測試技術講稿-振動與噪聲

光學法是利用光學原理將振動量轉換為光信號。常用的測振裝置有光學讀數(shù)顯微鏡測振裝置和激光干涉法測振裝置。其中激光干涉法的測量精度和靈敏度都很高，可測到微米量級的振動。但光學法測振裝置調整復雜，對測量環(huán)境要求嚴格，一般僅適用于實驗室環(huán)境下作標準振動儀器的標準計量裝置。電測法是將被測的振動量轉換成電量，再用電量測試設備進行測量的方法。與機械法和光學法相比較，電測法具有使用頻率范圍寬、動態(tài)范圍廣、測量靈敏度高等優(yōu)點。電測法能廣泛地使用各種不同的測振傳感器。且電信號也易于被記錄、處理和傳送。因此電測法是最為廣泛使用的振動測量方法。第七章振動測試

以電測法為基礎的振動測量系統(tǒng)的結構框圖（1）被測對象 亦稱試驗模型，它是承受動載荷和動力的結構或機器。（2）激勵裝置 由信號源、功放和激振器組成，用于對被測結構或機器施加束種形式的激勵，以獲取被測結構對激勵的響應。對于運行中的機器設備的振動測量來說，這一環(huán)節(jié)是沒有的。此時，機器設備直接從外部得到振動的激勵。（3）傳感與測量裝置 由測振傳感器及其關聯(lián)的測置和中間變換電路組成，用于將被測振動信號轉換為電信號。（4）振動分析裝置 它的作用是對振動信號作進一步的分析與處理以獲取所需的測量結果。（5）顯示及記錄儀器 用于將最終的振動測試結果以數(shù)據(jù)或圖表的形式進行記錄或顯示7.1振動的激勵

