機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)：第6章 聲與聲發(fā)射

1、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)-聲與聲發(fā)射測量C.6 聲與聲發(fā)射-2/29第六章 聲與聲發(fā)射本章學(xué)習(xí)要求聲的物理特性及度量聲學(xué)傳感器及測量系統(tǒng)聲強(qiáng)測量與噪聲源識(shí)別聲發(fā)射測量技術(shù)質(zhì)量檢查機(jī)械手定位聲發(fā)射裝置C.6 聲與聲發(fā)射-3/296.1 概述6.11 聲形成的物理?xiàng)l件聲波形成必須具有聲源及傳播媒介兩個(gè)基本條件，以及具備正常聽覺功能人耳受者的必要條件。噪聲具有聲音的一切物理性質(zhì)！空氣、固體及液體C.6 聲與聲發(fā)射-4/296.1.2聲形成的聽覺條件強(qiáng)度條件人耳可聽到的最小聲壓強(qiáng)度20Pa（聽閾聲壓）人耳感到疼痛的最小聲壓強(qiáng)度20Pa（痛閾聲壓）頻率條件人耳能敏感的最低聲波頻率20Hz，低于20Hz的聲波

2、為次聲人耳能敏感的最高聲波頻率20KHz，高于20KHz的聲波為超聲人類語言的頻率范圍約為100Hz5000 Hz;交響樂的頻率范圍比較寬，約為50Hz18000 Hz。C.6 聲與聲發(fā)射-5/296.2聲測量基礎(chǔ)6.2.1聲壓、聲強(qiáng)、聲功率 聲的強(qiáng)弱可采用聲壓、聲強(qiáng)和聲功率來度量。聲壓：由聲波引起的聲場壓強(qiáng)的變化，記為p(t)；單位為Pa（N/m2）在聲學(xué)測量中，聲場中某點(diǎn)聲壓定義為該點(diǎn)瞬時(shí)聲壓的均方根值或有效值聲壓，簡稱聲壓。當(dāng)聲頻為1000Hz 時(shí)，正常人耳剛剛聽到的聲壓為210-5 Pa，稱為聽閾聲壓，記為p0；當(dāng)聲壓為20Pa 時(shí)，能使人耳開始疼痛，稱為痛閾聲壓。C.6 聲與聲發(fā)射-

3、6/296.2.1聲壓、聲強(qiáng)、聲功率聲強(qiáng)：聲波在傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)通過與指定方向垂直單位面積的能量；單位為W/m2。對應(yīng)于聽閾聲壓的聲強(qiáng)為10-12 W/m2 ，并以此作為聲強(qiáng)的基準(zhǔn)；對應(yīng)于痛閾聲壓的聲強(qiáng)為1 W/m2 聲功率：聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是瓦（W）。聽閾聲壓的聲強(qiáng)為10-12W ，并以此作為聲功率的基準(zhǔn)；對應(yīng)于痛閾聲壓的聲功率為1W。C.6 聲與聲發(fā)射-7/296.2.3不相干聲波的疊加 兩不相干聲波的疊加 聲能量是可以代數(shù)相加的，假設(shè)兩不相干聲源的聲功率分別為W1和W2，那么總聲功率W總=W1+W2；若兩個(gè)聲源在某點(diǎn)的聲強(qiáng)為I1和I2時(shí)，疊加后的總聲強(qiáng)I總=I1+

