機械工程測試技術基礎：第6章 聲與聲發(fā)射

1、機械工程測試技術基礎-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)射本章學習要求聲的物理特性及度量聲學傳感器及測量系統(tǒng)聲強測量與噪聲源識別聲發(fā)射測量技術質量檢查機械手定位聲發(fā)射裝置C.6 聲與聲發(fā)射-3/296.1 概述6.11 聲形成的物理條件聲波形成必須具有聲源及傳播媒介兩個基本條件，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！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度條件人耳可聽到的最小聲壓強度20Pa（聽閾聲壓）人耳感到疼痛的最小聲壓強度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6.2.1聲壓、聲強、聲功率 聲的強弱可采用聲壓、聲強和聲功率來度量。聲壓：由聲波引起的聲場壓強的變化，記為p(t)；單位為Pa（N/m2）在聲學測量中，聲場中某點聲壓定義為該點瞬時聲壓的均方根值或有效值聲壓，簡稱聲壓。當聲頻為1000Hz 時，正常人耳剛剛聽到的聲壓為210-5 Pa，稱為聽閾聲壓，記為p0；當聲壓為20Pa 時，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、聲功率聲強：聲波在傳播方向上單位時間內通過與指定方向垂直單位面積的能量；單位為W/m2。對應于聽閾聲壓的聲強為10-12 W/m2 ，并以此作為聲強的基準；對應于痛閾聲壓的聲強為1 W/m2 聲功率：聲源在單位時間內發(fā)射出的總能量，單位是瓦（W）。聽閾聲壓的聲強為10-12W ，并以此作為聲功率的基準；對應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；若兩個聲源在某點的聲強為I1和I2時，疊加后的總聲強I總=I1+

4、I2。但是，聲壓級卻不能直接進行代數(shù)相加。若兩無關聲源分別作用時在某點處聲壓級分別為LP1、LP2（Lp1Lp2）。則它們共同作用時的聲壓級LP為：PP212-217C.6 聲與聲發(fā)射-8/296.2.2聲壓級、聲強級、聲功率級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。人耳對聲強弱的主觀感覺與其聲壓變化的對數(shù)比值相關。引入“級”（對數(shù)標度/分貝/dB ）來描述聲的強弱C.6 聲與聲發(fā)射-9/29(dB)聽閾聲壓級Lp ： 0 dB痛閾聲壓級Lp ： 120 dB 聲強級LI：(dB)聽閾聲強級LI ： 0 dB痛閾聲強級LI ： 120 dB 聲功率級LW：聽閾聲功率級LW ： 0

5、 dB痛閾聲功率級LW ：120 dB(dB)6.2.2聲壓級、聲強級、聲功率級C.6 聲與聲發(fā)射-10/296.2.3不相干聲波的疊加 多個不相干聲波的疊加兩聲源合成聲壓級疊加計算方法可以推廣到任意多個不相干聲源疊加聲壓級的計算；多不相干聲源疊加合成聲壓級可以通過兩兩疊加方法獲得，結果與疊加次序無關。假設有8個聲源作用于一點，其聲壓級分別為 70、70、75、82、90、93、95、100dB，它們合成總聲壓級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，國際標準化組織ISO組織了18-25歲的青年進行了大量以1000Hz、不同聲

6、壓級純音為響度基準的對比試聽實驗，繪制了不同頻率、相同響度等級的純音等響曲線。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識值稱為響度級,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三個純音聽起來一樣響，所以它們響度級相同。C.6 聲與聲發(fā)射-12/29基于純音等響曲線，人們設計了一組頻率計權網(wǎng)絡來測量噪聲，以模擬人耳對不同頻率主觀響度的聽覺特性。A計權網(wǎng)絡 dB(A): 40phon等響曲線的反轉曲線 （低聲級測量網(wǎng)絡）B計權網(wǎng)絡 dB(B): 70phon等響曲線的反

7、轉曲線 （中等聲級計權測量網(wǎng)絡）C計權網(wǎng)絡 dB(C): 100phon等響曲線的反轉曲線 （高聲級計權測量網(wǎng)絡）D計權網(wǎng)絡 dB(D): 120phon等響曲線的反轉曲線 （航空聲級計權測量網(wǎng)絡）實驗表明：A計權聲級與人耳的聽力損傷等有較好的相關性；C計權聲級近似表示總聲級，B計權較少用。6.2.5聲音的計權聲級C.6 聲與聲發(fā)射-13/296.3.1聲級計及其分類以聲壓級為測量內容的系統(tǒng)為聲學測量系統(tǒng)。典型的聲學測量系統(tǒng)是聲級計，聲級計系統(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權網(wǎng)絡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聲級計及其分類按照國際電工委員會（IEC）有關聲級計的標準，工程測量中的聲級計共分為四個等級，即：聲級計等級計測精度適用測量場合0型型型型0.4dB0.7dB1.0dB1.5dB標準聲級計實驗室用精密聲級計工程測量用普通聲級計監(jiān)測用聲級計C.6 聲與聲發(fā)射-15/296.3.2聲強測量系統(tǒng)聲強測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對聲強度及聲流向的測量。聲強測量系統(tǒng)的核心是聲強探頭（一對測量傳聲器）。ABPAPBPA 輸出PB 輸出定距柱傳聲器A傳聲器B前置放大器聲強正向手柄BK聲強探頭C.6 聲與聲發(fā)射-16/296.3.2聲強測量系統(tǒng)聲強測量系統(tǒng)通過聲強探頭及分析裝置

