機械振動與噪聲控制

機械振動與噪聲控制第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月振動－－物體或質(zhì)點在平衡位置的往復(fù)運動。振動加速度、振動速度、振動位移振動幅值、振動頻率噪聲－－使人感到厭煩的聲音。聲壓級、聲強級、聲功率級、響度、A計權(quán)第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章聲學基礎(chǔ)2.1波動方程與聲的基本性質(zhì)2.1.1理想介質(zhì)中的聲場波動方程

理論上靜態(tài)大氣壓設(shè)定為p0，媒質(zhì)受聲傳播擾動后的壓強pd

這種壓強的改變量被定義為聲壓p聲壓的大小反映了聲波的強弱，聲壓的單位是Pa(帕N/m2)。

第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2聲波與聲源波陣面------所謂波陣面是指聲傳播過程中，運動狀態(tài)在某瞬時完全相同的媒質(zhì)質(zhì)點形成的面。聲波：平面聲波、球面聲波和柱面聲波等類型，第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月常見聲源聲一般都是由于物體的振動而產(chǎn)生的。凡能產(chǎn)生聲的振動物體統(tǒng)稱為聲源。所謂聲源的振動就是物體在其平衡位置附近進行的往復(fù)運動。球面聲源一個表面均勻脹縮的脈動球面聲源，即其球面沿半徑方向作同振幅、同相位的振動，球面振動速度為ua，則在離球心r處向外輻射的聲壓可以寫為方程。當ka<<1，即聲波波長遠大于聲源半徑a時,有：Q=sua=4pa2ua稱為聲源強度。

第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2)偶極子聲源當兩個點聲源相距很近：

偶極子聲源第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3)線聲源線聲源第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月4)無限大障板上圓形活塞

無限大障板上圓形活塞

第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射1.垂直入射聲波的反射和透射在媒質(zhì)1中的質(zhì)點速度根據(jù)在媒質(zhì)2中的聲壓值在媒質(zhì)1中的聲壓值在媒質(zhì)2中的質(zhì)點速度第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月在分界面的聲壓和速度應(yīng)當是連續(xù)相等的:

聲壓的反射系數(shù)rp,透射系數(shù)

第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月吸聲系數(shù)吸聲系數(shù)越大表示了聲波透射越大。當a=1時，垂直入射聲波將從一個媒質(zhì)完全進入到另一個媒質(zhì)，只要兩個媒質(zhì)的特性阻抗相同時，垂直入射聲波都會有a=1的全透射。當a=0時，表示垂直入射聲波將產(chǎn)生全反射

第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3聲阻抗、聲強及聲功率

2.3.1聲阻抗、聲強和聲功率的定義

描述聲輻射和聲場特性的一個重要概念是聲阻抗。對于一個聲源來說，如果它的表面振速是u，表面積是S，則uS

稱為體積速度U。該聲源表面聲壓與聲源體積速度之比稱為聲阻抗Z。

聲阻抗Z是復(fù)數(shù)，其實部稱為聲阻R，虛部為聲抗X。聲阻抗的實部表示了能量的“損耗”，這個損耗表示了聲能從一個地方傳播到另一個地方，也就是聲源對外輻射的過程

第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月開放空間聲場，由于體積速度概念變得不很明確，此時通常采用聲阻抗率這個概念來描述聲場概念。聲阻抗率定義為聲場中某點的聲壓值與該點速度的比值

平面聲波在媒質(zhì)中傳播時的聲阻抗率為第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月聲強和聲功率

聲場中某點處，與質(zhì)點速度方向垂直的單位面積S在單位時間內(nèi)通過的聲能稱為瞬時聲強.對于穩(wěn)態(tài)聲場，聲強是指瞬時聲強在一定時間T內(nèi)的平均值

對于在自由空間中傳播的平面聲波，

單位時間平均聲強可以寫為

單位時間平均聲功率

第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聲壓級、聲強級、聲功率級測量及聲譜分析

單位：dB聲壓級

pe——被測量聲壓的有效值；pref——參考聲壓。在空氣中參考聲壓pref為2×10-5Pa。，即為正常人耳朵對1kHz的聲音剛能聽到聲壓值

第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月聲強級

參考聲強Iref取為10-12W/m2

第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月聲功率級

W——測量的聲功率的平均值，對于空氣媒質(zhì)，參考聲功率W=10-12(瓦)

