測(cè)試技術(shù)講稿-振動(dòng)與噪聲

光學(xué)法是利用光學(xué)原理將振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。常用的測(cè)振裝置有光學(xué)讀數(shù)顯微鏡測(cè)振裝置和激光干涉法測(cè)振裝置。其中激光干涉法的測(cè)量精度和靈敏度都很高，可測(cè)到微米量級(jí)的振動(dòng)。但光學(xué)法測(cè)振裝置調(diào)整復(fù)雜，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格，一般僅適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下作標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)儀器的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置。電測(cè)法是將被測(cè)的振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，再用電量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的方法。與機(jī)械法和光學(xué)法相比較，電測(cè)法具有使用頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍廣、測(cè)量靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。電測(cè)法能廣泛地使用各種不同的測(cè)振傳感器。且電信號(hào)也易于被記錄、處理和傳送。因此電測(cè)法是最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量方法。第七章振動(dòng)測(cè)試

以電測(cè)法為基礎(chǔ)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖（1）被測(cè)對(duì)象 亦稱(chēng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它是承受?dòng)載荷和動(dòng)力的結(jié)構(gòu)或機(jī)器。（2）激勵(lì)裝置 由信號(hào)源、功放和激振器組成，用于對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)或機(jī)器施加束種形式的激勵(lì)，以獲取被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)。對(duì)于運(yùn)行中的機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，這一環(huán)節(jié)是沒(méi)有的。此時(shí)，機(jī)器設(shè)備直接從外部得到振動(dòng)的激勵(lì)。（3）傳感與測(cè)量裝置 由測(cè)振傳感器及其關(guān)聯(lián)的測(cè)置和中間變換電路組成，用于將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（4）振動(dòng)分析裝置 它的作用是對(duì)振動(dòng)信號(hào)作進(jìn)一步的分析與處理以獲取所需的測(cè)量結(jié)果。（5）顯示及記錄儀器 用于將最終的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的形式進(jìn)行記錄或顯示7.1振動(dòng)的激勵(lì)

1、激振的方式 振動(dòng)的激勵(lì)方式通常有穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機(jī)激振和瞬態(tài)激振3種。（1）穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱(chēng)簡(jiǎn)諧激振，它是借助于激振設(shè)備對(duì)被測(cè)對(duì)象施加一個(gè)頻率可控的簡(jiǎn)諧激振力。它的優(yōu)點(diǎn)是激振功率大、信噪比高、能保證響應(yīng)測(cè)試的精度，因而，是一種應(yīng)用最為普遍的激振方法。（2）隨機(jī)激振，一般用白噪聲或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，這是一種帶寬激振方法。