9、可以測量機電設備等的輻射聲流向，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 聲強測量系統(tǒng)基于現(xiàn)代聲強測量系統(tǒng)，利用聲強云紋分析圖可以直觀、準確地識別和定位聲源。C.6 聲與聲發(fā)射-18/29噪聲具有聲的一切物理性質，但它與水、空氣和固體污染一樣已被列為人類社會的四大污染之一。工業(yè)噪聲測量包含評價機器設備或產(chǎn)品噪聲影響水平、識別機器設備或產(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容。（對于復雜噪聲測量與控制技術等內容，請參閱有關專著）。6.4工業(yè)噪聲測量技術6.4.1 機器噪聲現(xiàn)場測量的目的及內容現(xiàn)場測量是指在工

10、廠車間的工作現(xiàn)場條件下，對機械設備噪聲進行測量，其目的為： 對現(xiàn)場設備的噪聲作出評價； 對不同類型機械設備的噪聲進行比較； 對設備噪聲進行控制?，F(xiàn)場噪聲測量內容：主要是A聲級測量和倍頻程頻譜分析；有條件時應將噪聲測量信號記錄下來，以備后續(xù)分析。C.6 聲與聲發(fā)射-19/296.4.2機器噪聲測量的技術規(guī)范a) 測點數(shù)目n無指向性聲源：n=1指向性聲源： n4 要求：相鄰測點聲壓級差不超過5dBb) 測點與機器 表面的距離d測點1米測量回線機器外形輪廓機器尺寸 1m : d= 1m 測點設置C.6 聲與聲發(fā)射-20/296.4.2機器噪聲測量的技術規(guī)范c) 測點高度h人操作設備：h=1.5m普通

11、機器： h取機器半高或水平軸線高d) 測點方向一般設備： 正向排氣噪聲: 軸線45排氣口0.5m或1m4500.5m或1m 測點設置C.6 聲與聲發(fā)射-21/29對空氣動力機械，如通風機、壓縮機等，若要測量進、排氣噪聲，則進氣噪聲測點應在進氣口軸向，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。排氣噪聲測點則應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。進氣口0.5m或 1m進、排氣口噪聲測點選擇6.4工業(yè)噪聲測量技術排氣口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： 是指材料或結構在外界條件 (應力、溫度、磁場等) 的作用下，其內部缺陷或異常部位因應力集中而產(chǎn)生變形或斷裂，并伴隨能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性應力波現(xiàn)象。(頻率可達MHz) 2) AET（Acoustic Emission Technique）：用聲發(fā)射系統(tǒng)采集應力波，并對采集信號進行處理和分析以評價缺陷發(fā)生發(fā)展規(guī)律和尋找缺陷位置的技術。3) AET優(yōu)點: 實時、動態(tài)、方便、覆蓋面廣4) AET存在的問題: 缺陷識別易受波傳播模態(tài)、衰減快慢、傳感器靈敏度和閾值設置等因素影響 ;不易反演靜態(tài)缺陷位置現(xiàn)代聲發(fā)射技術以1950s Kaiser的研究工作為標志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：響應速度快、頻帶寬、測量精度高、性能穩(wěn)定缺點：平面橫觀各向同性、脆性大、極限應變小。 電容傳感器具有寬頻響應特性，可用于聲發(fā)射測量及傳感器標定。 非接觸光纖聲發(fā)射傳感器基于光柵自干涉效應的聲發(fā)射光纖傳感器具有測量頻帶寬、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。C.6 聲與聲發(fā)射-24/296.5.3超聲測量技術 超聲波物理基礎 頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波；它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板且能量損失小。在遇到兩種介質的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，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 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，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波；當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉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 超聲測量的工程應用 超聲波測量應用有兩種基本類型：當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。 超聲發(fā)射器與接收器置于同側的屬于反射型，反射型可用于接近開關、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預應力混凝土梁聲發(fā)射檢測橋梁聲發(fā)射檢測6.5聲發(fā)射測量技術氫烴球罐聲發(fā)射檢測旋轉機械聲發(fā)射檢測C.6 聲與聲發(fā)射-28/29參考文獻何嶺