機(jī)械電主軸類畢業(yè)設(shè)計(jì)論文完整版

1、 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目作者 學(xué)院 專業(yè) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 二一一年五月二十三日湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)評(píng)閱人： （簽名）年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)共頁(yè)2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙共頁(yè)3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)共頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文

2、）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)答辯委員會(huì)主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)各類機(jī)電產(chǎn)品和設(shè)備也提出了更高、更新的要求。為滿足這種要求，目前許多機(jī)電系統(tǒng)正向復(fù)雜化、高速化及相對(duì)重載化的方向發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展，對(duì)高速加工的核心部件高速電主軸的噪聲問(wèn)題也提出了越來(lái)越高的要求。因此噪聲已經(jīng)成為了評(píng)價(jià)高速電主軸性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)?；诖?，本文開(kāi)展對(duì)高速電主軸噪聲分析及控制研究主要內(nèi)容有：對(duì)振動(dòng)噪聲基本理論特別是前人關(guān)于高速電主軸噪聲的知識(shí)做了總結(jié)。對(duì)高速電主軸結(jié)構(gòu)

3、、工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)高速電主軸各種噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和特征作了較為詳細(xì)的闡述，討論了各種噪聲的影響因素及相應(yīng)的控制措施；在噪聲測(cè)試方面，介紹了常用的測(cè)量噪聲的聲壓法、聲強(qiáng)法。聲強(qiáng)法方面主要做了理論上的探討，研究了聲強(qiáng)測(cè)量的原理及如何減小測(cè)量誤差等，為進(jìn)一步應(yīng)用其開(kāi)展噪聲研究工作做了準(zhǔn)備；討論各種識(shí)別高速電主軸噪聲源的方法及其原理。最后以型號(hào)為的高速電主軸為研究對(duì)象，對(duì)其聲壓進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)定了該電主軸的聲功率級(jí)，并分析了所測(cè)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，初步分析了噪聲的產(chǎn)生原因和主要噪聲源的位置。關(guān)鍵詞：高速電主軸噪聲，聲壓，噪聲測(cè)試，頻譜分析ABSTRACT As science and techno

4、logy development and improvement of living standards , People of all kinds of mechanical and electrical products and equipment is also a higher, updated requirements. To meet this requirement, many current positive complex mechanical and electrical systems, high speed and relatively heavy in the dir

5、ection of development. Along with these developments, the core components of high-speed machining of high-speed electric spindle noise made ever-increasing demands,Noise index is an important aspect in evaluating engines performance.Carry out high-speed electric spindle analysis and control of noise

6、 is important.The main contents of this article as follow: Fundamental theories about vibration and noise especially precedential research on high-speed electric spindle noise are summarized.On the basis of analyzing high-speed electric spindles structure and working principle, the origination, char

7、acteristics, influential factors and control measures of high-speed electric spindle noise are analyzed in this paper; With regard to noise testing,sound pressure and sound intensity are introduced. Study of sound intensity is focused on testing principal,instruction and how to reduce error.The work

8、s will be helpful for the further noise studying through sound intensity; Discussed the high-speed electric spindle various identification method and principle of noise. The testing object in this paper is an high-speed spindle (type:), sound pressure is measured to determine the sound power level o

9、f the spindle, and analyzed the spectral structure of the measured signal, a preliminary analysis of the causes of noise and the main noise source location.Keywords:high-speed spindle noise,sound pressure,noise testing,frequency spectrum analysis目 錄 第一章 緒論1 1.1 本課題研究的意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.2.1 噪聲分析與控制的提

10、出3 1.2.2 噪聲分析與控制的發(fā)展5 1.2.3 高速電主軸噪聲的研究現(xiàn)狀6 1.3 本課題研究?jī)?nèi)容7 高速電主軸振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生和特征92.1 高速電主軸的振動(dòng)分析9 2.2.1 高速電主軸的基本結(jié)構(gòu)9 2.2.2 高速電主軸工作原理11 2.2.3 高速電主軸振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理12 2.2 電主軸噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和特征13 2.2.1 電磁噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和特征13 2.2.2 機(jī)械噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和特征13 2.2 噪聲分析與控制中的聲學(xué)基礎(chǔ)14 2.3.1 聲波的產(chǎn)生與聲壓14 2.3.2 聲學(xué)波動(dòng)方程16 2.3.3 聲波的能量、聲強(qiáng)和聲功率20 2.3.4 聲級(jí)21 噪聲測(cè)試技術(shù)24 3

11、.1 概述 24 3.2 噪聲測(cè)量系統(tǒng)25 3.3 聲壓測(cè)量26 3.3.1 聲級(jí)計(jì)26 3.3.2 聲壓測(cè)量中的注意事項(xiàng)26 3.4 聲強(qiáng)測(cè)量27 3.4.1 聲強(qiáng)測(cè)量基本原理27 3.4.2 聲強(qiáng)測(cè)量的誤差分析30 高速電主軸噪聲的仿真分析344.1 Labview 軟件簡(jiǎn)介344.2 測(cè)量點(diǎn)的布置364.3 測(cè)量過(guò)程374.4 測(cè)量結(jié)果的仿真分析384.5 結(jié)論47 總結(jié)與展望48參考文獻(xiàn) 49致謝 52 第一章 緒論 1.1 本課題的研究意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們逐步認(rèn)識(shí)到，噪聲已成為影響最廣的一種公害，是四大環(huán)境污染之一。噪聲是一種聲學(xué)污染源，它不僅影響人們的身心健

12、康，影響人們的工作休息，而且也是降低工作人員的勞動(dòng)效率,導(dǎo)致各種事故發(fā)生的重要原因。時(shí)間久了，噪聲除了對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)有損傷以外，還對(duì)大腦的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及消化系統(tǒng)等均有影響，這稱之為噪聲的生理效應(yīng)。 噪聲還嚴(yán)重影響工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。一般來(lái)講，產(chǎn)品的噪聲越大，產(chǎn)品的質(zhì)量就越低劣，因而其在市場(chǎng)上的占有率就越低。特別是產(chǎn)品的能夠直接被用戶所感覺(jué)到，因而其噪聲往往產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售的關(guān)鍵因素。一般情況下，我們知道，一件產(chǎn)品其加工精度越高，噪聲就越低，反之越高。例如，當(dāng)今的硬盤(pán)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)極其激烈，其競(jìng)爭(zhēng)不僅僅表現(xiàn)在儲(chǔ)存量、搜索速度荷穩(wěn)定性上，在硬盤(pán)的噪聲方面更是投入了更大的人力和物力。因?yàn)?，一旦速度提高?/p>

13、隨之而來(lái)的振動(dòng)噪聲就會(huì)增大，而這些煩人的“吱吱”聲對(duì)于計(jì)算機(jī)用戶來(lái)講，是非常影響思緒和情緒的。所以，多數(shù)的顧客在選擇計(jì)算機(jī)時(shí)都要求硬盤(pán)的噪聲小。由于用戶的高度重視，各硬盤(pán)生產(chǎn)廠家在噪聲的控制上花的功夫相當(dāng)大。而ISO也很早就制定了噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)業(yè)很多時(shí)候只是注意了功能的實(shí)現(xiàn)，往往忽視了噪聲、外形等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，所以在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。高速加工于20世紀(jì)90年代初期進(jìn)入工業(yè)制造領(lǐng)域，是制造工業(yè)史上繼數(shù)控加工之后的又一項(xiàng)重大創(chuàng)新，它不僅可以獲得更大的生產(chǎn)效率,而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，而高速加工一個(gè)最根本最核心的特點(diǎn)和技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)高速的切削速度，因此高速電主軸單元成為高速加工機(jī)床核

