振动及噪声

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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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:
2 2 P合 P P 1 2

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
9.4.1 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:
p Lp 20lg p0
则:人耳可听声范围是0~120dB。

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

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。
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。


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。
表示?
式中:P表示测量声压,P0表示基准声压(其值为听阈声压)。
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/m 2
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.
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
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。
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
9.3.2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。



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
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
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
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)
Lp 是在测试球面半径R上所测的多点声压级的平均值。 式中, 设有n 个测点,求法如下:
pi2 p 2 n
1/ 2
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:
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。
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。

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?
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。
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。
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:
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。

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.
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 。
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