（3）瞬態(tài)激振，給被測(cè)系統(tǒng)提供的激勵(lì)信號(hào)是一種瞬態(tài)信號(hào)，它屬于一種寬頻帶激勵(lì)，即一次激勵(lì)，可同時(shí)給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個(gè)頻率成分的能量使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。因此，它是一種快速測(cè)試方法。目前常用的瞬態(tài)激振方法有快速正弦掃描、脈沖錘擊和階躍激勵(lì)等方法。階躍激振，在擬定的激振點(diǎn)處，用一根剛度大、重量輕的弦經(jīng)過(guò)力傳感器對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)施加張力，使之產(chǎn)生初始變形，然后突然切斷張力弦，這就相當(dāng)于對(duì)結(jié)構(gòu)施加一個(gè)負(fù)的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振。2、激振器 激振的目的是通過(guò)激振的手段使被測(cè)試驗(yàn)的對(duì)象處于一種受迫振動(dòng)的狀態(tài)中，從而來(lái)達(dá)到試驗(yàn)的目的。 將所需的激振信號(hào)變?yōu)榧ふ窳κ┘拥奖粶y(cè)對(duì)象上的裝置稱(chēng)為激振器。常用的激振器有以下幾種：1、力錘力錘用來(lái)在振動(dòng)試驗(yàn)中給被測(cè)對(duì)象施加一局部的沖擊激勵(lì)。它是由錘頭、錘頭蓋、壓電石英片、錘體、附加質(zhì)量和錘把組成。錘頭和錘頭蓋用來(lái)沖擊被測(cè)試件。力錘實(shí)際上是一種手持式?jīng)_擊激勵(lì)裝置。力錘的錘頭蓋可采用不同的材料，以獲得具有不同沖擊時(shí)間的沖擊脈沖信號(hào)。如圖9．15所示圖（a）為力錘激勵(lì)裝置示意圖，圖（b）為采用鋼、塑料和硬橡膠的不同錘頭蓋進(jìn)行錘擊所得到的時(shí)域波形。圖（c）、（d）分別是錘頭蓋和錘頭蓋加附加質(zhì)量沖擊所得波形的頻域形式?？梢钥闯?，鋼材料的錘頭蓋所得的帶寬最寬，而橡膠材料所得的帶寬最窄。圖（a）為力錘激勵(lì)裝置示意圖，圖（b）為采用鋼、塑料和硬橡膠的不同錘頭蓋進(jìn)行錘擊所得到的時(shí)域波形。圖（c）、（d）分別是錘頭蓋和錘頭蓋加附加質(zhì)量沖擊所得波形的頻域形式。可以看出，鋼材料的錘頭蓋所得的帶寬最寬，而橡膠材料所得的帶寬最窄。2、電動(dòng)力式激振器電動(dòng)力式激振器又稱(chēng)磁電式激振器。主要是利用帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受電磁力作用這一物理現(xiàn)象工作的。電動(dòng)力式激振器按其磁場(chǎng)形成的方式分為永磁式和勵(lì)磁式兩種，前者一般用于小型的激振器，后者多用于較大型的激振臺(tái)。由動(dòng)圈產(chǎn)生的激振力經(jīng)芯桿和頂桿組件傳給被試驗(yàn)物體。采用做成拱形的彈簧片組來(lái)支撐傳感器中的運(yùn)動(dòng)部分，彈簧片組具有很低的彈簧剛度，并能在試件與頂桿之間保持一定的預(yù)壓力，防止它們?cè)谡駝?dòng)時(shí)發(fā)生脫離。激振力的幅值與頻率由輸入電流的強(qiáng)度和頻率所控制。激振器安裝的原則是盡可能使激振器的能量全部施加到被試驗(yàn)物體上。圖（a）中激振器剛性地安裝在地面上或剛性很好的架子上，這種情況下安裝體的固有頻率要高于激振頻率3倍以上。圖（b）采用激振器彈性懸掛的方式，通常使用軟彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)加上必要的配重，以降低懸掛系統(tǒng)的固有頻率，從而獲得較高的激振頻率。圖（c）為懸掛式水平激振的情形振動(dòng)臺(tái)的工作原理如下：直流磁路1為高磁導(dǎo)率的鑄鋼或純鐵制成的帶鐵芯圓筒，鐵芯上纏有勵(lì)磁線圈2，當(dāng)供以直流勵(lì)磁電流時(shí)，磁路的環(huán)形氣隙11中形成一恒定磁場(chǎng)。置于氣隙中的環(huán)形線圈架9繞有可動(dòng)線圈10，它們與臺(tái)面經(jīng)芯桿剛性連接，組成可動(dòng)部分。彈簧片組的作用是用來(lái)進(jìn)行導(dǎo)向和支撐。振動(dòng)臺(tái)體裝在支架12上，可繞支撐軸8轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變振動(dòng)臺(tái)在空間的方位來(lái)適應(yīng)不同試驗(yàn)的要求。機(jī)械式和電動(dòng)力式的激振器和激振臺(tái)系統(tǒng)的一個(gè)共同缺點(diǎn)是較小的承載能力和頻率。與此相反，液壓式激振臺(tái)的振動(dòng)力可達(dá)數(shù)千牛頓以上，承載質(zhì)量能力以噸計(jì)。