14、心部件。高速電主軸作為高速機(jī)床的核心部件，也是該機(jī)床的主要噪聲源。電主軸中電磁噪聲和機(jī)械噪聲是不可避免的，它是反映電機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)其空載運(yùn)轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行性能預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，研究隔振與降噪技術(shù)，并依據(jù)噪聲來(lái)辨別和排除機(jī)器故障,不僅能保證生產(chǎn)任務(wù)完成,還可防止安全事故發(fā)生。因此，噪聲問(wèn)題是一個(gè)具有極強(qiáng)實(shí)際意義的問(wèn)題。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從二十世紀(jì)五、六十年代開(kāi)始，國(guó)外一些研究單位和高效就進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究工作。目前為止，抑制機(jī)構(gòu)噪聲的方法主要通過(guò)兩種途徑：一種是直接對(duì)噪聲進(jìn)行控制，一種是通過(guò)控制振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的控制，前者的提出很自然，是最早使用的，它主要分為被

15、動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種。吸聲、隔聲等被動(dòng)控制很早就應(yīng)用在控制的實(shí)踐中，1934年德國(guó)物理學(xué)家 Paul Lueg（18981979）分別向德國(guó)、美國(guó)提出名為“消除聲音振蕩過(guò)程（Process of Silencing Sound Oscillation）”，標(biāo)志著噪聲的主動(dòng)控制研究的開(kāi)端，有源消聲（Active Noise Control）開(kāi)始被研究。1975年N. Lalor 和 M. Petyt 在SAE上發(fā)表了作為噪聲源的內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)。1982年，M.F.Russell在文章中對(duì)柴油機(jī)噪聲控制技術(shù)進(jìn)行了論述。于此同時(shí)，一些學(xué)校和企業(yè)也進(jìn)行了大量的研究工作，英國(guó)的南安普頓大學(xué)（Univ

16、ersity of southampton）振動(dòng)噪聲研究所于上世紀(jì)七十年代在對(duì)一些主要內(nèi)燃機(jī)制造公司生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)噪聲測(cè)試的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測(cè)柴油機(jī)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的經(jīng)驗(yàn)公式，隨著柴油機(jī)降噪工作的開(kāi)展，英國(guó)的里卡多（Ricardo）公司又對(duì)該公式進(jìn)行了修改。1.2.1. 噪聲分析與控制的提出 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)各類機(jī)電產(chǎn)品和設(shè)備也提出了更高、更新的要求。為滿足這種需要，目前許多機(jī)電系統(tǒng)正向復(fù)雜化、高速化及相對(duì)重載化的方向發(fā)展。伴隨著這些發(fā)展，隨之而來(lái)的噪聲問(wèn)題正日益突出。 噪聲的危害是多方面的，其中最直接、最明顯的表現(xiàn)在于對(duì)人的各種影響。噪聲嚴(yán)重影響人們的工作效率，長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)噪

17、聲環(huán)境中工作會(huì)使聽(tīng)力受到損害，人在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境下暴露一定時(shí)間會(huì)出現(xiàn)聽(tīng)力下降的現(xiàn)象，但到安靜的場(chǎng)所停留一段時(shí)間，聽(tīng)覺(jué)就會(huì)恢復(fù)，這種現(xiàn)象叫做暫時(shí)性聽(tīng)閥偏移，也叫做聽(tīng)覺(jué)疲勞。但是長(zhǎng)年累月的在強(qiáng)噪聲環(huán)境下工作，不斷的接收強(qiáng)噪聲的刺激，則聽(tīng)覺(jué)不能復(fù)原，造成永久性聽(tīng)閥偏移，即聽(tīng)力損失。有資料表明：在80dB一下職業(yè)性噪聲暴露時(shí)，一般不致引起噪聲性耳聾（并不是指不造成聽(tīng)力損失）；在85dB下可造成輕微的聽(tīng)力損失；在85dB90dB之間，會(huì)造成少數(shù)人的噪聲性耳聾；在90dB100dB之間，造成一定數(shù)量人的噪聲性耳聾；在100dB以上，造成相當(dāng)數(shù)量人的噪聲性耳聾。 除了對(duì)人聽(tīng)力的影響外，聽(tīng)力還對(duì)人的健康有很大

18、的危害。它直接作用于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使人的基本生理過(guò)程失調(diào)，甚至還會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等方面的疾病。此外，噪聲還會(huì)對(duì)建筑物造成損壞，干擾精密儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)。 噪聲的來(lái)源是很多方面的，其中電磁噪聲和機(jī)械噪聲是主要因素。電磁噪聲是由氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的、作用在定子鐵芯上的徑向力波引起的。而機(jī)械噪聲又稱結(jié)構(gòu)噪聲，是在撞擊、摩擦、交變應(yīng)力等的作用下，機(jī)械構(gòu)件由于振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。目前，在高速加工技術(shù)領(lǐng)域廣域使用著以電主軸為主體的各種高速機(jī)構(gòu)，它的電磁噪聲以及振動(dòng)噪聲構(gòu)成了機(jī)械設(shè)備總噪聲的一個(gè)重要部分。因此，設(shè)備電磁噪聲以及振動(dòng)噪聲的有效控制對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品整體降噪具有十分重要的意義。 目前，產(chǎn)品的

19、噪聲指標(biāo)已經(jīng)成為衡量其先進(jìn)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素之一。許多國(guó)家和國(guó)際組織如ISO等都制定了相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。目前，如何對(duì)噪聲進(jìn)行有效的控制或如何基于噪聲控制設(shè)計(jì)高性能產(chǎn)品，已成為急需進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。甚至，下一世紀(jì)對(duì)噪聲的控制技術(shù)的研究與應(yīng)用依然是重要的前沿性研究領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)應(yīng)予以考慮的重要因素之一。1.2.2. 噪聲分析與控制的發(fā)展由于理論和科技的限制,很早的時(shí)候人們就開(kāi)始采用被動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行噪聲的控制,即噪聲的無(wú)源控制。主要有以下幾種方法：用吸聲方法降低噪聲用吸聲方法降低噪聲的方法是指利用吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)吸收聲能，從而控制噪聲強(qiáng)度。吸聲材料的吸聲性能用吸聲系數(shù)和聲阻抗表

20、示。被吸收的聲能對(duì)入射聲能之比定義為吸聲系數(shù)，即=吸收聲能/入射聲能 （1-1）吸聲系數(shù)是衡量材料對(duì)聲能的吸收量的標(biāo)準(zhǔn)，吸聲系數(shù)大吸聲效果越好，它與材料的物理性質(zhì)、聲波頻率及聲波射線的入射角有關(guān)。任何材料對(duì)聲波都能吸收，但吸收的程度各有不同，一般密度越小，孔隙越多，吸聲性能越好，但如孔隙過(guò)大，成為疏松稀薄材料，則吸聲性能反而降低。用隔聲法降低噪聲人們?cè)诼?tīng)到巨大的聲音時(shí)，就本能的用手捂住耳朵，這可能就是人類最早利用的隔聲方法。隔聲就是把發(fā)聲的物體，或把需要控制噪聲的場(chǎng)所封閉起來(lái)，使其與周圍的環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)，成為聲學(xué)上的孤立系統(tǒng)。一般情況下，我們都是進(jìn)行空氣聲的隔離，采用的方式通常有三種方法：a.單