4、I2。但是，聲壓級(jí)卻不能直接進(jìn)行代數(shù)相加。若兩無關(guān)聲源分別作用時(shí)在某點(diǎn)處聲壓級(jí)分別為LP1、LP2（Lp1Lp2）。則它們共同作用時(shí)的聲壓級(jí)LP為：PP212-217C.6 聲與聲發(fā)射-8/296.2.2聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)可聽聲的聲壓從聽閾到痛閾相差百萬倍，測量分析極不方便。人耳對聲強(qiáng)弱的主觀感覺與其聲壓變化的對數(shù)比值相關(guān)。引入“級(jí)”（對數(shù)標(biāo)度/分貝/dB ）來描述聲的強(qiáng)弱C.6 聲與聲發(fā)射-9/29(dB)聽閾聲壓級(jí)Lp ： 0 dB痛閾聲壓級(jí)Lp ： 120 dB 聲強(qiáng)級(jí)LI：(dB)聽閾聲強(qiáng)級(jí)LI ： 0 dB痛閾聲強(qiáng)級(jí)LI ： 120 dB 聲功率級(jí)LW：聽閾聲功率級(jí)LW ： 0

5、 dB痛閾聲功率級(jí)LW ：120 dB(dB)6.2.2聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)C.6 聲與聲發(fā)射-10/296.2.3不相干聲波的疊加 多個(gè)不相干聲波的疊加兩聲源合成聲壓級(jí)疊加計(jì)算方法可以推廣到任意多個(gè)不相干聲源疊加聲壓級(jí)的計(jì)算；多不相干聲源疊加合成聲壓級(jí)可以通過兩兩疊加方法獲得，結(jié)果與疊加次序無關(guān)。假設(shè)有8個(gè)聲源作用于一點(diǎn)，其聲壓級(jí)分別為 70、70、75、82、90、93、95、100dB，它們合成總聲壓級(jí)可以由任意兩兩聲源疊加方法求出，例如：C.6 聲與聲發(fā)射-11/29 純音等響曲線 （P217）1958年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO組織了18-25歲的青年進(jìn)行了大量以1000Hz、不同聲

6、壓級(jí)純音為響度基準(zhǔn)的對比試聽實(shí)驗(yàn)，繪制了不同頻率、相同響度等級(jí)的純音等響曲線。低頻不敏感區(qū)人耳聲響敏感區(qū)高頻不敏感區(qū)6.2.4人耳的聽覺特性各等響曲線標(biāo)識(shí)值稱為響度級(jí),單位為”phon”等響曲線反映了人耳對各種不同頻率純音的敏感程度，例如： 1000Hz/80dB20Hz/112dB4000Hz/70dB三個(gè)純音聽起來一樣響，所以它們響度級(jí)相同。C.6 聲與聲發(fā)射-12/29基于純音等響曲線，人們設(shè)計(jì)了一組頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)來測量噪聲，以模擬人耳對不同頻率主觀響度的聽覺特性。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) dB(A): 40phon等響曲線的反轉(zhuǎn)曲線 （低聲級(jí)測量網(wǎng)絡(luò)）B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) dB(B): 70phon等響曲線的反

7、轉(zhuǎn)曲線 （中等聲級(jí)計(jì)權(quán)測量網(wǎng)絡(luò)）C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) dB(C): 100phon等響曲線的反轉(zhuǎn)曲線 （高聲級(jí)計(jì)權(quán)測量網(wǎng)絡(luò)）D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) dB(D): 120phon等響曲線的反轉(zhuǎn)曲線 （航空聲級(jí)計(jì)權(quán)測量網(wǎng)絡(luò)）實(shí)驗(yàn)表明：A計(jì)權(quán)聲級(jí)與人耳的聽力損傷等有較好的相關(guān)性；C計(jì)權(quán)聲級(jí)近似表示總聲級(jí)，B計(jì)權(quán)較少用。6.2.5聲音的計(jì)權(quán)聲級(jí)C.6 聲與聲發(fā)射-13/296.3.1聲級(jí)計(jì)及其分類以聲壓級(jí)為測量內(nèi)容的系統(tǒng)為聲學(xué)測量系統(tǒng)。典型的聲學(xué)測量系統(tǒng)是聲級(jí)計(jì)，聲級(jí)計(jì)系統(tǒng)組成參見下圖：分貝指示前置放大器輸入衰減器輸入放大器計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)輸出衰減器輸出放大器倍頻程濾波器器RMS檢波器外接濾波器器電壓輸出傳聲器組合測量放大器傳聲器