1、激振的方式 振動的激勵方式通常有穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機激振和瞬態(tài)激振3種。（1）穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱簡諧激振，它是借助于激振設備對被測對象施加一個頻率可控的簡諧激振力。它的優(yōu)點是激振功率大、信噪比高、能保證響應測試的精度，因而，是一種應用最為普遍的激振方法。（2）隨機激振，一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源，這是一種帶寬激振方法。（3）瞬態(tài)激振，給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，它屬于一種寬頻帶激勵，即一次激勵，可同時給系統(tǒng)提供頻帶內各個頻率成分的能量使系統(tǒng)產生相應頻帶內的頻率響應。因此，它是一種快速測試方法。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等方法。階躍激振，在擬定的激振點處，用一根剛度大、重量輕的弦經過力傳感器對待測結構施加張力，使之產生初始變形，然后突然切斷張力弦，這就相當于對結構施加一個負的階躍激振力。階躍激振也屬于寬帶激振。2、激振器 激振的目的是通過激振的手段使被測試驗的對象處于一種受迫振動的狀態(tài)中，從而來達到試驗的目的。 將所需的激振信號變?yōu)榧ふ窳κ┘拥奖粶y對象上的裝置稱為激振器。常用的激振器有以下幾種：1、力錘力錘用來在振動試驗中給被測對象施加一局部的沖擊激勵。它是由錘頭、錘頭蓋、壓電石英片、錘體、附加質量和錘把組成。錘頭和錘頭蓋用來沖擊被測試件。力錘實際上是一種手持式沖擊激勵裝置。力錘的錘頭蓋可采用不同的材料，以獲得具有不同沖擊時間的沖擊脈沖信號。如圖9．15所示圖（a）為力錘激勵裝置示意圖，圖（b）為采用鋼、塑料和硬橡膠的不同錘頭蓋進行錘擊所得到的時域波形。圖（c）、（d）分別是錘頭蓋和錘頭蓋加附加質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）為力錘激勵裝置示意圖，圖（b）為采用鋼、塑料和硬橡膠的不同錘頭蓋進行錘擊所得到的時域波形。圖（c）、（d）分別是錘頭蓋和錘頭蓋加附加質量沖擊所得波形的頻域形式?？梢钥闯觯摬牧系腻N頭蓋所得的帶寬最寬，而橡膠材料所得的帶寬最窄。2、電動力式激振器電動力式激振器又稱磁電式激振器。主要是利用帶電導體在磁場中受電磁力作用這一物理現(xiàn)象工作的。電動力式激振器按其磁場形成的方式分為永磁式和勵磁式兩種，前者一般用于小型的激振器，后者多用于較大型的激振臺。由動圈產生的激振力經芯桿和頂桿組件傳給被試驗物體。采用做成拱形的彈簧片組來支撐傳感器中的運動部分，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壓力，防止它們在振動時發(fā)生脫離。激振力的幅值與頻率由輸入電流的強度和頻率所控制。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，通常使用軟彈簧來實現(xiàn)，有時加上必要的配重，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臺的工作原理如下：直流磁路1為高磁導率的鑄鋼或純鐵制成的帶鐵芯圓筒，鐵芯上纏有勵磁線圈2，當供以直流勵磁電流時，磁路的環(huán)形氣隙11中形成一恒定磁場。置于氣隙中的環(huán)形線圈架9繞有可動線圈10，它們與臺面經芯桿剛性連接，組成可動部分。彈簧片組的作用是用來進行導向和支撐。振動臺體裝在支架12上，可繞支撐軸8轉動，以改變振動臺在空間的方位來適應不同試驗的要求。機械式和電動力式的激振器和激振臺系統(tǒng)的一個共同缺點是較小的承載能力和頻率。與此相反，液壓式激振臺的振動力可達數(shù)千牛頓以上，承載質量能力以噸計。液壓式激振臺的工作介質主要是油。主要用在建筑物的抗胚試驗、飛行器的動力學試驗以及汽車的動態(tài)模擬試驗等方面。用一個電驅動的伺服閥來操縱一個主控制閥，從而來調節(jié)流至主驅動器油缸中的油流量。這種激振臺最大承載能力可達25仇，頻率可達400Hz，而振動幅度可達45cm。3、測振傳感器（拾振器）1）測振傳感器及其類型與選擇原則 測振傳感器是將被測對象的機械振動量（位移、速度或加速度）轉換為與之有確定關系的電量（如電流、電壓或電荷）的裝置。 一般根據(jù)振動測量方法的力學原理可分為以下兩種。（1）慣性式（絕對式）拾振器。（2）相對式拾振器。 按照測量時拾振器是否和被測件接觸可分為以下兩種。（1）接觸式拾振器，又可分為相對式和絕對式兩種，接觸式相對拾振器又稱為跟隨式拾振器。（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（4）壓電加速度計（5）阻抗頭渦流傳感器的工作原理是通過傳感器中的高頻線圈頭靠近被測導電材料（一般為金屬），從而在導體中感應出渦流來改變線圈的阻抗來進行測量。當被測物到探頭的距離改變時，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式電容器示意圖。其中，中間電極起著傳感器質量塊的功能，且經搭接條被放置在底角點a上。該中間電極可移動，它與固結在襯底上的b和c形成一電容器。當在中間電極（振動質量塊）和襯底（殼體）間發(fā)生相對運動時，兩搭接條間的電容值便會隨之發(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。它分為絕對式速度傳感器和相對式速度傳感器兩種。所依據(jù)的工作原理是法拉第電磁感應定律（見式（3-31）和式（3-33），其中感應線圈輸出的感應電動勢正比于線圈相對于磁場的速度。 因此它適合用來測量振動物體的絕對和相對振動速度。這類傳感器一般都結合有微分和積分機構，因此也可以從所測的速度值來求得振動的加速度或位移值。4、壓電加速度傳感器 在前面中已經對壓電傳感器的原理、結構和典型應用作了詳細介紹，而且也對用于壓電傳感器的兩類前置放大器——電壓放大器和電荷放大器進行了討論。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同時測量激振力和該點的運動響應，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，后面為測量激振點響應的加速度傳感器。在結構上應當使兩者盡量接近。它的優(yōu)點是，保證測量點的響應就是激振點的響應。使用時將小頭（測刀端）聯(lián)向結構，大頭（測量加速度端）與激振器的施力桿相聯(lián)。從力信號輸出端“測量激振力的信號”，從加速度信號輸出端“測量加速度的響應信號”。注意：阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于對輕型的結構、機械部件以及材料試樣的測量。4、振動信號分析儀囂 振動信號處理儀器主要有振動計、頻率分析儀、頻率特性分析儀（傳遞函數(shù)分析儀）和數(shù)字信號處理系統(tǒng)（綜合分析儀）。1）振動計 振動計是用來直接指示位移、速度、加速度等振動量的峰值、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。 振動計只能使人們獲得振動的總強度而無法獲得振動的其他方面的信息，因而其使用范圍有限。為了獲得更多的信息，則應將振動信號進行頻譜分析、相關分析和概率密度分析等。2）頻率分析儀 頻率分析儀也稱“頻譜儀”，是把振動信號的時間歷程轉換為頻域描述的一種儀器。要分析產生振動的原因，研究振動對人類和其他結構的影響及研究結構的動態(tài)特性等，都要進行頻率分析。頻率分析儀的種類很多，按其工作原理可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。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試系統(tǒng)，通常都采用穩(wěn)態(tài)正弦激振法來測定機械結構的頻率響應或機械阻抗等數(shù)據(jù)。4）數(shù)字信號處理系統(tǒng) 近年來，由于微電子技術和信號處理技術的迅速發(fā)展及快速傅里葉變換（FFT）算法的推廣，在工程測試中，數(shù)字信號處理方法得到越來越廣泛的應用，出現(xiàn)了各種各樣的信號分析和數(shù)據(jù)處理儀器。這種具有高速控制環(huán)節(jié)和運算環(huán)節(jié)的實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)和信號處埋器，具有多種功能，因此又稱為綜合分析儀。第八章噪聲的測量一、噪聲測量的基礎1、聲波、次聲波、超聲波、可聽聲、噪聲及噪聲測量的概念 產生振動的振源頻率在20～20000Hz之間時，人可以聽到它，稱為聲波；聲音是聲波以縱波形式在介質中的傳播；振源頻率低于20Hz或高于20000Hz時，人無法聽到；低于20Hz的波動稱為次聲波，高于20000Hz的波動稱為超聲波；特超聲指高于超聲頻率上限的超高頻聲波；可聽聲是人耳可聽到的聲音，頻率為20～20000Hz；一些引起反感的、刺耳、由許多不同頻率聲波無規(guī)律的雜亂組合而成的聲音統(tǒng)稱為噪聲，在物理意義上是指不規(guī)則、間歇的或隨機振源產生的聲音，工業(yè)噪聲主要有機械性噪聲、空氣動力性噪聲及電磁性噪聲等； 噪聲測量就是將聲壓信號變換為相應的電信號。產生聲波的條件：①有作機械振動的物體——聲源②有能傳播機械振動的介質。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、聲強、聲強級、聲功率、聲功率級、響度及響度級等。 聲壓是指某點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，正常人剛能聽到的1000Hz聲音的聲壓為2×105Pa，稱為聽閾聲壓，并規(guī)定為基準參考聲壓，記為P0。當聲壓為20Pa時，能使人耳開始產生疼痛，稱之為痛閾聲壓。 聲壓級表示聲壓與基準參考聲壓P0的相對關系，記為Lp即：聲強是在傳播方向上，單位時間內通過單位面積的聲能量，記為I；單位為W／m2。對于球形聲源，假設聲源在傳播過程中沒有受到任何阻礙，也不存在能量損失，當聲壓Pa為常數(shù)時，兩個任意距離r1和r2處的聲強為I1和I2，則有：聲強級表示聲強與參考聲強I0（取I0