21、層隔聲裝置；b.雙層隔聲裝置；c.帶空氣層的雙層隔聲裝置。單層隔聲裝置中常用的隔聲墻、專用隔聲材料。對(duì)于單層隔聲墻，隔聲效果與墻的單位面積重量、噪聲頻率有關(guān)，單位面積重量越大，噪聲頻率越高，隔聲的效果越理想，但是通常對(duì)其厚度要求較高。所以后來(lái)出現(xiàn)了帶空氣的雙層 隔聲裝置，當(dāng)噪聲的頻率高于空氣層結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，比單層的要好。另外還有一種消聲方式就是通過(guò)消聲器來(lái)降低噪聲，這種方式主要用在對(duì)環(huán)境噪聲的控制，在我們的研究系統(tǒng)中不會(huì)涉及，這里不做過(guò)多的介紹。1.2.3. 高速電主軸噪聲的研究現(xiàn)狀高速加工技術(shù)作為一個(gè)新興領(lǐng)域，而高速電主軸又是其核心部分，其噪聲更是決定了電主軸的性能，反映了電主軸設(shè)計(jì)和制

22、造水平的重要指標(biāo)，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)電主軸噪聲的研究相當(dāng)積極。目前噪聲測(cè)試方法主要有聲壓法、聲強(qiáng)法、聲發(fā)射法（AE）和聲振動(dòng)測(cè)量法，趨向于各種方法的綜合應(yīng)用。更多地借助于聲強(qiáng)法和模態(tài)測(cè)量法、能量流或功率流測(cè)量法來(lái)研究機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的噪聲形成固體傳播和輻射規(guī)律。Mba D 等的研究結(jié)果表明,聲發(fā)射方法比振動(dòng)分析能更好地檢測(cè)到元件早期失效,通過(guò)分析徑向載荷、回轉(zhuǎn)速度與高水平背景噪聲對(duì)AE檢測(cè)的可靠性影響,提出了滾動(dòng)軸承聲發(fā)射的門檻值,提出用能量均方根值與AE 技術(shù)來(lái)檢測(cè)軸承、機(jī)器的缺陷。Miettinen J 等研究了脂潤(rùn)滑軸承的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法,分析了脂中污染物對(duì)軸承聲發(fā)射的影響,結(jié)果表明小污染顆粒比大

23、污染顆粒的聲發(fā)射脈沖數(shù)水平高,AE 時(shí)域分析方法是分析污染物顆粒硬度的合理方法;AE 水平不是隨污染物增多而線性增加,有時(shí)可觀測(cè)到減少的現(xiàn)象。 美國(guó)的Rorrer R A L 等分析了粘滑參數(shù)對(duì)摩擦振動(dòng)的影響,結(jié)果表明靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)的差是決定噪聲的最重要參數(shù),速度的均方根值與靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差之間有很好的相關(guān)性。 Perls 提出高速電主軸中可能存在的電纜噪聲：當(dāng)電纜收縮、彎曲、被敲擊、擠壓或扭曲時(shí)都產(chǎn)生電荷，因?yàn)榇藭r(shí)在電介質(zhì)與外部保護(hù)殼或電介質(zhì)與中間的導(dǎo)體之間都會(huì)產(chǎn)生摩擦。Sanjay Kumar Jha 提出從噪聲輻射點(diǎn)和噪聲源入手，使用聲學(xué)照相機(jī)監(jiān)測(cè)到高頻噪聲輻射點(diǎn)，再通過(guò)振動(dòng)的測(cè)

24、量監(jiān)測(cè)到低頻的噪聲源，對(duì)高速電主軸噪聲研究奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)朝著大容量、高速度和小型廉價(jià)化方向迅速發(fā)展，各種分析軟件和數(shù)值解析方法得到大量運(yùn)用，有限元法（FEM）是工程分析中最通用而強(qiáng)大的分析方法。近年來(lái)有學(xué)者用邊界元法（BEM）和雷利（Rayleigh）積分法研究結(jié)構(gòu)輻射噪聲，比其他方法更加準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單省時(shí)。噪聲控制由傳統(tǒng)的消聲、隔聲、吸聲和隔振等手段向結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)聲源直接控制和傳統(tǒng)手段相結(jié)合的方向發(fā)展。人們逐步開(kāi)始以系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看待噪聲問(wèn)題，從電主軸的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)，做出噪聲評(píng)價(jià)，對(duì)電主軸零部件實(shí)施噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3 本課題研究?jī)?nèi)容本課題主要研究?jī)?nèi)容如

25、下：系統(tǒng)研究振動(dòng)和噪聲理論，特別是有關(guān)電主軸振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、影響因素和傳播途徑等知識(shí)。研究各種現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)如 LabVIEW 仿真分析、頻譜分析、功率譜分析等在噪聲分析中的應(yīng)用。探討點(diǎn)主軸噪聲的噪聲源識(shí)別方法和原理。仿真電主軸噪聲的波形圖和頻譜圖，根據(jù)頻譜圖進(jìn)行聲源識(shí)別、找出主噪聲源，并初步分析其噪聲產(chǎn)生的原因及影響因素，并盡可能地提出合理化的降噪措施。電主軸振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生和特征 2.1 高速電主軸的振動(dòng)分析2.1.1. 高速電主軸的基本結(jié)構(gòu)高速電主軸基本結(jié)構(gòu)如圖2.3所示： 圖2.3 電主軸結(jié)構(gòu)圖 電主軸由主軸及主軸箱本體、內(nèi)置式的交流伺服電機(jī)、軸承等組成。電機(jī) 的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸

26、做成一體。主軸則由前后軸承支撐。轉(zhuǎn)子和定子通 過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制。而主 軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。在株洲的后面裝有測(cè)速角編碼器、送到油缸、旋轉(zhuǎn)接頭；前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具、刀具夾爪；中間有刀具拉桿、刀具夾緊彈簧。 軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。因?yàn)殡娭鬏S的最高轉(zhuǎn)速和軸承的大小、布置和潤(rùn)滑方式有很大的關(guān)系，所以這種軸承必須具有高速性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)了陶瓷軸承、磁浮軸承、動(dòng)靜壓軸承。軸承的裝配將直接影響主軸的精度和壽命，因此軸承座尺寸精度、位置精度軸承內(nèi)外圈襯套尺寸精度、軸承裝配預(yù)加載負(fù)荷要求都非常高，加工中

27、心電主軸內(nèi)錐孔面跳動(dòng)要求為：2，要求到電主軸如此高的精度，前后支承都采用成組角接觸球軸承，承受軸向和徑向負(fù)荷，前面一對(duì)，后面一對(duì)。軸承一般是廠家配好的或者是自由組合軸承，在維修裝配時(shí)，要檢查軸承內(nèi)外圈襯套尺寸，經(jīng)過(guò)測(cè)量，軸承內(nèi)圈的寬度加上內(nèi)圈襯套長(zhǎng)度要大于軸承外圈的寬度加上外圈襯套長(zhǎng)度。軸承內(nèi)圈預(yù)加載負(fù)荷，也就是鎖緊螺母的扭矩為120Nm。2. 主軸主軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)主體，其制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品主軸的行位公差和尺寸精度要求都很高。當(dāng)主軸軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由偏心質(zhì)量引起的振動(dòng)，嚴(yán)重影響其動(dòng)態(tài)性能，因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡，部分安裝在主軸上的零件也應(yīng)隨轉(zhuǎn)軸一起進(jìn)行動(dòng)平

