振動(dòng)和噪聲的檢測(cè)

一、機(jī)械振動(dòng)的檢測(cè)及控制途徑

1．振動(dòng)的產(chǎn)生及影響人們利用振動(dòng)可以作一些有用的工作，同時(shí)振動(dòng)對(duì)于人類又存在有害的一面，它會(huì)造成機(jī)械設(shè)備正常工作的破壞，影響工作精度、降低工作可靠性。振動(dòng)動(dòng)載又會(huì)加速機(jī)械失效，造成事故、降低壽命。對(duì)工作機(jī)械的振動(dòng)應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)，如對(duì)機(jī)械提出振級(jí)、噪聲要求，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)要提出抗振的要求等。振動(dòng)的基本類型有三種：自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。

（1）強(qiáng)迫振動(dòng)它是一種由于外界周期性干擾力的作用而引起的不衰減振動(dòng)，如圖3-3-1所示。圖3-3-1強(qiáng)迫振動(dòng)示例

1）強(qiáng)迫振動(dòng)的振源。強(qiáng)迫振動(dòng)的振源可來(lái)自機(jī)械的內(nèi)部，稱機(jī)內(nèi)振源，也可來(lái)自機(jī)械的外部，稱機(jī)外振源。機(jī)外振源有機(jī)床、鍛壓設(shè)備、火車、汽車等通過(guò)地基傳給機(jī)床的振動(dòng)。機(jī)內(nèi)振源有如下幾種：①機(jī)械各個(gè)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。②機(jī)械回轉(zhuǎn)零部件的不平衡。③運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程中引起的振動(dòng)。④往復(fù)部件的沖擊。⑤液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)。⑥切削時(shí)的沖擊振動(dòng)，切削負(fù)荷不均所引起切削力的變化而導(dǎo)致的振動(dòng)等。2）強(qiáng)迫振動(dòng)的主要特點(diǎn)：①在外界干擾力的作用下產(chǎn)生。②強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率總是與外界干擾力的頻率相同。③強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小在很大程度上，決定于干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率的比值。當(dāng)這一比值等于或接近于1時(shí)，振幅將達(dá)到最大值。這種現(xiàn)象稱為“共振”。④強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅大小還與干擾力、系統(tǒng)剛度系數(shù)及其阻尼系數(shù)有關(guān)。（2）自激振動(dòng)自激振動(dòng)是按照系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行的不衰減的振動(dòng)。自激振動(dòng)的特點(diǎn)是：1）自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)。2）自激振動(dòng)的頻率等于或接近等于系統(tǒng)的固有頻率。

3）自激振動(dòng)能否產(chǎn)生以及振幅的大小，決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與所消耗的能量的對(duì)比情況。2．振動(dòng)測(cè)試的內(nèi)容（1）對(duì)振動(dòng)物體基本振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試（2）振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有位移、速度、加速度，所以其定義有下列三種：位移阻抗=力/位移，又稱動(dòng)剛度，其倒數(shù)稱動(dòng)柔度；速度阻抗=力/速度，又稱機(jī)械阻抗，其倒數(shù)稱機(jī)械導(dǎo)納；加速度阻抗=力/加速度，又稱表現(xiàn)質(zhì)量，其倒數(shù)稱為慣性率。

（3）振動(dòng)信號(hào)的分析和處理對(duì)振動(dòng)所檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，從中提取人們所需要的、有用的信息。所謂“振型”常需進(jìn)行測(cè)定，以找出動(dòng)態(tài)下的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)。進(jìn)行這方面的測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3-3-2所示。

圖3-3-2振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖3．振動(dòng)測(cè)試方法和儀器簡(jiǎn)介振動(dòng)的測(cè)試首先是要測(cè)出振動(dòng)的基本參量，其中最重要的是振動(dòng)位移、速度和加速度中任一種的時(shí)域波形，其他參量是在此測(cè)出的原始信號(hào)基礎(chǔ)上導(dǎo)出的參量。振動(dòng)位移的測(cè)量可用各種位移傳感器，也可用光學(xué)的方法如用讀數(shù)顯微鏡、光波干涉法等。振動(dòng)速度的測(cè)量一般采用磁電式速度傳感器。振動(dòng)加速度的測(cè)量主要是利用各種形式的加速度計(jì)，最常用的有應(yīng)變式、壓電式等。由傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)電子放大器放大，能通過(guò)測(cè)振儀的電表指針或熒光屏顯示出來(lái)，或通過(guò)記錄設(shè)備將信號(hào)記錄下來(lái)。