液壓式激振臺(tái)的工作介質(zhì)主要是油。主要用在建筑物的抗胚試驗(yàn)、飛行器的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)以及汽車(chē)的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)等方面。用一個(gè)電驅(qū)動(dòng)的伺服閥來(lái)操縱一個(gè)主控制閥，從而來(lái)調(diào)節(jié)流至主驅(qū)動(dòng)器油缸中的油流量。這種激振臺(tái)最大承載能力可達(dá)25仇，頻率可達(dá)400Hz，而振動(dòng)幅度可達(dá)45cm。3、測(cè)振傳感器（拾振器）1）測(cè)振傳感器及其類(lèi)型與選擇原則 測(cè)振傳感器是將被測(cè)對(duì)象的機(jī)械振動(dòng)量（位移、速度或加速度）轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量（如電流、電壓或電荷）的裝置。 一般根據(jù)振動(dòng)測(cè)量方法的力學(xué)原理可分為以下兩種。（1）慣性式（絕對(duì)式）拾振器。（2）相對(duì)式拾振器。 按照測(cè)量時(shí)拾振器是否和被測(cè)件接觸可分為以下兩種。（1）接觸式拾振器，又可分為相對(duì)式和絕對(duì)式兩種，接觸式相對(duì)拾振器又稱(chēng)為跟隨式拾振器。（2）非接觸式拾振器。P:193（1）渦流位移傳感器（2）電容加速度傳感器（3）磁電式速度計(jì)（4）壓電加速度計(jì)（5）阻抗頭渦流傳感器的工作原理是通過(guò)傳感器中的高頻線圈頭靠近被測(cè)導(dǎo)電材料（一般為金屬），從而在導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流來(lái)改變線圈的阻抗來(lái)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物到探頭的距離改變時(shí)，線圈中的阻抗便隨之改變。因此渦流傳感器可直接用于位移測(cè)量。（1）渦流位移傳感器（2）電容加速度傳感器 本節(jié)介紹一種利用微電子加工技術(shù)制成的單片集成式電容加速度傳感器。圖（a）為用多晶硅制成的差動(dòng)式電容器示意圖。其中，中間電極起著傳感器質(zhì)量塊的功能，且經(jīng)搭接條被放置在底角點(diǎn)a上。該中間電極可移動(dòng)，它與固結(jié)在襯底上的b和c形成一電容器。當(dāng)在中間電極（振動(dòng)質(zhì)量塊）和襯底（殼體）間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩搭接條間的電容值便會(huì)隨之發(fā)生變化。3、磁電式速度傳感器 這種傳感器的工作原理前面作了介紹。它分為絕對(duì)式速度傳感器和相對(duì)式速度傳感器兩種。所依據(jù)的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律（見(jiàn)式（3-31）和式（3-33），其中感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的速度。 因此它適合用來(lái)測(cè)量振動(dòng)物體的絕對(duì)和相對(duì)振動(dòng)速度。這類(lèi)傳感器一般都結(jié)合有微分和積分機(jī)構(gòu)，因此也可以從所測(cè)的速度值來(lái)求得振動(dòng)的加速度或位移值。4、壓電加速度傳感器 在前面中已經(jīng)對(duì)壓電傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和典型應(yīng)用作了詳細(xì)介紹，而且也對(duì)用于壓電傳感器的兩類(lèi)前置放大器——電壓放大器和電荷放大器進(jìn)行了討論。P：196

加速度傳感器的安裝位置阻抗頭在激振試驗(yàn)中還常用一種名為阻抗頭的裝置，它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器為一體。其作用是在力傳遞點(diǎn)同時(shí)測(cè)量激振力和該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它裝在激振器頂桿和試件之間。阻抗頭前端是力傳感器，后面為測(cè)量激振點(diǎn)響應(yīng)的加速度傳感器。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)使兩者盡量接近。它的優(yōu)點(diǎn)是，保證測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)就是激振點(diǎn)的響應(yīng)。