聲強級與聲功率級之間的關(guān)系

第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月聲頻譜分析

在聲譜分析中一個常用的分析是倍頻程分析，所謂倍頻程分析是將連續(xù)頻率分成一系列相連的頻帶。

當帶通頻率滿足log2(f2/f1)=1時稱為1倍頻程，log2(f2/f1)=1/2稱為1/2倍頻程，log2(f2/f1)=1/3稱為1/3倍頻程，式中f1和f2稱為帶通濾波器的上下截止頻率。

第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2響度級，等響曲線和響度

人耳能接收聲波的頻率大約在20Hz到20kHz

“響”與“不響”這種感覺同聲波的強度和頻率密切相關(guān)。相同聲壓級單頻率不同的聲波，人耳聽起來會不一樣。為了定量描述聲音的這種特性，通常采用1000Hz純音為標準，定義其聲壓為響度級，其符號是LN，單位為“方”（phon）。其它頻率的聲音響度級通過與1000Hz純音相比較來確定。

第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月計權(quán)聲級

由于人的感覺受到頻率的影響，為了使聲音的量度和人的聽覺一致，在測試過程中對信號進行了模擬人耳的濾波，該濾波稱為計權(quán)，根據(jù)頻響特性的不同，計權(quán)分為A計權(quán)、B計權(quán)、C計權(quán)和D計權(quán)等

D計權(quán)常用于航空噪音的測量。A計權(quán)的頻率響應(yīng)與人耳對寬頻帶的聲音靈敏度相當，目前被廣泛應(yīng)用為評價參量。

第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章噪聲控制3.1噪聲源識別根據(jù)噪聲源的發(fā)聲機理通常將噪聲分成三類：機械噪聲，空氣動力噪聲和電磁噪聲。機械噪聲往往由于機械部件的振動，撞擊，摩擦，不平衡等造成?？諝鈩恿υ肼暿怯捎跉怏w流動中的相互作用或與固體間的作用而產(chǎn)生的噪聲。電磁噪聲則是由于電磁場的交變造成機械部件或空間容積的振動而產(chǎn)生的。

第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）主觀評價法

（2）分別運行法

（3）覆蓋法

（4）表面振速測量法

（5）信號分析法（6）聲強測量法（7）聲全息法

第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2噪聲的被動控制和主動控制

被動控制和主動控制。所謂被動控制指噪聲控制過程中除噪聲源外沒有其它外加能量輸入的控制方法。傳統(tǒng)的吸聲，隔聲，消聲及隔振等均屬噪聲被動控制。如果在噪聲控制過程中，在噪聲源以外，人為加入能量（次級聲源或次級力源等）來控制噪聲的方法稱為噪聲主動控制。

第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月吸聲降噪吸聲降噪技術(shù)通常分成兩類：多孔吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)

第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月基于能量的吸聲系數(shù)

式中是入射能量，是吸收能量，是反射系數(shù)

實際吸聲量

：第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）多孔吸聲材料

吸聲材料是指能夠把入射在其上的聲能大量吸收的材料。噪聲控制工程中常用的吸聲材料都是多孔材料，如礦渣棉、石棉、玻璃棉、毛氈、木絲板等，這些材料表面富有細孔，孔和孔之間互相聯(lián)通，并深人到材料內(nèi)層，聲波容易順利地透入．當聲波進人材料孔隙時，引起孔隙中的空氣和材料的細小纖維波動，由于摩擦和粘滯阻尼作用，聲能變?yōu)闊崮芏纳⒌簟?/p>

第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

多孔吸聲材料的吸聲特性隨聲的頻率的變化而變化，低頻時，由于孔隙中的空氣在單位時間內(nèi)的振動次數(shù)少，對聲波的衰減作用不大，故吸聲系數(shù)很低。隨著頻率的提高，吸聲系數(shù)逐漸增大，達到某一值后，增加不再明顯。

同一種多孔吸聲材料實際使用中增加吸聲材料的厚度，可以提高低、中頻的吸聲效果，對高頻吸聲效果幾乎沒有影響，但厚度增加到一定程度后，效果就變得不明顯了，而成本卻增加很多，是不經(jīng)濟的。此外如果吸聲材料結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加附加背后空氣層也可起到提高中、低頻吸聲效果的作用。

第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）共振吸聲結(jié)構(gòu)

薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)

第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)

第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)

