機(jī)械振動(dòng)與噪聲控制

機(jī)械振動(dòng)與噪聲控制第1頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五振動(dòng)－－物體或質(zhì)點(diǎn)在平衡位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度、振動(dòng)位移振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率噪聲－－使人感到厭煩的聲音。聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)、響度、A計(jì)權(quán)第2頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二章聲學(xué)基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.1.1理想介質(zhì)中的聲場(chǎng)波動(dòng)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(dòng)后的壓強(qiáng)pd

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

第3頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1.2聲波與聲源波陣面------所謂波陣面是指聲傳播過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在某瞬時(shí)完全相同的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形成的面。聲波：平面聲波、球面聲波和柱面聲波等類(lèi)型，第4頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五常見(jiàn)聲源聲一般都是由于物體的振動(dòng)而產(chǎn)生的。凡能產(chǎn)生聲的振動(dòng)物體統(tǒng)稱(chēng)為聲源。所謂聲源的振動(dòng)就是物體在其平衡位置附近進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。球面聲源一個(gè)表面均勻脹縮的脈動(dòng)球面聲源，即其球面沿半徑方向作同振幅、同相位的振動(dòng)，球面振動(dòng)速度為ua，則在離球心r處向外輻射的聲壓可以寫(xiě)為方程。當(dāng)ka<<1，即聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于聲源半徑a時(shí),有：Q=sua=4pa2ua稱(chēng)為聲源強(qiáng)度。

第5頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2)偶極子聲源當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)聲源相距很近：

偶極子聲源第6頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3)線聲源線聲源第7頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4)無(wú)限大障板上圓形活塞

無(wú)限大障板上圓形活塞

第8頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2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(diǎn)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(diǎn)速度第9頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在分界面的聲壓和速度應(yīng)當(dāng)是連續(xù)相等的:

聲壓的反射系數(shù)rp,透射系數(shù)

第10頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五吸聲系數(shù)吸聲系數(shù)越大表示了聲波透射越大。當(dāng)a=1時(shí)，垂直入射聲波將從一個(gè)媒質(zhì)完全進(jìn)入到另一個(gè)媒質(zhì)，只要兩個(gè)媒質(zhì)的特性阻抗相同時(shí)，垂直入射聲波都會(huì)有a=1的全透射。當(dāng)a=0時(shí)，表示垂直入射聲波將產(chǎn)生全反射

第11頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率

2.3.1聲阻抗、聲強(qiáng)和聲功率的定義

描述聲輻射和聲場(chǎng)特性的一個(gè)重要概念是聲阻抗。對(duì)于一個(gè)聲源來(lái)說(shuō)，如果它的表面振速是u，表面積是S，則uS

稱(chēng)為體積速度U。該聲源表面聲壓與聲源體積速度之比稱(chēng)為聲阻抗Z。

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

第12頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五開(kāi)放空間聲場(chǎng)，由于體積速度概念變得不很明確，此時(shí)通常采用聲阻抗率這個(gè)概念來(lái)描述聲場(chǎng)概念。聲阻抗率定義為聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓值與該點(diǎn)速度的比值

平面聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的聲阻抗率為第13頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聲強(qiáng)和聲功率

聲場(chǎng)中某點(diǎn)處，與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積S在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的聲能稱(chēng)為瞬時(shí)聲強(qiáng).對(duì)于穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，聲強(qiáng)是指瞬時(shí)聲強(qiáng)在一定時(shí)間T內(nèi)的平均值

對(duì)于在自由空間中傳播的平面聲波，

單位時(shí)間平均聲強(qiáng)可以寫(xiě)為

單位時(shí)間平均聲功率

第14頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.3.2聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)測(cè)量及聲譜分析

單位：dB聲壓級(jí)

pe——被測(cè)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(duì)1kHz的聲音剛能聽(tīng)到聲壓值

第15頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聲強(qiáng)級(jí)

參考聲強(qiáng)Iref取為10-12W/m2

第16頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聲功率級(jí)

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

聲強(qiáng)級(jí)與聲功率級(jí)之間的關(guān)系

第17頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聲頻譜分析

在聲譜分析中一個(gè)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(dāng)帶通頻率滿足log2(f2/f1)=1時(shí)稱(chēng)為1倍頻程，log2(f2/f1)=1/2稱(chēng)為1/2倍頻程，log2(f2/f1)=1/3稱(chēng)為1/3倍頻程，式中f1和f2稱(chēng)為帶通濾波器的上下截止頻率。

第18頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.3.2響度級(jí)，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(jué)同聲波的強(qiáng)度和頻率密切相關(guān)。相同聲壓級(jí)單頻率不同的聲波，人耳聽(tīng)起來(lái)會(huì)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(biāo)準(zhǔn)，定義其聲壓為響度級(jí)，其符號(hào)是LN，單位為“方”（phon）。其它頻率的聲音響度級(jí)通過(guò)與1000Hz純音相比較來(lái)確定。