28、衡。3. 主軸箱本體主軸箱本體又被稱為軸殼，軸殼是高速電主軸的主要部件，軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座直接設(shè)計(jì)在軸殼上。電主軸為加裝電動(dòng)機(jī)定子，必須開(kāi)放一端。大型或特種電主軸，為方便制造、節(jié)省材料，可將軸殼兩端均設(shè)計(jì)成開(kāi)放型、高速、大功率和超高速電主軸，應(yīng)該嚴(yán)格控制整機(jī)裝配精度。 4. 定子與轉(zhuǎn)子高速電主軸的定子是由具有高導(dǎo)磁率的優(yōu)質(zhì)砂鋼片迭壓而成。迭壓成型的定子內(nèi)腔帶有沖制嵌線槽。轉(zhuǎn)子是中頻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它的功能是將定子的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、鼠籠、轉(zhuǎn)軸三部分組成。由于高速主軸的極限轉(zhuǎn)速高，為了保證電主軸運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止振動(dòng)發(fā)生，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

29、與主軸的聯(lián)接也采用同主軸軸承緊固相似的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸過(guò)盈配合量的大小是影響主軸性能的重要因素。由于主軸的轉(zhuǎn)速高，在高速下，會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，轉(zhuǎn)子與主軸在徑向上將產(chǎn)生不同程度的膨脹，這將會(huì)影響到主軸與轉(zhuǎn)子的配合。過(guò)盈量太大，將會(huì)使得裝配難度加大，影響裝配精度，甚至破壞配合表面。因此，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸間的過(guò)盈量進(jìn)行認(rèn)真研究，以適應(yīng)高速電主軸設(shè)計(jì)工作的需要。2.1.2. 高速電主軸的工作原理 電主軸作為加工中心的核心部件；它將機(jī)床主軸與交流伺服電機(jī)軸合二為一，即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，并經(jīng)過(guò)精確的動(dòng)平衡校正，具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，形成一個(gè)完美的高速電主軸

30、單元，也被稱為內(nèi)裝式電主軸，其間不再使用皮帶齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。 高速電主軸的工作原理是：高速電主軸的電動(dòng)機(jī)部分由產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子繞組和把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)子組成。高速電主軸的定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙是形成功率輸出有效部分的主要部位。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于軸承高速化參數(shù)Dn值，D為軸承中徑，n為主軸轉(zhuǎn)速。 電主軸的線圈相位互差120，安放在定子鐵心的槽內(nèi)，通以三相交流電，三相線圈各自形成一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)，這三個(gè)對(duì)稱的交變磁場(chǎng)互相疊加，合成一個(gè)強(qiáng)度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n由

31、輸入電動(dòng)機(jī)定子線圈電流的頻率f和電動(dòng)機(jī)定子的極對(duì)數(shù)p決定（n=60）。電主軸就是利用變換輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流的頻率和勵(lì)磁電壓來(lái)獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)提供相當(dāng)于最大轉(zhuǎn)矩的頻率進(jìn)行加減速，以免電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高。由于電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中，將會(huì)產(chǎn)生如振動(dòng)、軸承發(fā)熱、精度低和壽命低等問(wèn)題。所以通常從轉(zhuǎn)速提出相應(yīng)的功率參數(shù)、體積參數(shù)和剛度參數(shù)，作為定性評(píng)價(jià)高速電主軸的可比度： =KAB （2-1） 式中 P功率參數(shù)， P= Pn ； V體積參數(shù)， V= DLn ; K常數(shù)， A單位線負(fù)荷；

32、B空氣隙磁密度。上式表明， P和 V值一經(jīng)確定，電主軸的電磁負(fù)荷AB也就可以大致確定。增大P值必將導(dǎo)致V 或AB增大。提高V值要受到臨界轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子表面線速度的限制；AB的提高易導(dǎo)致電主軸的功率下降和溫度升高； P值增大，使軸承的動(dòng)載荷增大，振動(dòng)加大，降低軸承的壽命。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明：軸承是制約電主軸的功率輸出和精度的主要部件。所以，高速主軸軸承是電主軸的核心部件，使用Dn值高的主軸軸承可以有效地提高電主軸的性能。2.1.3. 高速電主軸振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理振動(dòng)是聲音的源泉，也就是說(shuō)，聲音是由物體的振動(dòng)而產(chǎn)生的。機(jī)械振動(dòng)是指物理或結(jié)構(gòu)在平衡位置附近所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其最大的特點(diǎn)是具有周期性?，F(xiàn)實(shí)生活

33、中振動(dòng)是普遍存在的，在動(dòng)力機(jī)械中也存在著大量的振動(dòng)問(wèn)題，如電主軸由于轉(zhuǎn)子不平衡、軸承摩擦力引起的主軸在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)由于汽缸內(nèi)壓力和運(yùn)動(dòng)部件的慣性而引起的軸系振動(dòng)、汽缸套油底殼等薄壁部件在工作中的振動(dòng)等等。高速電主軸振動(dòng)按來(lái)源可分為電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)兩類。 （1） 電磁振動(dòng)電主軸是電機(jī)和主軸合為一體的傳動(dòng)形式，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力克服機(jī)械反作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于隙磁密波作用在定子上的磁力會(huì)使定子局部受力變形產(chǎn)生振動(dòng)，即為電磁振動(dòng)。導(dǎo)致電磁振動(dòng)的主要原因有兩類，一類是電機(jī)轉(zhuǎn)子形狀偏心，又稱動(dòng)偏心，動(dòng)偏心所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f相同，（f

34、=n/60Hz,n為主軸轉(zhuǎn)速）；另一類是定子與轉(zhuǎn)子不同軸，又稱為靜偏心10。由于定子、轉(zhuǎn)子之間空氣隙長(zhǎng)度的不等，定子、轉(zhuǎn)子之間在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生單邊電磁拉力。研究表明，此電磁拉力是電主軸產(chǎn)生電磁振蕩的主要成因之一。因此，提高電主軸的電動(dòng)機(jī)制造精度對(duì)削弱電磁振蕩是十分必要的。驅(qū)動(dòng)控制器的供電品質(zhì)以及驅(qū)動(dòng)控制器與電主軸的匹配是否合理，是產(chǎn)生電磁振蕩的另一個(gè)重要原因。 （2） 機(jī)械振動(dòng) 高速電主軸機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，主要有主軸偏角不對(duì)中、軸承動(dòng)不平衡、軸承磨損以及加工過(guò)程中的自激振動(dòng)等。主軸偏角不對(duì)中產(chǎn)生的原因：與軸承內(nèi)孔配合的軸頸和軸肩加工不良或由于軸彎曲等原因，使軸承內(nèi)圈裝配后，其中

35、心線與軸中心線不重合，軸承每轉(zhuǎn)一周，軸承受一次交變的軸向力作用，使軸承產(chǎn)生振動(dòng)。而軸承動(dòng)不平衡則是因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡檢測(cè)，或加工精度、動(dòng)平衡精度不夠。 為避免經(jīng)動(dòng)平衡的高速軸系產(chǎn)生因附加質(zhì)量偏心而導(dǎo)致的較大機(jī)械振動(dòng)，軸系旋轉(zhuǎn)體上應(yīng)盡量減少動(dòng)平衡精度容易產(chǎn)生變化的附加質(zhì)量。部分附加質(zhì)量必須安裝在旋轉(zhuǎn)體上，在裝配后，主軸應(yīng)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行整機(jī)動(dòng)平衡，使之由附加質(zhì)量造成的振動(dòng)控制在最小范圍之內(nèi)。2.2 電主軸噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特征電主軸所產(chǎn)生的噪聲，按其基本聲源可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲兩類。下面就這兩類噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和特征作出說(shuō)明。2.2.1 電磁噪聲產(chǎn)生機(jī)理和特征 1. 產(chǎn)生機(jī)理前

