噪声测量仪器ppt课件.ppt

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1、机械工程测试技术 振动与噪声测量（2）,第九章,内容,1、振动测量传感器2、常用振动测量仪器3、动态特性测量系统4、噪声测量基础5、噪声测量仪器6、声功率与声强测量技术重点:掌握振动、噪声的典型测量方法,振动测量标准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目的测量振级与频谱、寻找振源、研究结构的动态特性研究各种减振理论与方法振动强度位移、速度和加速度研究振动对机械加工精度的影响时，测量位移幅值大小研究振动功率或振动引起的声辐射时，测量振动的速度研究振动引起的机械损伤时，测量加速度,1、振动测量传感器,测量项目位移、速度、加速度之间存在着固定的导数关系位移、速

2、度、加速度测量时有着自己的特殊性振动传感器位移传感器速度传感器加速度传感器,1、振动测量传感器,位移传感器结构：电容式、电感式及电涡流式 涡流式位移传感器优点：线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触式测量传感器测量范围：0.5mm 10mm,1、振动测量传感器,测量运动部件与静止部件间隙变化汽轮机组、空气压缩机组等回转轴系的振动监测,速度传感器结构:磁电式速度计绝对速度传感器组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼 线圈壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势感应电势E=kV，式中k为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度,1、振

3、动测量传感器,速度传感器结构绝对速度传感器动态特性固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难 由于结构上的原因，固有频率一般取1015Hz工作频率：151000Hz阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.50.7）,1、振动测量传感器,速度传感器结构相对速度传感器芯轴顶杆壳体顶杆：相对速度输出电压：正比相对速度测量频率：01kHz,1、振动测量传感器,1、顶杆 2、拱形簧片 3、磁钢 4、线圈 5、引出线 6、壳体,速度传感器结构OD9200系列振动速度传感器 频率响应： 5Hz1KHz（-3dB）灵敏度：20mV/mm/s 5%幅值线性度： 3%使用温度范围：-30200输出极性：浮地输出,1、振动测量

4、传感器,速度传感器结构MTN/1185IC本安型振动速度传感器速度范围：0100mm/sec 输出电流：4-20mA频响：2 Hz 1 kHz 10 %绝缘：底座绝缘,1、振动测量传感器,速度传感器结构瓦（壳）振信号调理器内部积分器、滤波器信号驱动 输入、输出隔离 输入信号：速度传感器输出转换I/O精度：1%,25频响：5Hz-5000Hz 量程：125m1000m输出：标准信号：420mA、-5VDC+5VDC,1、振动测量传感器,加速度传感器结构加速度传感器有：应变式、压阻式、压电式应变式应变效应：外力作用下，金属材料的电阻发生变化 应变式加速度传感器敏感元件：悬臂梁质量块 MaF 使梁弯

5、曲转换元件：在梁上贴有四个应变电阻，构成应变电桥转换电路：电桥法测量应变电阻优点：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,1、振动测量传感器,基座 阻尼液 悬臂梁 应变片 质量块,加速度传感器结构应变式传感器内装IC 应变加速度传感器量程：1g 灵敏度：1.4V/g -0.5dB频响：DC-100Hz 电源：+5/3 （V/mA）,1、振动测量传感器,加速度传感器结构压阻式压阻效应：外力作用下，半导体材料的电阻发生变化 压阻式加速度传感器敏感元件：硅梁（弹性元件）质量块MaF 使梁弯曲转换元件：在硅梁的根部有四个扩散电阻，构成应变

6、电桥转换电路：电桥法测量应变电阻频率响应高，可达1.5MHz； 体积微型化，外形可小于1mm、耗电少 灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度 无运动部件（敏感元件与转换元件一体）,1、振动测量传感器,引线 扩散电阻 质量块 基座,加速度传感器结构压电式：压电效应敏感元件：弹簧、质量转换元件：压电元件转换电路：电荷放大器、阻抗变换器,1、振动测量传感器,S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环几种加速度传感器结构 (a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c)三角剪切型,加速度传感器结构压电式压电加速度计：电荷发生器，其电荷与加速度成比例，它不能测量零频率振动优点尺寸小、重量轻