＝10-12W／m2）的相對關系，記為LI，即：

聲功率是聲源在單位時間內發(fā)射出的總能量，用W表示，單位為瓦（W）。聲功率級表示聲功率W與參考基準聲功率W0（W0

＝10-12W）的相對關系，記為Lw，即：響度及響度級是根據(jù)人耳的特性，仿照聲壓級的概念，引出一個與頻率有關反映主觀感覺的量，即響度或響度級，單位是方。對于各等響曲線，習慣上以800Hz聲音的分貝數(shù)n作為級別的序號，稱其為n“phon”，各曲線相應稱之為響度級。聽覺判斷聲音的強弱用響度來表示。響度的單位為Sone（宋）。當頻率為1000Hz，聲壓級比聽閾聲壓級大40dB的純音的響度定義為1Sone。兩者之間的關系：3、噪聲的分析與評價A計權網絡是效仿倍頻等響曲線中的40方曲線設計的，較好地模仿了人耳對低頻段（500Hz以下）不敏感，對1000～5000Hz聲敏感的特點。用A計權測量的聲級叫做A聲級，記作分貝（A），或dB（A）。由于A聲級是單一的數(shù)值，容易直接測量，且是噪聲的所有頻率分量的綜合反映，故目前在噪聲測量中得到廣泛的應用，并用來作為評價噪聲的標準。B計權網絡是效仿70方等響曲線，低頻有衰減。C計權網絡是效仿100方等響曲線，在可聽頻率范圍內，有近乎平直的特點，讓所有頻率的聲音近乎均通過，基本上不衰減，因此C計權網絡代表總聲壓級。4、噪聲測量的儀器噪聲的測量主要是聲壓級、聲功率級及其噪聲頻譜的測量。一套聲壓級測量儀器包括傳聲器、聲級計、頻率分析儀、校準器等。聲功率級不是直接由儀器測量出來的，是在特定的條件下通過測量的聲壓級計算