使用時(shí)將小頭（測(cè)刀端）聯(lián)向結(jié)構(gòu)，大頭（測(cè)量加速度端）與激振器的施力桿相聯(lián)。從力信號(hào)輸出端“測(cè)量激振力的信號(hào)”，從加速度信號(hào)輸出端“測(cè)量加速度的響應(yīng)信號(hào)”。注意：阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于對(duì)輕型的結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件以及材料試樣的測(cè)量。4、振動(dòng)信號(hào)分析儀囂 振動(dòng)信號(hào)處理儀器主要有振動(dòng)計(jì)、頻率分析儀、頻率特性分析儀（傳遞函數(shù)分析儀）和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（綜合分析儀）。1）振動(dòng)計(jì) 振動(dòng)計(jì)是用來(lái)直接指示位移、速度、加速度等振動(dòng)量的峰值、峰一峰值、平均值或均方根值的儀器。它主要由積分、微分電路、放大器、電壓檢波器和表頭組成。 振動(dòng)計(jì)只能使人們獲得振動(dòng)的總強(qiáng)度而無(wú)法獲得振動(dòng)的其他方面的信息，因而其使用范圍有限。為了獲得更多的信息，則應(yīng)將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、相關(guān)分析和概率密度分析等。2）頻率分析儀 頻率分析儀也稱(chēng)“頻譜儀”，是把振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程轉(zhuǎn)換為頻域描述的一種儀器。要分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，研究振動(dòng)對(duì)人類(lèi)和其他結(jié)構(gòu)的影響及研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性等，都要進(jìn)行頻率分析。頻率分析儀的種類(lèi)很多，按其工作原理可分為模擬式和數(shù)字式兩大類(lèi)。3）頻率特性分析儀 由頻率特性分析儀或傳遞函數(shù)分析儀為核心組成的測(cè)試系統(tǒng)，通常都采用穩(wěn)態(tài)正弦激振法來(lái)測(cè)定機(jī)械結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)或機(jī)械阻抗等數(shù)據(jù)。4）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 近年來(lái)，由于微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展及快速傅里葉變換（FFT）算法的推廣，在工程測(cè)試中，數(shù)字信號(hào)處理方法得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種各樣的信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理儀器。這種具有高速控制環(huán)節(jié)和運(yùn)算環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)和信號(hào)處埋器，具有多種功能，因此又稱(chēng)為綜合分析儀。第八章噪聲的測(cè)量一、噪聲測(cè)量的基礎(chǔ)1、聲波、次聲波、超聲波、可聽(tīng)聲、噪聲及噪聲測(cè)量的概念 產(chǎn)生振動(dòng)的振源頻率在20～20000Hz之間時(shí)，人可以聽(tīng)到它，稱(chēng)為聲波；聲音是聲波以縱波形式在介質(zhì)中的傳播；振源頻率低于20Hz或高于20000Hz時(shí)，人無(wú)法聽(tīng)到；低于20Hz的波動(dòng)稱(chēng)為次聲波，高于20000Hz的波動(dòng)稱(chēng)為超聲波；特超聲指高于超聲頻率上限的超高頻聲波；可聽(tīng)聲是人耳可聽(tīng)到的聲音，頻率為20～20000Hz；一些引起反感的、刺耳、由許多不同頻率聲波無(wú)規(guī)律的雜亂組合而成的聲音統(tǒng)稱(chēng)為噪聲，在物理意義上是指不規(guī)則、間歇的或隨機(jī)振源產(chǎn)生的聲音，工業(yè)噪聲主要有機(jī)械性噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲及電磁性噪聲等； 噪聲測(cè)量就是將聲壓信號(hào)變換為相應(yīng)的電信號(hào)。