36、面介紹到高速電主軸電磁振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，由于隙磁密波作用在定子上的磁力會(huì)使定子局部受力變形產(chǎn)生振動(dòng)，即是電磁振動(dòng)。電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電磁激振力作用于電機(jī)結(jié)構(gòu)上，由于電機(jī)構(gòu)件的傳遞特性使電機(jī)表面產(chǎn)生振動(dòng)速度，再由電機(jī)表面的振聲特性使電機(jī)產(chǎn)生一定的電磁噪聲。電磁噪聲具有一定的頻譜特性和聲功率級(jí)。 2. 特征電主軸在運(yùn)行時(shí)，發(fā)出較細(xì)的“嗡嗡”聲，沒(méi)有忽高忽低的變化，是正常的聲音。如果聲音像用舊日光燈鎮(zhèn)流器那樣，發(fā)出粗大的“嗡嗡”聲，就是故障的前兆，可考慮以下幾個(gè)原因。 （1）氣隙不均勻轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙不均勻所產(chǎn)生的噪聲，其大小變化為周期性的。應(yīng)當(dāng)檢查軸承是否磨損，軸承護(hù)網(wǎng)是否偏移。如果磨損和偏移，就會(huì)使

37、轉(zhuǎn)子外圓與定子內(nèi)圓不同心，使氣隙改變、噪聲增大。（2） 鐵芯松動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行中的振動(dòng)，溫度忽高忽低的變化，都會(huì)使鐵芯固定螺栓產(chǎn)生變形，造成鐵芯硅鋼片松動(dòng)，在磁通與渦流的作用下，產(chǎn)生較大的電磁噪聲。（3） 電流不平衡三相異步電動(dòng)機(jī)電流不平衡，與氣隙不均勻情況相同，發(fā)出周期性的電磁噪聲。電流不平衡的原因，有電壓不平衡，繞組接地、短路、斷路，轉(zhuǎn)子回路阻抗不平衡，接觸不良等。要針對(duì)情況作具體檢查。2.2.2 機(jī)械噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和特征 1. 產(chǎn)生機(jī)理機(jī)械噪聲產(chǎn)生的原因很多，最主要的原因是轉(zhuǎn)子不平衡和軸承兩方面的問(wèn)題。電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子不平衡和各部件存在間隙而發(fā)生撞擊及部件受內(nèi)部力作用產(chǎn)生彈性變形導(dǎo)致電主

38、軸表面振動(dòng)而發(fā)出的噪聲。 特征電機(jī)在運(yùn)行中，必須注意軸承聲音的變化。監(jiān)聽(tīng)聲音的方法是：將起子或金屬棒的一端觸及電機(jī)軸承安裝部位，另一端貼近耳朵，便可聽(tīng)到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音。正常聲音連續(xù)均勻的細(xì)小“沙沙”聲，沒(méi)有忽高忽低的變化，沒(méi)有金屬摩擦聲，便是軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)聲音。不正常聲音“咝咝”、“嘎吱”等聲音都是不正常的，“咝咝”聲是金屬摩擦聲，一般是軸承缺油與摩擦所致，應(yīng)拆開(kāi)軸承添加潤(rùn)滑油?！案轮ā甭暿禽S承內(nèi)滾珠的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音，它與軸承的間隙、潤(rùn)滑脂的狀態(tài)有關(guān)。長(zhǎng)期閑置不用的電主軸重新啟動(dòng)時(shí)會(huì)有這種聲音。 （3）轉(zhuǎn)子噪聲轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)發(fā)出的聲音是一種“嗚嗚”的聲音，偶爾會(huì)有敲鼓一樣的“咚咚”聲，這是由

39、于電主軸的驟然啟動(dòng)、停止、反接制動(dòng)等變速情況下，加速度力矩使轉(zhuǎn)子鐵芯與軸的配合松動(dòng)造成的，輕者無(wú)多大妨礙，可繼續(xù)工作；重者應(yīng)拆開(kāi)檢查和修理。 電主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于摩擦、振動(dòng)、絕緣老化等因素，難免會(huì)發(fā)生故障，出現(xiàn)異常的噪聲。如果熟練依據(jù)噪聲來(lái)辨別和排除機(jī)械設(shè)備的各種故障，不僅能保證生產(chǎn)任務(wù)的完成，還可防止事故的發(fā)生。2.3 噪聲分析與控制中的聲學(xué)基礎(chǔ)2.3.1. 聲波的產(chǎn)生與聲壓 振動(dòng)產(chǎn)生聲音，發(fā)出聲音大的振動(dòng)系統(tǒng)成為聲源。在彈性媒質(zhì)中，依靠彈性力來(lái)傳播振動(dòng)的波包括縱波和橫波。在空氣和液體媒質(zhì)中，因沒(méi)有切變彈性，所以其內(nèi)部技能傳播縱波；而對(duì)于固體來(lái)講，因其兼有容變彈性和切變彈性，固固體中技能傳播

40、縱波，也能傳播橫波。 聲波的頻率與物體的振動(dòng)頻率密切相關(guān)，一般來(lái)講，物體振動(dòng)頻率越高，由此產(chǎn)生的聲波頻率越高。在實(shí)際聲場(chǎng)中，聲波的頻率分布是非常廣泛的，其中既有聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，也有聽(tīng)不見(jiàn)的次聲波和超聲波，在噪聲分析與控制中，最終控制的噪聲一般是頻率在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)的。媒質(zhì)在無(wú)聲擾動(dòng)的聲學(xué)狀態(tài)，可用壓強(qiáng)、密度及溫度等狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述。這時(shí)，給一聲擾動(dòng)，在組成媒質(zhì)的分子的雜亂運(yùn)動(dòng)中就附加了一個(gè)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，使得媒質(zhì)不再均勻。無(wú)聲擾動(dòng)時(shí)，媒質(zhì)體內(nèi)的壓強(qiáng)稱為靜壓強(qiáng)；假設(shè)受到聲擾動(dòng)后，媒質(zhì)的壓強(qiáng)為，則有聲擾動(dòng)時(shí)，媒質(zhì)中的壓強(qiáng)與靜壓強(qiáng)的差值稱為聲壓，即 （2-2） 因?yàn)槁晜鞑ミ^(guò)程中，在同一時(shí)刻，媒質(zhì)內(nèi)不同微元體積

41、內(nèi)的壓力都不同；對(duì)于同一微元體，起微元體內(nèi)的壓力又隨時(shí)間而變化，所以聲壓（Sound Pressure）是空間和時(shí)間的函數(shù)，即 （2-3）同樣，由聲擾動(dòng)引起的密度增量為，也是空間和時(shí)間的函數(shù)，即 （2-4） 媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度作為衡量聲波的物理量無(wú)疑是可行的，但是它的測(cè)量是很難實(shí)現(xiàn)的。而聲壓的測(cè)量可以直接方便的由聲強(qiáng)計(jì)等儀器得出，并且質(zhì)點(diǎn)的速度也可以由聲壓間接的求出，所以人們普遍采用聲壓這個(gè)物理量來(lái)描述聲波的性質(zhì)。 聲場(chǎng)中某空間點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間 的變化成為瞬時(shí)聲壓。但是當(dāng)聲音傳入耳朵后，由于鼓膜的慣性作用，人耳實(shí)際上并不能辨別出聲壓的起伏，即人耳聽(tīng)不出瞬時(shí)聲壓，而是一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)聲壓的均方根值，

