主要以软件方式实现仪器控制、信息变换和结果显示的计算机化仪器，称为虚拟仪器。上述NI公司开发的LabView软件，就是典型的虚拟仪器，它代表了未来仪器技术发展的方向。

1.3 论文的主要研究工作 完成试验装置的选择和设计，以及数据多通道参数（噪声、振动）的并行采集，应用LabView软件,在计算机上构建一套完整的“变速箱出厂声振检测系统”，进行噪声超限报警，并对噪声超标的原因进行故障分析，找出发生故障的部位。 大连民族学院2005届自动化专业本科毕业论文

3 第二章 声振在状态监测中的理论基础

2.1 机械振动的基本概念及分类

各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成,这些都可认为是一个弹性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动,这种每隔一定时间做往复性机械运动,称为机械振动[4]。 研究振动问题时,通常把研究对象称为系统；把外界对系统的作用或机器自身产生的力,称为激励或输入;把机器或结构在激励作用下产生的动态行为,称为响应或输出.振动分析就是研究三者之间的关系。 按照机械振动时物体变形的形态可将机械振动分为横向振动、纵向振动和扭转振动。 按照振动系统能量输入的方式，可将机械振动分为：仅在运动开始时对振动系统给以能量输入的自由振动；在外界周期性干扰力的作用下，不断地或反复地给振动系统补充能量的强迫振动。此外还有一种振动称为自激振动，维持这种振动的能量是由振动系统本身从固定能源中获得并加以调节的。

2.2 测振系统及其传感器 振动的测量系统根据工作原理分主要有三种类型：机械测振系统、电测振系统和光学测振系统。基于本选题，这里主要介绍电测系统[5]。 电测系统是将被测的振动量通过传感器转化成电参量，经系统放大、处理、信号变换等，将振动量显示或记录下来。或通过分析、计算、实时处理等，把衡量振级参数的时间历程、频率谱等，以数字或图形记录绘制出来，使人一目了然[6]。 这种测振系统灵敏度高，频率范围或动态线性范围宽，便于分析和遥控，是目前应用最广泛的测振系统，但该系统易收电磁场的干扰。在这种测振系统中，常采用的传感器有：磁电式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器等。 ⑴ 磁电式传感器：图2-1为它的结构简图，它由磁铁1、装有线圈的框架2、平弹簧3、支柱4和在被测表面安装的底座5组成。这种传感器灵敏度高，测量精度高，受温度、湿度影响较小，低阻抗输出引起的干扰噪声小。缺点是结构尺寸和质量大，受磁场影响大，永磁铁的衰减会引起灵敏度的降低。可用于测量频率范围为10~500Hz的线速度或角速度，0.001~1mm的位移，0.01 g~10g的加速度（g为重力加速度）的振动。 汽车变速箱出厂声振检测及其系统分析 李彦 4 ⑵ 电感式传感器：对于电感式传感器，当振动时由于由弹簧支撑的惯性质量和与壳体相连的电磁体间的气隙发生变化，导致线圈周围的磁通量发生变化而产生感应电动势。它一般适用于测量20~1000Hz范围内的信号。 ⑶ 电容式传感器：多采用惯性式电容传感器作为电容传感器，适用于测量10~500Hz范围内的线位移或角位移（0.001~1mm）。它具有灵敏度高、结构简单、尺寸小等优点，但受温度、湿度以及电容介质的影响大，且与其匹配的仪器要求高。 ⑷ 压电式传感器：压电式传感器是利用压电元件，在振动时利用惯性质量动对其施加交变压力，则会产生输出交变电荷的来测量振动，其输出量与振加速度成正比。它的适用测频范围：若与前置放大器配套时为2~104Hz,与电荷放大器配套时为0.3~104Hz,可测加速度值为10-4~104g,特别适用于冲击测量[7]。 由于测量目的不同，所选择的方法，包括所测振的参数、测振所用的传感器，测点位置等，也随之不同，大致分为以下几种： ⑴ 当研究结构强度、分析振型时，通常应测量振动位移，且需进行多点测量； ⑵ 当研究振动物体的阻尼室，通常应以测量振动速度为主； ⑶ 当研究振动对零部件的载荷与力的关系，以及振动时力的传递时，应测量加速度。

图2-1 磁电式传感器简图 1—磁铁；2—框架；3—平弹簧；4—支柱；5—底座 大连民族学院2005届自动化专业本科毕业论文

5 2.3 噪声的基本概念及相关参数 与对声音的度量一样，为了客观上表示噪声的强弱，常用声压、声强和声功率等参量作为噪声的物理量度。 声压定义为有声波时压力超过静压的部分。一般正常人耳刚能听到的频率为1000Hz的声压为20μPa,称为听阈声压，此值常用来做基准声压；而使人耳刚刚产生痛觉的声压，则称为痛阈声压，其值为20Pa[8]。 声强定义为一个与指定方向垂直的单位面积上,平均每单位时间内传过的声能。其数学表达式为：

dtutpTITn0)(1

(2-1)

式中T为比周期大得多的时间间隔；)(tp为声波传播方向上某点处的瞬时声压；nu为声波传播方向上某点处的瞬时质点速度。 声功率定义为声源在一段时间内，平均每单位时间内发射出的声能。常记为W，单位为W（瓦），并通常取W作为基准声功率。其数学表达式为:

SiIiW

(2-2)

其中，Si是声强为Ii的测量表面上的面积；Ii是测量表面上面积为Si处的声强；i为测量表面上测点的序号[9]。

2.4级及其单位分贝

由于从听阈到痛阈，声压之比为1:106，即相差为100万倍，而相应声强之比则为1:1012，即相差达万亿倍之多。因此直接用声压值或声强值来表示声音的强弱都是很不方便的；另外，也由于人耳对声音强弱的感官作用接近于对数方式，故人们就用一个成倍比关系的对数量－—“级”来表示声音的强弱，即声压级、声强级和声功率级，级的单位为dB(分贝)。

声压级常记为pL，其数学表达式为：

020

2lg20lg10ppppLp (2-3)

式中，p为声压有效值；0p为基准声压，在空气中取upap200 。正常