4．振動(dòng)試驗(yàn)和分析儀器簡(jiǎn)介為了測(cè)得在一定的激勵(lì)下機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可在機(jī)械工作狀態(tài)下測(cè)量其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，然后進(jìn)行分析。（1）激振類型和激振器機(jī)械工程中常用的激振方法有以下幾種：1）正弦激振。激振力的變化是一簡(jiǎn)諧波形，這種方法又可分為點(diǎn)頻法和掃頻法。2）瞬態(tài)激振。最常用的是沖擊激振，這種方法是以一帶有力傳感器的重錘敲擊被測(cè)機(jī)械系統(tǒng)，然后測(cè)定各點(diǎn)響應(yīng)。錘擊信號(hào)的波形近似于半正弦脈沖如圖3-3-3所示。圖3-3-3半正弦脈沖及其頻譜

3）隨機(jī)激振。為了將所需的激振信號(hào)變?yōu)榧ふ窳κ┘拥奖粶y(cè)機(jī)械系統(tǒng)上，需使用各種激振器。激振器常用的有電動(dòng)式、電磁式、電液式等，如圖3-3-4，圖3-3-5，圖3-3-6。圖3-3-4電動(dòng)式激振器1-頂桿2-可動(dòng)線圈支架3-支承彈簧4-磁極5-可動(dòng)線圈6-勵(lì)磁線圈7-殼體

圖3-3-5電磁式激振器1-底座2-鐵心3-勵(lì)磁線圈4-力檢測(cè)線圈5-銜鐵6-位移傳感器

圖3-3-6電液式激振器1-頂桿2-活塞3-電液伺服閥（2）振動(dòng)分析及儀器在振動(dòng)試驗(yàn)中，利用激振系統(tǒng)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)激振后，再用振動(dòng)測(cè)試儀器測(cè)得機(jī)械系統(tǒng)上各不同測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)。進(jìn)行信號(hào)頻域處理的儀器有頻譜分析儀，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)響應(yīng)分析的儀器有傳遞函數(shù)分析儀。5．消除或減小振動(dòng)的方法和途徑（1）查找振源（2）減小或消除振源的激振力（3）隔振（4）提高系統(tǒng)的動(dòng)剛度及阻尼（5）改變工藝參數(shù)（6）使用減震器和阻尼器二、噪聲的檢測(cè)和消除

1．噪聲的概念凡是令人煩惱、討厭、刺激、分散注意力、影響工作和休息的聲音都叫噪聲。（1）聲壓和聲壓級(jí)空氣中的聲波使空氣時(shí)而變密，時(shí)而變疏?？諝庾兠?，壓強(qiáng)就增高，空氣變疏，壓強(qiáng)就降低。即聲波使大氣壓產(chǎn)生起伏，這個(gè)起伏部分，即超過(guò)靜態(tài)大氣壓的量稱為聲壓，聲壓的單位是帕（Pa）。人們用一個(gè)成倍比關(guān)系的對(duì)數(shù)量—聲壓級(jí)Lp來(lái)表示聲音的大小，其單位為分貝（dB）。