42、人們稱之為有效聲壓，有效聲壓的定義為： （2-5） 式中， 為周期的整數(shù)倍，對(duì)于正、余弦聲波，有效聲壓，其中為聲壓幅值。 正常人耳剛剛能聽(tīng)到的聲壓叫聽(tīng)閥聲壓，其值為Pa；剛剛使人耳產(chǎn)生疼痛感覺(jué)的聲壓叫痛閥聲壓，其值為20Pa。2.3.2. 聲學(xué)波動(dòng)方程聲壓隨空間、時(shí)間的變化的函數(shù)關(guān)系便是聲學(xué)波動(dòng)方程。聲波作為一種宏觀物理現(xiàn)象，必然遵守牛頓三定律。聲波方程就是基于此導(dǎo)出的。在推導(dǎo)聲波方程時(shí)為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，做了一系列的假定，這些假定并不影響整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，這里不再贅述。聲波運(yùn)動(dòng)方程 假設(shè)一平面波沿 方向傳播，媒質(zhì)中一微元體（圓柱體）（為垂直于 軸的橫截面積），如圖2.1所示。由于聲壓 隨位置 而異，

43、因此作用于左右端面的力是不平衡的，又牛頓第二定律有： （2-6）由于， ，將其代入（2-5）式，得 （2-7）式中，。媒質(zhì)的加速度分為兩部分：一部分是時(shí)間 內(nèi)空間某定點(diǎn)上的速度變化率，即定點(diǎn)加速度；另一部分是同一瞬時(shí)在聲場(chǎng)內(nèi)相距 的兩點(diǎn)上的速度變化率 ， 即定時(shí)加速度。式（2-6）又表示如下 （2-8）此即為聲波運(yùn)動(dòng)方程。 圖2.1 聲場(chǎng)中的微元體 2. 聲波連續(xù)性方程仍取聲場(chǎng)中一微元體（圓柱體） 如圖 2.2 所示。單位時(shí)間內(nèi)從左端面流入該圓柱體的媒質(zhì)質(zhì)量為；與此同時(shí)，從右端面流出的媒質(zhì)質(zhì)量為 ， 取其一階泰勒展開(kāi)為 ，故由質(zhì)量守恒可得 圖2.2 柱形微元體 （2-9）與運(yùn)動(dòng)方程相同，代入（

44、2-9）式，略去二階量，可得 （2-10）此即為聲波的連續(xù)性方程。聲波物態(tài)方程聲波過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程。對(duì)于一般的流體物質(zhì)，普遍的物態(tài)方程為壓強(qiáng)和密度的關(guān)系，可寫(xiě)為 （2-11）式中， 為溫度?？紤]絕熱條件， (2-12)微分得 （2-13）其中， 代表絕熱過(guò)程， 用 表示，則（2-13）表示為 （2-14）次即為理想流體媒質(zhì)中的聲擾動(dòng)物態(tài)方程。但是，對(duì)于小振幅聲波，式（2-14）中的壓強(qiáng)的微分 可以近似為聲壓 ，密度的微分 可以近似為 ，因此，媒質(zhì)的物態(tài)方程可簡(jiǎn)化為 （2-15） 聲波方程利用上面所推導(dǎo)的三個(gè)方程可以消去、其中的任意兩個(gè)，從而得到聲波方程。例如將（2-15）式對(duì) 求導(dǎo)后代入（2

45、-10）式得 （2-16）將（2-16）對(duì) 求導(dǎo)，得 （2-17）再將（2-8）式代入（2-17）式，即得 （2-18）此即為一維聲學(xué)波動(dòng)方程。2.3.3. 聲波的能量、聲強(qiáng)和聲功率 1. 聲波的能量同樣，聲場(chǎng)中的一微元體，原來(lái)體積為 ，壓力為 ,密度 ，由于受聲擾動(dòng)，其得到的動(dòng)能為 （2-19）由于聲擾動(dòng)，該微元體壓力從升高為，體積由變?yōu)?，從而其具有一定的位能，?（2-20）由物態(tài)方程（2-15）式兩邊微分，得 （2-21）又密度和體積有如下關(guān)系 （2-22）將（2-24）式代入（2-23），再對(duì)積分，有 （2-23） 微元體的聲能量為動(dòng)能與位能之和，即 （2-24） 單位體積的聲能量成為

46、聲能密度（Sound Energy Density），即 （2-25） 2. 聲強(qiáng)和聲功率 聲波的傳播過(guò)程實(shí)際上是聲能量的傳播過(guò)程。聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總聲能量稱為聲功率（Sound Power），單位時(shí)間內(nèi)榮國(guó)垂直于聲傳播方向上面積為S的平均聲能量，稱為平均聲能量流或平均聲功率（Average Sound Power）。因?yàn)槁暷芰渴且月曀賯鞑ィ?，平均聲功率等于聲窗中面積， 高度為圓柱體內(nèi)所包括的平均聲功率，即 （2-26）式中，為平均聲功率，單位為瓦。而聲強(qiáng)（Sound Intensity）是指在垂直于傳播方向的單位面積上通過(guò)的平均聲能量流，即 (2-27)式中，為聲強(qiáng)，也稱為平均聲

47、能量流密度。聲強(qiáng)是有方向和正負(fù)的。 (2-28)式中，表示正向聲強(qiáng)，表示負(fù)向聲強(qiáng)，如果前進(jìn)波與反射波相等，那么，這就是主動(dòng)消聲的機(jī)理。如果聲源輻射的面積為，通過(guò)此面積的聲強(qiáng)為，則聲功率為 （2-29）2.3.4. 聲級(jí)由于人耳能聽(tīng)到的聲強(qiáng)的范圍非常大，用聲壓或聲強(qiáng)的絕對(duì)值來(lái)衡量聲音的強(qiáng)弱很不方便。所以，人們普遍采用對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)度量聲壓、聲強(qiáng)和聲功率，分別稱為聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)。聲壓級(jí)（Sound Pressure Level）定義為有效聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的常用對(duì)數(shù)的20倍，即 （2-30）式中，為聲壓級(jí)（dB）； 為有效聲壓（Pa）；為參考聲 壓（Pa）。聲強(qiáng)級(jí)（Sound Intensi

48、ty Level）定義為聲強(qiáng)和基準(zhǔn)聲強(qiáng)之比的常用對(duì)數(shù)的10倍，即 （2-31）式中，基準(zhǔn)聲強(qiáng)，其中為單位瓦。聲功率級(jí)（Sound Power Level）定義為聲功率與基準(zhǔn)聲功率之比的常用對(duì)數(shù)的10倍，即 （2-32）式中，基準(zhǔn)聲功率，其中為單位瓦。聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)三者之間是有相關(guān)聯(lián)的，基本關(guān)系如下： （2-33） （2-34） （2-35）另外，需要注意的一點(diǎn)是，聲級(jí)的計(jì)算同普通運(yùn)算不同，它是對(duì)數(shù)運(yùn)算。為了便于在聲級(jí)計(jì)上直接讀出噪聲評(píng)價(jià)的主觀量，可使測(cè)量?jī)x器接收的聲音按不同的程度濾波，其方法是在聲級(jí)計(jì)的放大電路中插入A、B、C三個(gè)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)40phon（phon 為