7、、坚固性好测量频率范围一般可达1Hz22KHz测量加速度范围为02000g温度范围为150260输出电平为572mv/g缺点: 低频性能差、阻抗高、测量噪声大,1、振动测量传感器,加速度传感器结构压电式传感器的带宽上限受制于曲线上的共振峰频率限制，即传感器固有频率传感器的固有频率应该是被测频率的510倍紧固采用的固定件要产生寄生振荡，影响传感器的固有频率,1、振动测量传感器,加速度传感器结构压电式安装方式钢柱螺栓连接法：安装频率高绝缘螺栓加云母垫片磁座安装：改变测点容易 （温度200、加速度200g以内）粘接剂加粘接螺栓：高频响应差薄蜡粘结：频响好、不耐高温手持探针：测量频率低、巡检,1、振动

8、测量传感器,加速度传感器结构压电式内装IC 压电加速度传感器内装微型IC-集成电路放大器低阻抗输出，抗干扰，噪声小性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气,1、振动测量传感器,灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 重量：8gm 线性：1% 输出偏压：8-12VDC 恒定电流：2-20mA输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC,振动传感器校准 目的：振动测量的可靠性与精确度传感器使用一段时间后灵敏度会有所改变(压电材料老化)测试仪器修理后必须进行全面严格的定标和校准常

9、用的灵敏度校准方法绝对法相对法,1、振动测量传感器,振动传感器校准绝对法 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用途：校准加速度计、测量频率响应特性缺点: 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,1、振动测量传感器,振动传感器校准相对法 (背靠背比较校准法)方法振动台上背靠背地（或并排地）地安装：待校准的传感器T参考传感器R：经过国家计量部门严格校准过的传感器承受相同的振动，比较两个传感器的输出，就可以计算出在该频率点待校准传感器的灵敏度外界干扰影响高精

10、度的校准工作，最好在隔振的基座上进行,1、振动测量传感器,测振仪作用：测量振动信号的峰值、平均值及有效值类型：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特点配有积分微分电路进行被测量的转换直接读出位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰-峰值、平均值或均方根值,2、常用振动测量仪器,前置放大器作用压电式加速度计输出调理 （解决：加速度计的高阻抗输出，小信号输出）类型：电压放大器和电荷放大器电荷放大器：其特性基本不受电缆长度的影响电压放大器：受电缆的影响较大 输入阻抗影响加速度计的低频 振动测量中常用电荷放大器,2、常用振动测量仪器,频谱分析仪振动传感器输出是一个复杂信号

11、、多频信号复杂振动频谱分析仪是专门对信号频率分布进行分析处理 分析仪器带通滤波器频率分析仪: 模拟式、数字式信号处理设备：A/D+软件,2、常用振动测量仪器,频谱分析仪,2、常用振动测量仪器,实例分析电机振动测量频谱图振源分析,2、常用振动测量仪器,振动测量分类：现场测量：对机械运行状态进行检测振动信号仅仅反映出在正常工作状况下被测系统运行情况实验室测量：了解机械动态特性表征被测系统的对振动激励的响应程度人为地给系统施加一定的振动激励同时测量出激励和响应信号，可得到其间的相对大小及相位关系系统的动态特性。,3、动态特性测量系统,动态特性测量框图,3、动态特性测量系统,被测系统,信号发生器,激振

12、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 系统 输出环节,激励 响应,激励方式稳态正弦激励随机激励瞬态激励激励生成瞬态激励：往往是利用专用的脉冲锤产生激励力稳态正弦激励与随机激励信号发生器发出所需的信号功率放大器放大推动专用的激振器产生力信号,3、动态特性测量系统,脉冲激励 脉冲锤：简单，方便，激励能量相对较小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,3、动态特性测量系统,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

13、缺点：需要很长的测试周期随机激励 宽带激励的方法：信号源白噪声或伪随机信号发生器。 激振力频谱只在一定频率范围内保持常数（功放和激振器通频带）优点：可实现快速甚至“实时”测试；缺点：设备复杂，价格昂贵激振器：电动式、电磁式和电液式,3、动态特性测量系统,正弦激励与随机激励可否用同一种激振器？,稳态正弦激励与随机激励 电动式激振器使用时注意：最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件,3、动态特性测量系统,固定磁场：励磁线圈铁芯磁极交流电动线圈电磁力顶杆,等力特性,稳态正弦激励与随机激励 电动式激振器使用：激振器的能量尽量用于试件上 高频激励时：激振器都用软弹簧或橡皮绳悬挂起来，应有足够的悬挂长度,并