式中Po—基準(zhǔn)聲壓（2×10-5Pa）；P—聲壓（Pa）；Lp—聲壓級(jí)（dB）。由上式可知，聽(tīng)閾的最低聲壓級(jí)為0dB，痛閾的聲壓級(jí)為120dB。這樣，就把聲壓的數(shù)百萬(wàn)倍的變化范圍，改變?yōu)?～120dB的變化范圍。dB反映的是比值，沒(méi)有單位。（2）聲壓級(jí)的疊加必須按對(duì)數(shù)法則進(jìn)行運(yùn)算。為了便于計(jì)算，人們把聲壓級(jí)的疊加做成曲線如圖3-3-7所示。利用曲線圖可以直接查出聲壓級(jí)的和。圖3-3-7分貝和增值圖（3）響度級(jí)及計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)人耳對(duì)高頻的聲音感覺(jué)靈敏，對(duì)低頻的聲音感覺(jué)遲鈍。根據(jù)人耳的這個(gè)特性，仿造聲壓級(jí)的概念，引出了一個(gè)與頻率有關(guān)的響度級(jí)，單位為“方”。就是選取1000Hz的純音作為基準(zhǔn)聲音，若某個(gè)噪聲聽(tīng)起來(lái)與該純音一樣響，則該噪聲的響度級(jí)（方）就等于這個(gè)純音的聲壓級(jí)（dB）。為了使聲音的客觀量和人耳聽(tīng)覺(jué)主觀感受近似的取得一致，在測(cè)量噪聲的聲級(jí)計(jì)中設(shè)置了A、B、C三種頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使所接收的聲音按不同程度慮波，以修正儀器的頻率響應(yīng)，如圖3-3-8所示。圖3-3-8計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)（4）噪聲的頻譜為了解某噪聲源的噪聲特性，就需詳細(xì)地分析它的各個(gè)頻率成分和相應(yīng)的強(qiáng)度，稱頻譜特性。耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍一般介于20～20000Hz之間，有1000倍的變化范圍。為測(cè)量和分析方便，把寬廣的聲波頻率范圍分成幾個(gè)頻段，稱頻帶或頻程。對(duì)于每一頻帶或頻程都有上下兩個(gè)截止頻率，上下截止頻率之差就是頻帶寬度，簡(jiǎn)稱帶寬。由上下截止頻率決定的中間區(qū)域稱為通帶。上下截止頻率比是2:1的頻程，叫倍頻程，每一倍頻程的通帶稱為倍頻帶。有時(shí)為了得到比倍頻程更詳細(xì)的頻譜，也用1/3倍頻程，即把一個(gè)倍頻程分為三份。目前常用的倍頻程和1/3倍頻程的頻段見(jiàn)表3-3-1。以各倍頻程的中心頻率為橫坐標(biāo)，以測(cè)得的倍頻帶聲壓級(jí)為縱坐標(biāo)，就可得出倍頻程聲壓級(jí)與中心頻率的關(guān)系圖—頻譜圖，就可對(duì)噪聲進(jìn)行頻譜分析。表3-3-1倍頻程和1/3倍頻程

2．機(jī)床噪聲的測(cè)量（1）噪聲測(cè)量?jī)x器噪聲測(cè)量中最簡(jiǎn)單、最常用的是便攜式聲級(jí)計(jì)。它體積小、重量輕、用電池供電、便于攜帶，不僅可以單獨(dú)測(cè)量聲壓級(jí)和聲級(jí)，而且還可以和相應(yīng)地儀器或部件配套進(jìn)行頻譜分析。聲級(jí)計(jì)的外形如圖3-3-9所示。圖3-3-9聲級(jí)計(jì)外觀圖聲級(jí)計(jì)一般分普通聲級(jí)計(jì)和精密聲級(jí)計(jì)兩種。普通聲級(jí)計(jì)的測(cè)量誤差約為±3dB，精密聲級(jí)計(jì)約為±1dB。聲級(jí)計(jì)由傳聲器、放大器、衰減器、頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)及有效值指示表頭組成，有的還帶有倍頻程濾波器組合成測(cè)聲儀，除了可測(cè)量聲壓級(jí)和聲級(jí)外，還可用來(lái)對(duì)聲音進(jìn)行頻譜分析。利用聲級(jí)計(jì)的A、B、C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲級(jí)讀數(shù)，可以粗略地估計(jì)所測(cè)噪聲的頻率特性；當(dāng)LA=LB=LC時(shí)，噪聲在高頻段占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)LA＜LB=LC時(shí)，噪聲在中頻段占主要成分；當(dāng)LA＜LB＜LC時(shí)，噪聲呈低頻特性。聲級(jí)計(jì)的表頭讀數(shù)為有效值，也叫均方根值。表頭阻尼特性分快慢兩擋，如果噪聲不隨時(shí)間起伏，則用快擋進(jìn)行讀數(shù)。當(dāng)快擋測(cè)量的噪聲起伏大于±3dB時(shí)應(yīng)換用慢擋，這時(shí)可讀出不穩(wěn)定噪聲在一段時(shí)間的平均值。（2）機(jī)床噪聲測(cè)試的目的和內(nèi)容測(cè)試的目的是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢查機(jī)床的噪聲。測(cè)量的內(nèi)容包括兩個(gè)方面：1）機(jī)床噪聲聲壓級(jí)的測(cè)量。2）機(jī)床噪聲的頻譜分析。