49、響度級(jí)單位，一個(gè)聲音的響度級(jí)定義為與1000HZ純音等響的聲壓級(jí)）純音的響應(yīng)，與40phon 的等響曲線倒立后的形狀相接近，它使接收、通過(guò)的低頻段的聲音（500HZ以下）有較大的衰減。B網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)70phon 純音的響應(yīng)，與70phon 的等響應(yīng)曲線倒立后的形狀相接近，它使接收、通過(guò)的低頻段的聲音有一定衰減。C 網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì) 100phon 純音的響應(yīng)，與 100phon 的燈響應(yīng)曲線倒立后的形狀相接近，在整個(gè)可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)有近乎平直的特性，他讓所有頻率的聲音近乎一樣程度的通過(guò)。由于 A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)得到的結(jié)果與人耳對(duì)聲音的響度的感覺(jué)最接近，因此，人們通常把 A 計(jì)權(quán)作為評(píng)價(jià)噪聲的主要指

50、標(biāo)。第三章 噪聲測(cè)試技術(shù) 對(duì)電主軸進(jìn)行噪聲測(cè)試的目的是取得有效、精確的噪聲數(shù)據(jù)，一是對(duì)電主軸的聲學(xué)指標(biāo)作出的鑒定性測(cè)量；二是通過(guò)測(cè)試識(shí)別出主要噪聲源，分析噪聲產(chǎn)生的原因和影響因素，為噪聲控制指明方向的診斷性測(cè)量。評(píng)價(jià)噪聲的物理量主要是頻率、聲壓和聲強(qiáng)。主要的測(cè)量項(xiàng)目是噪聲級(jí)和噪聲頻率。用到的測(cè)量?jī)x器有聲壓測(cè)量系統(tǒng)、聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量振動(dòng)的儀器，具體有傳聲器、聲級(jí)計(jì)、濾波器、頻率分析儀和記錄儀器。3.1 概述傳統(tǒng)意義上的噪聲測(cè)量指的是聲壓測(cè)量。近年來(lái)聲強(qiáng)技術(shù)的快速發(fā)展使得聲強(qiáng)測(cè)量成為聲學(xué)研究噪聲控制的重要測(cè)試手段。1.聲壓法聲壓是最基本的聲學(xué)量，也是評(píng)價(jià)電主軸噪聲的最基本的量。它是標(biāo)量，不需要考

51、試方向，并且當(dāng)前聲壓測(cè)量?jī)x器的發(fā)展也比較成熟。從聲壓角度研究噪聲的最大缺點(diǎn)是聲壓在測(cè)量中容易受背景噪聲和聲反射的影響，因此對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，只有在消聲室或半消聲室中進(jìn)行測(cè)量才能得到比較滿意的結(jié)果。聲強(qiáng)法聲強(qiáng)由于是矢量，因此部件的某一方向上的聲強(qiáng)不易受其它聲源的影響,如圖 4.1 所示，若測(cè)量包絡(luò)面內(nèi)聲源聲功率，根據(jù)能量守恒原理，若包絡(luò)面封閉且內(nèi)部無(wú)吸聲體，則外界干擾噪聲進(jìn)入和離開(kāi)測(cè)量面的聲能應(yīng)該是相等，理論上聲強(qiáng)測(cè)量不會(huì)因干擾噪聲的存在而產(chǎn)生誤差，因而對(duì)測(cè)量環(huán)境要求不高，測(cè)量結(jié)果也準(zhǔn)確，且測(cè)試時(shí)間短，試驗(yàn)分析費(fèi)用低。它的缺點(diǎn)是測(cè)量聲強(qiáng)的儀器設(shè)備比較昂貴，對(duì)操作人員的要求也高，這在一定程度上限

52、制了該方法的應(yīng)用。3.2 噪聲測(cè)量系統(tǒng)無(wú)論是測(cè)聲壓還是聲強(qiáng)，測(cè)量系統(tǒng)的基本組成都可分為三部分：傳感器、分析部分和讀書(shū)顯示部分。如圖 4.2 所示 圖 4.2 噪聲測(cè)量系統(tǒng)示意圖 傳感器通常就是傳聲器，它是一種聲電變換器，用來(lái)把被測(cè)的聲信號(hào)變換為電信號(hào)，理想的傳聲器所產(chǎn)生的電信號(hào)應(yīng)能真是地再現(xiàn)聲波，且不因其存在而擾亂聲場(chǎng)。常用的傳聲器有電動(dòng)式傳聲器、壓電傳聲器和電容傳聲器。目前用得最多的是電容傳聲器，它具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化?。▊髀暺黛`敏度是指?jìng)髀暺鬏敵龆说拈_(kāi)路電壓與聲壓之比輸出電壓與聲壓之比，單位）、穩(wěn)定性好、精密度高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是內(nèi)阻高，需要用阻抗變換器與后面的衰減器和放大

53、器相匹配并且要加極化電壓才能正常工作。 分析部分是用各種不同的電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、計(jì)權(quán)、積分等等。這一部分在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中也是復(fù)雜的。最簡(jiǎn)單的情況是按照某個(gè)頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)的頻率成分進(jìn)行計(jì)權(quán)，或者以倍頻程、1/3倍頻程或窄頻進(jìn)行濾波。若主要研究噪聲的時(shí)域特性時(shí)，可將A計(jì)權(quán)聲級(jí)進(jìn)行積分或連續(xù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到有效值等。輸出部分包括檢波器和顯示器。顯示器以往多用電表，或者將輸出信號(hào)送到級(jí)紀(jì)錄儀或錄音機(jī)作永久紀(jì)錄保存。近年來(lái)電表已逐漸被數(shù)字顯示器代替。3.3 聲壓測(cè)量傳統(tǒng)的聲學(xué)測(cè)量是測(cè)量聲壓，它的原理簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)便，測(cè)量?jī)x器也比較成熟。測(cè)得聲壓或聲壓級(jí)后，可以計(jì)算得到聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率

54、或聲功率級(jí)。3.3.1 聲級(jí)計(jì)測(cè)量聲壓的儀器是聲級(jí)計(jì)，它是按照一定的頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)測(cè)量聲音的聲壓級(jí)，聲級(jí)計(jì)是聲學(xué)測(cè)量最基本的儀器，種類很多：按用途可分為一般聲級(jí)計(jì)、脈沖聲級(jí)計(jì)、積分聲級(jí)計(jì)、噪聲暴露計(jì)（也成噪聲測(cè)量計(jì)）、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)計(jì)（又稱噪聲省統(tǒng)計(jì)分析儀）和頻譜聲級(jí)計(jì)；按測(cè)量的準(zhǔn)確度可分為0型聲級(jí)計(jì)（固有誤差dB）、1型聲級(jí)計(jì)（固有誤差dB）、2型聲級(jí)計(jì)（固有誤差dB）、3型聲級(jí)計(jì)（固有誤差dB）。各類聲級(jí)計(jì)的基本原理都相同，因此基本結(jié)構(gòu)是一樣的。一般聲級(jí)計(jì)都是有傳聲器、放大器、衰減器、計(jì)權(quán)濾波器、檢波器、指示器和電源等組成。起工作原理是：被測(cè)量的聲信號(hào)被傳聲器接收，傳聲器將其變化為電信號(hào)；弱