第19頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第20頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五計(jì)權(quán)聲級(jí)

由于人的感覺(jué)受到頻率的影響，為了使聲音的量度和人的聽(tīng)覺(jué)一致，在測(cè)試過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行了模擬人耳的濾波，該濾波稱(chēng)為計(jì)權(quán)，根據(jù)頻響特性的不同，計(jì)權(quán)分為A計(jì)權(quán)、B計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)和D計(jì)權(quán)等

D計(jì)權(quán)常用于航空噪音的測(cè)量。A計(jì)權(quán)的頻率響應(yīng)與人耳對(duì)寬頻帶的聲音靈敏度相當(dāng)，目前被廣泛應(yīng)用為評(píng)價(jià)參量。

第21頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三章噪聲控制3.1噪聲源識(shí)別根據(jù)噪聲源的發(fā)聲機(jī)理通常將噪聲分成三類(lèi)：機(jī)械噪聲，空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。機(jī)械噪聲往往由于機(jī)械部件的振動(dòng)，撞擊，摩擦，不平衡等造成?？諝鈩?dòng)力噪聲是由于氣體流動(dòng)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(chǎng)的交變?cè)斐蓹C(jī)械部件或空間容積的振動(dòng)而產(chǎn)生的。

第22頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（1）主觀評(píng)價(jià)法

（2）分別運(yùn)行法

（3）覆蓋法

（4）表面振速測(cè)量法

（5）信號(hào)分析法（6）聲強(qiáng)測(cè)量法（7）聲全息法

第23頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.2噪聲的被動(dòng)控制和主動(dòng)控制

被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。所謂被動(dòng)控制指噪聲控制過(guò)程中除噪聲源外沒(méi)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(dòng)控制。如果在噪聲控制過(guò)程中，在噪聲源以外，人為加入能量（次級(jí)聲源或次級(jí)力源等）來(lái)控制噪聲的方法稱(chēng)為噪聲主動(dòng)控制。

第24頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五吸聲降噪吸聲降噪技術(shù)通常分成兩類(lèi)：多孔吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)

第25頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(shí)際吸聲量

：第26頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（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(xì)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(dāng)聲波進(jìn)人材料孔隙時(shí)，引起孔隙中的空氣和材料的細(xì)小纖維波動(dòng)，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(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

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(shí)，由于孔隙中的空氣在單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)少，對(duì)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(dá)到某一值后，增加不再明顯。

同一種多孔吸聲材料實(shí)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(duì)高頻吸聲效果幾乎沒(méi)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(jì)的。此外如果吸聲材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）共振吸聲結(jié)構(gòu)

薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)

第29頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)

第30頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五微穿孔板吸聲結(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(dá)到6—10個(gè)1/3倍頻程

第31頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(3)隔聲結(jié)構(gòu)

衡量隔聲效果的兩個(gè)重要指標(biāo)是聲強(qiáng)透射系數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)透射系數(shù)）和隔聲量

隔聲量

第32頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1)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(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

若聲波無(wú)規(guī)入射到壁面上，則隔聲量為

第34頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2)雙層隔聲結(jié)構(gòu)

雙層壁隔聲機(jī)理：聲波激發(fā)起第一層壁振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)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(dòng)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(huì)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(xiě)為

第35頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五入射波頻率低于共振頻率時(shí)雙層壁的隔聲量：入射波頻率高于共振頻率時(shí)雙層壁的隔聲量：

第36頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(guò)10cm后，隔聲量就幾乎不再增加，故實(shí)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(shí)，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(jì)成不同厚度時(shí)，可便兩個(gè)單層壁的臨界頻率互相錯(cuò)開(kāi)，從而避免出現(xiàn)隔聲量低谷過(guò)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(duì)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(huì)吸收聲能，進(jìn)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(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（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(zhǎng)；S消聲器截面有效面積；l指消聲器的有效長(zhǎng)度。

阻性消聲器除低頻吸聲特性不是很好外，還存在一個(gè)高頻失效問(wèn)題。當(dāng)聲波頻率足夠高時(shí)，聲波波長(zhǎng)相對(duì)通道截面尺寸很小，此時(shí)，聲波呈束狀通過(guò)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(chēng)為上限失效頻率fLc0是聲速，D為消聲器的當(dāng)量直徑。

第38頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第39頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

抗性消聲器

:

它主要利用截面突變?cè)斐陕晜鞑ネǖ赖淖杩故洌a(chǎn)生聲能的反射，從而達(dá)到消聲目的。

抗性消聲器的擴(kuò)張比

第40頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(zhǎng)度，V表示擴(kuò)張室的體積

第41頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第42頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四章阻尼技術(shù)阻尼的影響１阻尼處在形式及數(shù)學(xué)表達(dá)對(duì)數(shù)衰減率：（N個(gè)波形峰值平均）第43頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期五阻尼系數(shù)：阻尼損耗因子第44頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20