14、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。为了产生一定的预加载荷，需要斜挂一定角度低频激振时：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,3、动态特性测量系统,3、动态特性测量系统,稳态正弦激励与随机激励,3、动态特性测量系统,测量传感器 阻抗头：同时给出同一个点动态加速度和力的传感器 机械阻抗：响应加速度/激振力 8770A5型阻抗头 量程 灵敏度 频率范围加速度 5g 1000 mV/g 1Hz 4kHz 力 5Ib 1000 mV/Ib,3、动态特性测量系统,噪声物理定义大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声生理感受一种与人体

15、有害的声音，它已成为主要公害之一（机械）振动体在弹性介质中传播的声波频率范围：20Hz20kHz人的听觉噪声测量目的分析噪声产生的原因降低或消除噪声评估环境,4、噪声测量基础,主要物理参数声压级 声压：声波在物体上产生压力p（单位帕Pa=1N/m2） 正常人耳：可听到的最弱声压为2x105 Pa基准/听阀声压 感觉疼痛的声压为20 Pa痛阀声压 听阀痛阀声压数量相差甚远100万倍 测量：声音器（电容、压电、电动），信号幅值变化巨大 声压合成：n个互不相关的声源,4、噪声测量基础,主要物理参数声压级 声压级：噪声强弱采用声压的对数表示，即 基准声压po取听阀声压2x105 Pa声压级单位：分贝（

16、dB）听阀痛阀声压的噪声强弱为：0120dB环保控制噪声 60dB合成：,4、噪声测量基础,主要物理参数声强级 声强：声场中单位时间内通过单位面积的能量I（单位W/m2） 正常人耳：感受到声强范围1012 1 W/m2 听阀痛阀声强数量相差甚远 声强是个矢量：与指定方向垂直的单位面积的声能量 鉴别声源、判定它的方位 测量：传播方向上的声压和质点振动速度乘积的平均值 （T为声波周期）,4、噪声测量基础,主要物理参数声强级 声强级：噪声强弱采用声强的对数表示，即 基准声强Io取听阀声强1012 W/m2声强级单位：分贝（dB）听阀声强级为：0dB； 痛阀声强级为：120dB普通谈话声的声强级 65

17、dB,4、噪声测量基础,0dB是否表示无声音？,主要物理参数声功率级 声功率：声源在单位时间内辐射出的总能量W（单位W） 注意：积分面不含声源时，结果为0 声功率级：相对于基准声功率W0的对数基准声功率W0取1012 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 。,4、噪声测量基础,主要物理参数声功率级 测量：无法直接测量 通过间接测量声压级来得到声场中半径为R的球面上多点声压pi的平均值为：自由声场中，声功率级仅半球方向传播的声功率级 （相当于开阔地面或半消声室）,4、噪声测量基础,噪声级的合成 声场中若有n个互不相关的声源，其声压各自为pi总声

18、压、总声压级总声功率级工程中，常利用两个噪声源的声压级之间差值来求得总声压级值 L=Lx+L （ Lx噪声源中较大的一个声压级， L为附加增值）,4、噪声测量基础,背景噪声的扣除背景噪声：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，称之为背景噪声、本底噪声工程意义：只有从测量结果L中扣除背景噪声L后，才能得到所考察噪声的正确声压级值Lx Lx=L-L 由上表可以看出若被测噪声源的声压级高于本底噪声的10dB，则可忽略其的影响若两者相差小于dB，则测量结果无效被背景噪声淹没,4、噪声测量基础,噪声的频谱测量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

19、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:声压信号的谱分析频带声压级:某频带(频程)中的声压级常用带宽：倍频程、 1/3倍频程倍频程：频带的上限频率比下限频率高一倍，简称倍频程1/3倍频程：一个倍频程划分为3个频程，每个频程为1/3倍频程,4、噪声测量基础,例如：90180Hz、7101400Hz 倍频程 90120Hz、710900Hz 1/3倍频程,4、噪声测量基础,倍频程中心频率与频率范围,1/3倍频程中心频率与频率范围,噪声的主观评价计权声压级声级机人耳对声音所感觉的强度取决于：声压大小声音的频率响度/响度级：将频率和声压级

20、统一起来的可以反映主观感觉的量 响度S ：人耳判别声音强度大小的量，单位宋（sone） 1 sone:频率1000Hz、声压级40dB的平面行波的强度响度级LS：单位是方（phon）,4、噪声测量基础,噪声的主观评价等响度曲线人耳 不同频率对应不同声压级低频区：需要强度大中频区：需要强度小些计权声压级 从等响度曲线出发，在声测量仪器中添加频率计权网络，使得仪器的输出能近似地表达人耳对声音响度的感觉,4、噪声测量基础,噪声的主观评价A、B、C计权网络 A计权较好地模仿了人耳对低频段(500Hz以下)不敏感、对10005000Hz敏感的特点在噪声测量中，使用最广泛的是A声级，国际上已把A声级作为评