產(chǎn)生聲波的條件：①有作機(jī)械振動(dòng)的物體——聲源②有能傳播機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)。2、噪聲的主要性能參數(shù)及各自的含義 噪聲主要性能參數(shù)有聲壓、聲壓級(jí)、聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率、聲功率級(jí)、響度及響度級(jí)等。 聲壓是指某點(diǎn)上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為N／m2，即帕（Pa）。在空氣中，正常人剛能聽(tīng)到的1000Hz聲音的聲壓為2×105Pa，稱(chēng)為聽(tīng)閾聲壓，并規(guī)定為基準(zhǔn)參考聲壓，記為P0。當(dāng)聲壓為20Pa時(shí)，能使人耳開(kāi)始產(chǎn)生疼痛，稱(chēng)之為痛閾聲壓。 聲壓級(jí)表示聲壓與基準(zhǔn)參考聲壓P0的相對(duì)關(guān)系，記為L(zhǎng)p即：聲強(qiáng)是在傳播方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的聲能量，記為I；單位為W／m2。對(duì)于球形聲源，假設(shè)聲源在傳播過(guò)程中沒(méi)有受到任何阻礙，也不存在能量損失，當(dāng)聲壓Pa為常數(shù)時(shí)，兩個(gè)任意距離r1和r2處的聲強(qiáng)為I1和I2，則有：聲強(qiáng)級(jí)表示聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)I0（取I0

＝10-12W／m2）的相對(duì)關(guān)系，記為L(zhǎng)I，即：

聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量，用W表示，單位為瓦（W）。聲功率級(jí)表示聲功率W與參考基準(zhǔn)聲功率W0（W0

＝10-12W）的相對(duì)關(guān)系，記為L(zhǎng)w，即：響度及響度級(jí)是根據(jù)人耳的特性，仿照聲壓級(jí)的概念，引出一個(gè)與頻率有關(guān)反映主觀感覺(jué)的量，即響度或響度級(jí)，單位是方。對(duì)于各等響曲線，習(xí)慣上以800Hz聲音的分貝數(shù)n作為級(jí)別的序號(hào)，稱(chēng)其為n“phon”，各曲線相應(yīng)稱(chēng)之為響度級(jí)。聽(tīng)覺(jué)判斷聲音的強(qiáng)弱用響度來(lái)表示。響度的單位為Sone（宋）。當(dāng)頻率為1000Hz，聲壓級(jí)比聽(tīng)閾聲壓級(jí)大40dB的純音的響度定義為1Sone。兩者之間的關(guān)系：3、噪聲的分析與評(píng)價(jià)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是效仿倍頻等響曲線中的40方曲線設(shè)計(jì)的，較好地模仿了人耳對(duì)低頻段（500Hz以下）不敏感，對(duì)1000～5000Hz聲敏感的特點(diǎn)。用A計(jì)權(quán)測(cè)量的聲級(jí)叫做A聲級(jí)，記作分貝（A），或dB（A）。由于A聲級(jí)是單一的數(shù)值，容易直接測(cè)量，且是噪聲的所有頻率分量的綜合反映，故目前在噪聲測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用，并用來(lái)作為評(píng)價(jià)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是效仿70方等響曲線，低頻有衰減。C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是效仿100方等響曲線，在可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)，有近乎平直的特點(diǎn)，讓所有頻率的聲音近乎均通過(guò)，基本上不衰減，因此C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)代表總聲壓級(jí)。4、噪聲測(cè)量的儀器噪聲的測(cè)量主要是聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其噪聲頻譜的測(cè)量。一套聲壓級(jí)測(cè)量?jī)x器包括傳聲器、聲級(jí)計(jì)、頻率分析儀、校準(zhǔn)器等。聲功率級(jí)不是直接由儀器測(cè)量出來(lái)的，是在特定的條件下通過(guò)測(cè)量的聲壓級(jí)計(jì)算