8、eyC.6 聲與聲發(fā)射-14/296.3.1聲級(jí)計(jì)及其分類按照國際電工委員會(huì)（IEC）有關(guān)聲級(jí)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，工程測量中的聲級(jí)計(jì)共分為四個(gè)等級(jí)，即：聲級(jí)計(jì)等級(jí)計(jì)測精度適用測量場合0型型型型0.4dB0.7dB1.0dB1.5dB標(biāo)準(zhǔn)聲級(jí)計(jì)實(shí)驗(yàn)室用精密聲級(jí)計(jì)工程測量用普通聲級(jí)計(jì)監(jiān)測用聲級(jí)計(jì)C.6 聲與聲發(fā)射-15/296.3.2聲強(qiáng)測量系統(tǒng)聲強(qiáng)測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對聲強(qiáng)度及聲流向的測量。聲強(qiáng)測量系統(tǒng)的核心是聲強(qiáng)探頭（一對測量傳聲器）。ABPAPBPA 輸出PB 輸出定距柱傳聲器A傳聲器B前置放大器聲強(qiáng)正向手柄BK聲強(qiáng)探頭C.6 聲與聲發(fā)射-16/296.3.2聲強(qiáng)測量系統(tǒng)聲強(qiáng)測量系統(tǒng)通過聲強(qiáng)探頭及分析裝置

9、可以測量機(jī)電設(shè)備等的輻射聲流向，利用此法可以鑒別及定位聲源。被測聲源外界噪聲源包圍面C.6 聲與聲發(fā)射-17/296.3聲測量系統(tǒng)7-3-2 聲強(qiáng)測量系統(tǒng)基于現(xiàn)代聲強(qiáng)測量系統(tǒng)，利用聲強(qiáng)云紋分析圖可以直觀、準(zhǔn)確地識(shí)別和定位聲源。C.6 聲與聲發(fā)射-18/29噪聲具有聲的一切物理性質(zhì)，但它與水、空氣和固體污染一樣已被列為人類社會(huì)的四大污染之一。工業(yè)噪聲測量包含評(píng)價(jià)機(jī)器設(shè)備或產(chǎn)品噪聲影響水平、識(shí)別機(jī)器設(shè)備或產(chǎn)品噪聲源，以及獲取噪聲控制有用信息和防止噪聲污染等方面的內(nèi)容。（對于復(fù)雜噪聲測量與控制技術(shù)等內(nèi)容，請參閱有關(guān)專著）。6.4工業(yè)噪聲測量技術(shù)6.4.1 機(jī)器噪聲現(xiàn)場測量的目的及內(nèi)容現(xiàn)場測量是指在工

10、廠車間的工作現(xiàn)場條件下，對機(jī)械設(shè)備噪聲進(jìn)行測量，其目的為： 對現(xiàn)場設(shè)備的噪聲作出評(píng)價(jià)； 對不同類型機(jī)械設(shè)備的噪聲進(jìn)行比較； 對設(shè)備噪聲進(jìn)行控制?，F(xiàn)場噪聲測量內(nèi)容：主要是A聲級(jí)測量和倍頻程頻譜分析；有條件時(shí)應(yīng)將噪聲測量信號(hào)記錄下來，以備后續(xù)分析。C.6 聲與聲發(fā)射-19/296.4.2機(jī)器噪聲測量的技術(shù)規(guī)范a) 測點(diǎn)數(shù)目n無指向性聲源：n=1指向性聲源： n4 要求：相鄰測點(diǎn)聲壓級(jí)差不超過5dBb) 測點(diǎn)與機(jī)器 表面的距離d測點(diǎn)1米測量回線機(jī)器外形輪廓機(jī)器尺寸 1m : d= 1m 測點(diǎn)設(shè)置C.6 聲與聲發(fā)射-20/296.4.2機(jī)器噪聲測量的技術(shù)規(guī)范c) 測點(diǎn)高度h人操作設(shè)備：h=1.5m普通