21、价噪声的主要指标C计权已淘汰B计权平值总声压级,4、噪声测量基础,若A计权较线性计值的权大，表明该声源频谱具有什么特点？,中频丰富？,常用噪声测量仪器 是以声级计（计权声压级）为核心的噪声测量系统主要组成设备传声器声级计频谱分析仪校准仪,5、噪声测量仪器,传声器传声器是将声信号转换为相应的电信号的传感器类型：电容、压电、驻极体等 电容传声器最常用的传声器 声压金属膜片振动后极板可变电容直流极化电压电信号优点：灵敏度高，频率响应平直、固有噪声低缺点：在较大湿度下，极板间容易放电并产生电噪声,5、噪声测量仪器,声级计 测量声级 配合多种辅助仪器，进行频谱分析、记录噪声的时间特性等 特点：体积小，重

22、量轻、操作简单等特点，适用于现场测量组成,5、噪声测量仪器,声级计SL-5858多功能声级计（多功能噪音计）标准：GB/T3785，IEC651 2型，ANSI S1.4 2型功能：SL, Leq(等效声级)计权：A, C, Linear, Filter测量范围：A计权: 30130dBC计权: 35130dB线 性: 35130dB时间特征：快,慢直流输出：02V分辨率：0.1dB准确度：1dB电源：1节9V 6F22电池,5、噪声测量仪器,声级计分类 以测量精度区分型声级计:实验室标准型声级计:精密型声级计型作为普通声级计型则为一般调查用 以测量信号的性质区分 一般声级计：测量平稳噪声，如

23、持续行的 脉冲声级计：测量脉冲噪声，如枪炮、冲压机械、锤打声 积分声级计：测量在一定时间内的等效连续声级,5、噪声测量仪器,校准 活塞发声器法能产生一种标准声源，指标为： 频率为250Hz2%， 声压级为124dB的声音，声压级精度为0.2% 声级校准器法精度较活塞发声器低一种标准声源 ，指标为： 频率为1000Hz2%，声压级为94dB的声音，声压级精度为0.3dB,5、噪声测量仪器,噪声的常规测量声级计 以测量噪声的声压或声压级为基础的最大缺点是测量结果深受环境的影响和限制噪声的其它测量80年代起，国际上倾向于用声功率来描述声源 新的噪声测量方法声强测量法,6、声功率与声强测量,声功率测量

24、噪声源声功率的测量自由场法：可忽略边界影响、均匀的各向同向的媒介中的声场混响室法：声传输中遇到边界要反射，与发射声在能量上要重叠现场测量法现场测量工业上的测试 绝对法/包络法：在假想的测量表面的若干个传声器位置上，根据需要测得声压级，再算成声功率级 比较法：把被测声源和标准声源相比较 当产品附近有许多反射面，本底噪声有时不能忽略时，这种方法也就不合适,6、声功率与声强测量,声功率测量现场测量绝对法,6、声功率与声强测量,半球测量表面,矩形测量表面,S0参考面积（1m2）、LP为测量表面S/R的平均声压级，Kw环境修正系数,声强测量声强：矢量声传播方向 数值单位面积上的声功率测量：声压p容易测量

25、，质点振动速度v无法直接测量 质点振动速度与传播方向上声压梯度的积分成正比 声场R处的声强为： ImGab（f）为声压信号Pa（t）和Pb（t）间的单边互功率谱的虚部，为空气密度，为角频率,6、声功率与声强测量,声强测量声强测量仪：带有一个专用的声强探头声强的用途声强的测量可用来鉴别声源和判定它的方位，可以画出声源附近声能流动的路线利用声强的测量在有背景噪声的情况下测量声源的声功率,6、声功率与声强测量,作业汇总 1-3，1-5，1-6，1-7；2-4，2-7(1)，2-8，2-9；3-1，3-2，3-4，3-6，3-10；4-1，4-4，4-7，4-9；5-1，5-5，5-7，5-11，5-12，5-13；6-1，6-5，6-8，6-10，6-12，6-13综合大作业结合工程实际或生活所见必须独立完成一个工程测试系统的自主设计，其中测试对象和测试方法不限，并鼓励有创新性的设计设计作业的完整性和创新性,作业,Thank you!,