55、的電信號(hào)經(jīng)前置放大器送到輸入衰減器和輸入放大器，放大器將微笑的電信號(hào)放大，衰減器測(cè)對(duì)過(guò)大的輸入信號(hào)衰減以使在顯示器上獲得適當(dāng)大小的指示，同時(shí)也擴(kuò)大了測(cè)量量程；計(jì)權(quán)濾波器對(duì)通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行頻率濾波，是聲級(jí)計(jì)的整機(jī)頻率響應(yīng)符合規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)特性的要求，以便能測(cè)量計(jì)權(quán)聲級(jí)；信號(hào)再經(jīng)輸出衰減器和輸出放大器被送到檢波器進(jìn)行檢波，檢波器將交流信號(hào)變成直流并有顯示器以“dB”指示出來(lái)，檢波器還使聲級(jí)計(jì)具有“快”、“慢”、“脈沖”、“保持”等時(shí)間計(jì)權(quán)特性；電源部分則是將交流電火電池電壓進(jìn)行交換，供給聲級(jí)計(jì)各部分工作所需的電壓。3.3.2 聲壓測(cè)量中的主意事項(xiàng)利用聲級(jí)計(jì)進(jìn)行聲壓測(cè)量時(shí)，需要注意的事項(xiàng)有：測(cè)點(diǎn)的選擇

56、及聲源附近反射的影星；所用聲級(jí)計(jì)時(shí)間計(jì)權(quán)特性的選擇。由于聲級(jí)計(jì)一般具有“快”和“慢”時(shí)間計(jì)權(quán)特性，在脈沖聲級(jí)計(jì)中還有“脈沖”和“保持”時(shí)間計(jì)權(quán)特性，測(cè)量是要根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量規(guī)范的要求來(lái)選擇。背景噪聲影響的修正。聲級(jí)計(jì)外形及人體的影響。便攜式聲級(jí)計(jì)往往把傳聲器直接安裝在聲級(jí)計(jì)上，這是聲級(jí)計(jì)的外形可能給測(cè)量帶來(lái)誤差。聲級(jí)計(jì)的體積愈大影響愈大，被測(cè)噪聲頻率愈高所產(chǎn)生的影響也愈大。測(cè)量者手持聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，人體對(duì)頻率高于100的被測(cè)噪聲會(huì)噪聲1dB或更大的誤差。傳聲器指向性。根據(jù)傳聲器的使用入射方向可分為兩種傳聲器：一種是垂直如蛇形傳聲器，它在聲波垂直入射時(shí)具有平坦的頻率響應(yīng)；另一種是無(wú)規(guī)入射型傳

57、聲器，它在聲波無(wú)視入射時(shí)具有平坦的頻率響應(yīng)。在自由場(chǎng)中測(cè)量噪聲時(shí)，傳聲器的位置應(yīng)能保證其獲得最平坦的自由場(chǎng)響應(yīng)：若采用垂直入射型傳聲器，則傳聲器軸線應(yīng)對(duì)著聲源，即傳聲器軸線應(yīng)與聲波入射方向一致；若采用無(wú)規(guī)入射型傳聲器，則傳聲器軸線應(yīng)與聲波入射方向成90角。環(huán)境的影響。當(dāng)環(huán)境溫度、濕度及大氣壓力變化時(shí)，傳感器及儀器的靈敏度可能會(huì)受到影響，若測(cè)量環(huán)境存在電磁場(chǎng)，也會(huì)影響到噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性，所有這些因素在實(shí)際測(cè)量中都要采取相應(yīng)措施。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，儀器使用前及使用后要定期校準(zhǔn)。 3.4 聲強(qiáng)測(cè)量聲強(qiáng)技術(shù)是在20世紀(jì)70與80年代隨著電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展成熟起來(lái)的，它已成為聲學(xué)

58、領(lǐng)域中的一種重要測(cè)量技術(shù)，尤其在聲功率測(cè)定及主噪聲源識(shí)別方面有著獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。聲強(qiáng)是矢量，在測(cè)聲功率時(shí)可消除封閉面外其他聲源和環(huán)境反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，因而對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較低，甚至可以用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。另外，用聲強(qiáng)法測(cè)表面輻射噪聲時(shí)它可以將噪聲源的位置直觀地顯示出來(lái)，這對(duì)電主軸噪聲源的識(shí)別與研究有著重要意義。3.4.1 聲強(qiáng)測(cè)量的基本原理如前所述聲強(qiáng)定義為在聲場(chǎng)中某點(diǎn)上通過(guò)與聲能流方向垂直的單位面積的聲能的時(shí)間平均值。若聲場(chǎng)中某點(diǎn)聲壓，質(zhì)點(diǎn)速度，則該點(diǎn)聲強(qiáng)可表示為 ，瞬時(shí)聲強(qiáng)的定義為。由此可見(jiàn)，聲強(qiáng)的測(cè)量可歸結(jié)為聲壓和速度的測(cè)量，而用傳聲器測(cè)聲壓的問(wèn)題早已解決，所以問(wèn)題就集中在解決測(cè)量質(zhì)點(diǎn)的速度上，

59、測(cè)量聲強(qiáng)的方法可分為兩類：直接法是將傳聲器和直接測(cè)質(zhì)點(diǎn)速度的傳感器相結(jié)合，可簡(jiǎn)稱為法；間接法是雙傳聲器，也簡(jiǎn)稱為法。 法。這類裝置直接測(cè)質(zhì)點(diǎn)速度，其結(jié)構(gòu)如 4.4 圖所示： 圖中帶陰影部分的矩形塊代表超聲波發(fā)射器，可同時(shí)發(fā)射兩個(gè)平行而方向相反的超聲波束，并在等距離處有各自的接收器（空白矩形塊表示接收器）超聲波的發(fā)射器和接收器之間的距離為 ，波速為 ，則沒(méi)有聲波時(shí)超聲波由發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間 （3-1）若存在圖 4.4 所示方向的聲波，且由聲波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，則兩個(gè)超聲波束所經(jīng)歷的時(shí)間相應(yīng)會(huì)變?yōu)?（3-2） （3-3）這樣兩個(gè)接收器所接收到的信號(hào)就出現(xiàn)了相位差 ，設(shè)超聲波頻率為， 則有 （

60、3-4） 因通常，所以 （3-5） 由上可見(jiàn)測(cè)出的相位差可以作為 的模擬量，這樣就可測(cè)出質(zhì)點(diǎn)速度。另外該裝置還裝有傳聲器可同時(shí)測(cè)出聲壓，兩者相乘后可以得到瞬時(shí)聲強(qiáng)的模擬量，再求時(shí)間的平均值可得到聲強(qiáng)。需要注意的是此方法的測(cè)量精度會(huì)受到非聲音的空氣流動(dòng)如風(fēng)的影響，所以測(cè)量時(shí)應(yīng)有措施來(lái)屏蔽干擾。法。質(zhì)點(diǎn)速度直接測(cè)量的難度較大，更多的是采用間接測(cè)量速度的方法，由運(yùn)動(dòng)方程 (3-6) 可知 (3-7) 此方法是用兩個(gè)傳聲器探頭、，兩傳聲器安裝得相距一小段距離，設(shè)它們的聲學(xué)中心的連線方向?yàn)椋?dāng)聲波沿方向傳播時(shí)，所測(cè)出的兩個(gè)聲壓、 間存在梯度，設(shè)兩傳聲器聲學(xué)中心之間的距離為，如圖4.5所示 當(dāng)時(shí)，有 （3