穿孔板的穿孔直徑減小到1mm以下，則可增加吸聲系數(shù)，拓寬吸聲頻帶。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)通常指板厚小于1mm的薄板上穿以孔徑小于1mm的微孔，穿孔率在1%--5%，板后面留有5－20mm厚度空氣層的吸聲結(jié)構(gòu)。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可以在氣流、溫度、濕度的大幅度變化的環(huán)境中應(yīng)用，其吸聲頻帶寬度可以達到6—10個1/3倍頻程

第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)隔聲結(jié)構(gòu)

衡量隔聲效果的兩個重要指標是聲強透射系數(shù)（簡稱透射系數(shù)）和隔聲量

隔聲量

第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1)單層壁的隔聲

隔聲的“質(zhì)量定律”若聲波以角度入射到壁面上而其它條件不變，則隔聲量為第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

若聲波無規(guī)入射到壁面上，則隔聲量為

第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2)雙層隔聲結(jié)構(gòu)

雙層壁隔聲機理：聲波激發(fā)起第一層壁振動時，這種振動先傳給空氣層，再傳給第二層壁，然后再向另一側(cè)輻射聲能。由于空氣層的彈性變形具有緩沖減振作用，使得傳給第二層壁的振動大為減弱，從而提高了總的隔聲量。但雙層隔聲結(jié)構(gòu)間的空氣會作為彈簧與隔聲壁質(zhì)量發(fā)生共振，影響隔聲效果，其共振頻率可以寫為

第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月入射波頻率低于共振頻率時雙層壁的隔聲量：入射波頻率高于共振頻率時雙層壁的隔聲量：

第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月通常雙層壁之間空氣層厚度增加，隔聲量增加，但空氣層厚度超過10cm后，隔聲量就幾乎不再增加，故實用上一般取空氣層厚度為8～10cm。雙層壁隔聲也存在同單層壁一樣的吻合效應(yīng)，若兩壁為厚度相同的同種材料時，其吻合臨界頻率與單層壁相同，可使隔聲量明顯下降。若兩壁采用不同材料或設(shè)計成不同厚度時，可便兩個單層壁的臨界頻率互相錯開，從而避免出現(xiàn)隔聲量低谷過深的吻合效應(yīng)區(qū)域。在雙層壁的中間空氣層填入適量的吸聲材料，可以消除共振及吻合效應(yīng)對隔聲效果的影響一般在壁的中間空氣層填充一些內(nèi)阻較大的材料，如玻璃棉、礦植棉等，這樣會吸收聲能，進一步提高結(jié)構(gòu)的隔聲效果，可以提高結(jié)構(gòu)隔聲量。

第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）消聲器

阻性消聲器：a吸聲材料的平均吸聲系數(shù)；L是消聲器斷面周長；S消聲器截面有效面積；l指消聲器的有效長度。

阻性消聲器除低頻吸聲特性不是很好外，還存在一個高頻失效問題。當聲波頻率足夠高時，聲波波長相對通道截面尺寸很小，此時，聲波呈束狀通過消聲器，很少與吸聲材料接觸，于是消聲性能顯著下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的頻率稱為上限失效頻率fLc0是聲速，D為消聲器的當量直徑。

第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

抗性消聲器

:

它主要利用截面突變造成聲傳播通道的阻抗失配，產(chǎn)生聲能的反射，從而達到消聲目的。

抗性消聲器的擴張比

第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月抗性消聲器上限失效頻率fL下限截止頻率fB

S指連接管的截面積；L是連接管的長度，V表示擴張室的體積

第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章阻尼技術(shù)阻尼的影響１阻尼處在形式及數(shù)學表達對數(shù)衰減率：（N個波形峰值平均）第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月阻尼系數(shù)：阻尼損耗因子第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月表面阻尼處理結(jié)構(gòu)設(shè)計一分類：自由阻尼處理：拉壓變形耗散振動能量約束阻尼處理：剪切變形耗散振動能量第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)諧阻尼器調(diào)諧阻尼器的減振機理:

結(jié)合動力吸振器和阻尼器的原理，最大限度吸收系統(tǒng)能量并耗散掉。結(jié)構(gòu)類型第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)諧阻尼器的動力特性分析對于穩(wěn)態(tài)振動周期耗能：相對位移第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月單自由度系統(tǒng)調(diào)諧阻尼器的優(yōu)化第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章機械振動隔離技術(shù)積極隔振：隔振