（3）測(cè)量方法1）測(cè)量前的儀器準(zhǔn)備。①電池供電電壓檢查。②儀器使用前的示值校正。如圖3-3-10所示。圖3-3-10活塞發(fā)聲器外形將儀器的“計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)”開(kāi)關(guān)置于“線性”位置，將輸出衰減器旋鈕（面板上的透明旋鈕）順時(shí)針旋到底，使旋鈕上的兩條界限指示線（紅線）對(duì)準(zhǔn)面板上的固定指示線，輸入衰減器旋鈕（黑色旋鈕）上120dB刻線對(duì)準(zhǔn)面板固定指示線，并在兩紅線之間（圖3-3-11）。將活塞發(fā)生器緊密地套在儀器傳聲器的頭上，推開(kāi)活塞發(fā)聲器開(kāi)關(guān)至“通”位置，用旋具調(diào)節(jié)輸入放大量“▼”電位器，使電表讀數(shù)為+4dB。關(guān)閉并取下活塞發(fā)聲器，聲級(jí)計(jì)校正完畢。圖3-3-11儀器示值校正時(shí)的旋鈕位置

2）測(cè)量條件規(guī)定①測(cè)量環(huán)境。為使周圍環(huán)境對(duì)被測(cè)結(jié)果無(wú)明顯影響，本底噪聲級(jí)至少應(yīng)該比所測(cè)機(jī)床噪聲低10dB以上。否則，測(cè)量結(jié)果應(yīng)按圖3-3-12修正。②測(cè)點(diǎn)位置。③設(shè)備狀態(tài)。機(jī)床噪聲的測(cè)量一般是在空運(yùn)轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行，但有時(shí)也有必要在負(fù)荷情況下測(cè)量。3）聲壓級(jí)的測(cè)量。4）聲級(jí)的測(cè)量。5）聲音的頻譜分析。圖3-3-12本底噪聲影響的修正3．降低噪聲的途徑（1）噪聲來(lái)源噪聲主要來(lái)自下列三個(gè)方面。1）機(jī)械噪聲。2）流體噪聲。3）電磁噪聲。（2）降低噪聲的途徑1）消除和減小機(jī)械振動(dòng)。2）吸聲。

3）隔聲。4）消聲。三、振動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)1．試驗(yàn)項(xiàng)目（1）用振動(dòng)計(jì)對(duì)一臺(tái)外圓磨床進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)定砂輪架、頭架、尾座、工作臺(tái)的振幅值和頻率，找出主要振源。步驟為：1）在砂輪架、頭架、尾座、工作臺(tái)的水平及垂直部位均設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。2）在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)出各點(diǎn)水平、垂直方向的振幅值及頻率。3）開(kāi)啟油泵電動(dòng)機(jī)，測(cè)出在此狀態(tài)下的振幅值及頻率。4）同時(shí)開(kāi)啟油泵電動(dòng)機(jī)及頭架電動(dòng)機(jī)，測(cè)出在此狀態(tài)下的振幅值及頻率。5）同時(shí)開(kāi)啟油泵電動(dòng)機(jī)及砂輪電動(dòng)機(jī)（砂輪不轉(zhuǎn)），測(cè)出在此狀態(tài)下的振幅值及頻率。6）電動(dòng)機(jī)全開(kāi)砂輪轉(zhuǎn)，測(cè)出在此狀態(tài)