11、機(jī)器： h取機(jī)器半高或水平軸線高d) 測點(diǎn)方向一般設(shè)備： 正向排氣噪聲: 軸線45排氣口0.5m或1m4500.5m或1m 測點(diǎn)設(shè)置C.6 聲與聲發(fā)射-21/29對空氣動(dòng)力機(jī)械，如通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等，若要測量進(jìn)、排氣噪聲，則進(jìn)氣噪聲測點(diǎn)應(yīng)在進(jìn)氣口軸向，距管口平面最小距離為1倍管口直徑，通常選在距管口平面0.5或1米處。排氣噪聲測點(diǎn)則應(yīng)取在與排氣管軸線成45方向上或管口平面上，距管口中心0.5米、1米或2米處。進(jìn)氣口0.5m或 1m進(jìn)、排氣口噪聲測點(diǎn)選擇6.4工業(yè)噪聲測量技術(shù)排氣口0.5或1m4500.5m或1mC.6 聲與聲發(fā)射-22/296.5.1聲發(fā)射(Acoustic Emission)簡

12、介1) AE定義： 是指材料或結(jié)構(gòu)在外界條件 (應(yīng)力、溫度、磁場等) 的作用下，其內(nèi)部缺陷或異常部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生變形或斷裂，并伴隨能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性應(yīng)力波現(xiàn)象。(頻率可達(dá)MHz) 2) AET（Acoustic Emission Technique）：用聲發(fā)射系統(tǒng)采集應(yīng)力波，并對采集信號(hào)進(jìn)行處理和分析以評(píng)價(jià)缺陷發(fā)生發(fā)展規(guī)律和尋找缺陷位置的技術(shù)。3) AET優(yōu)點(diǎn): 實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、方便、覆蓋面廣4) AET存在的問題: 缺陷識(shí)別易受波傳播模態(tài)、衰減快慢、傳感器靈敏度和閾值設(shè)置等因素影響 ;不易反演靜態(tài)缺陷位置現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)以1950s Kaiser的研究工作為標(biāo)志C.6 聲與聲發(fā)射-2

13、3/296.5.2AET聲發(fā)射測量傳感器 壓電陶瓷傳感器 (PZT)優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻帶寬、測量精度高、性能穩(wěn)定缺點(diǎn)：平面橫觀各向同性、脆性大、極限應(yīng)變小。 電容傳感器具有寬頻響應(yīng)特性，可用于聲發(fā)射測量及傳感器標(biāo)定。 非接觸光纖聲發(fā)射傳感器基于光柵自干涉效應(yīng)的聲發(fā)射光纖傳感器具有測量頻帶寬、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。C.6 聲與聲發(fā)射-24/296.5.3超聲測量技術(shù) 超聲波物理基礎(chǔ) 頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波；它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板且能量損失小。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。 超聲波的波型分類 超聲

14、波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。 表面波C.6 聲與聲發(fā)射-25/296.5.3超聲測量技術(shù) 超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。 超聲脈沖電壓輸入端接地端將數(shù)百伏超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波；當(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。C.6 聲與聲發(fā)射-26/296.5.3超聲測量技術(shù) 超聲測量的工程應(yīng)用 超聲波測量應(yīng)用有兩種基本類型：當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。 超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。 木材測厚超聲探傷超聲測量液位C.6 聲與聲發(fā)射-27/29預(yù)應(yīng)力混凝土梁聲發(fā)射檢測橋梁聲發(fā)射檢測6.5聲發(fā)射測量技術(shù)氫烴球罐聲發(fā)射檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)械聲發(fā)射檢測C.6 聲與聲發(fā)射-28/29參考文獻(xiàn)何嶺