工程机械NVH基础

主要内容23NVH理论基础NVH测试及评价415NVH发展趋势国内现状工业背景工业背景——接轨国际，“减振降噪”蓄势待发

NVH（Noise、Vibration、Harshness）技术已经在航空、航天、汽车等行业中得到广泛应用，但在工程机械领域应用还比较少。随着工程机械行业的迅速发展，NVH已经成为评价工程机械品质的最重要的技术指标之一。国际上各大工程机械厂商如Cat，JohnDeere，Komatsu，Kubota，Doosan等对NVH进行了深入的研究。国内对NVH的研究基本处于刚开始的阶段。噪声、振动与舒适性三者密切相关。既要减小振动，降低噪声，又要提高乘坐舒适性。

与节能、再制造、混合动力和不断更新的排放标准相比，减振降噪似乎算不上行业热衷的词汇。然而，减振降噪研究的技术含量和重要程度并不亚于其它任何一项研究。2012年1月1日，GB16710-2010《土方机械噪声限值》正式实施。

国内现状徐工山推厦工柳工三一加速国际化——工程机械减振降噪进行时山重建机振动基础——概念振动：简单的说，是一种往复类型的运动，是自然界及工程上一种普遍存在的运动方式。振动的严格定义：机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动，并随时间变化的运动。机械振动：指机械系统的振动。振动??

机械振动振动基础——振动举例心脏的搏动、耳膜和声带的振动等汽车、火车、飞机及机械设备的振动各种动力机械的振动控制系统中的自激振动家用电器、钟表的振动声、光、电、磁的波动等大海波涛桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动振动基础——振动的有害面影响精密仪器设备的功能；降低机械加工的精密度和光洁度；加剧构件的疲劳损坏和磨损；振动甚至使结构发生大变形而破坏；机翼的颤振，机轮的摆振和航空发动机的异常振动，曾多次造成飞行事故；车船和飞机的振动恶化了乘载条件；强烈的振动噪声还可以形成严重的公害。振动基础——振动灾害举例1部队经过桥梁时不能齐步走，为了避免桥因共振而坍塌振动基础——振动灾害举例21940年11月7日美国Tocama悬索桥风毁事故。振动基础——振动的利用与控制

琴弦振动；

通信、广播等；振动沉桩、振动拔桩

以及振动捣固等;振动检测；振动压路机;振动给料机;振动成型机振动筛等。振动基础——往复作用力产生机械振动

船将摇动因为波浪对其施加一个往复的力——某种模式的反复施加的力。许多振动都因类似于那种引起船摇动的往复力而起，像这样的往复力作用于机器部件会引起机械振动。引起机械振动的往复力来自那里呢？振动基础——往复作用力产生机械振动偏心旋转不对中旋转内力振动基础——松动加剧机械振动

机械零件的松动引起机械振动。如果零件变得松动，那些原本可以容忍的正常振动可能变得不能约束并且过大。振动基础——共振引起机械振动机器倾向于以某个速率振动。如果一台机器被一往复力推动，且该力的节奏与机器的固有振动速率相匹配将会发生什么呢？振动基础——振动系统分类振动系统（按自由度划分）离散系统单自由度系统多自由度系统连续系统（按参量划分）定则系统常参量系统变参量系统随机系统各力是否为线性线性系统非线性系统振动基础——离散系统和连续系统离散系统由集中参数元件组成。基本的集中参数元件有三种：质量、弹簧与阻尼器。

质量(包括转动惯量)模型只具有惯性。

弹簧（线性）模型只具有弹性，本身质量可忽略不计。

阻尼器（线性）模型既不具有惯性，也不具有弹性，它是耗能元件，在有相对运动时产生阻力。连续系统是由弹性体元件组成。如杆、梁、板、壳。振动基础——振动系统的自由度数确定一个振动系统空间位置所需的独立坐标个数，称为自由度。弹性体可以看作由无数质点组成，各个质点之间有着弹性连接，只要满足连续性条件，各个质点的任何微小位移都是可能的。因此，一个弹性体有无限多个自由度。振动基础——振动问题分类系统（输入）激励（输出）响应第一类：已知激励和系统，求响应。称为响应计算（分析）或正问题。

第二类：已知激励和响应，求系统。称为系统识别或参数识别，又称为第一类逆问题。

第三类：已知系统和响应，求激励。称为载荷识别（振动环境预测），又称为第二类逆问题。

振动基础——振动系统描述

求解振动问题的主要目的是要确定在任何给定时刻系统的位移、速度、加速度等。单自由度系统是振动研究中最简单的一类系统，仅用一个坐标就可以确定该类系统的运动状态。振动基础——振动系统描述根据牛顿第二定律：单自由度系统振动方程的一般形式：振动基础——无阻尼单自由度自由振动无阻尼单自由度系统自由振动：求解：其中：振动基础——无阻尼单自由度自由振动简谐振动：周期振动：振动基础——无阻尼单自由度自由振动简谐振动：振动基础——无阻尼单自由度自由振动振动方向相同的简谐振动合成：两个同频率简谐振动的合成两个不同频率简谐振动的合成两个频率十分接近的简谐振动合成

振动基础——无阻尼单自由度自由振动振动方向相互垂直的简谐振动合成：

同频率两个简谐振动在同一平面内沿相互垂方向直合成后的运动轨迹一般为椭圆，频率不同时合成后的运动轨迹较为复杂。当频率之间存在一定比例关系时，合成后的运动轨迹呈现出稳定的有规律的结果。借助于双线示波器我们可以观察到这些有趣的图形，这些图形被称为李萨育图。振动基础——有阻尼单自由度自由振动有阻尼单自由度系统的自由振动：阻尼比：过阻尼（ζ>1）：振动基础——有阻尼单自由度自由振动临界阻尼（ζ=1）：欠阻尼（0<ζ<1）：振动基础——单自由度系统的受迫振动受简谐力作用的单自由度系统的振动：振动基础——单自由度系统的受迫振动频率比：共振频率比：振动基础——振动的隔离力传递率：振动基础——振动的隔离振动的隔离：声学基础——基本概念

波动是振动在介质中的传播。1.波动产生的原因：介质中各个质点间相互力学作用：拉压应力或剪切应力。2.波动函数可通过质点受力分析导出波动函数：其中：x——某质点距振源的距离

c——声速一、波动声学基础——基本概念二、声波种类按振动方向分类

（1）纵波：介质的振动方向与波的传播方向一致。振动方向传播方向力学原理：靠介质的拉或压应力传播振动存在介质：固体、液体、气体均可传播纵波声学基础——基本概念（2）横波：介质的振动方向与波的传播方向垂直

力学原理：靠介质中的剪切应力传播振动。存在介质:固体

注：空气中只存在纵波。

振动方向传播方向声学基础——基本概念2.按波振面分类（1）概念

波振面：所有振动相位相同的点构成的面（客观存在）声线：沿传播方向与波振面垂直或正交的一系列直线（假想线）声源波振面声线声学基础——基本概念（2）声波按波振面分类球面波：波振面为球面，点声源产生；柱面波：波振面为柱面，线声源产生；平面波：波振面为平面，平面声源产生；注：当距离声源足够远时，所有声波均可视为平面波。声学基础——基本概念三、声音的频率、波长、振幅1.频率f：单位Hz(1/秒)

人耳可听频率范围：20～20000Hz

次声波：低于20Hz

超声波：高于20000Hz2.波长λ：人耳可听波长范围：0.17mm~17m3.振幅ξ0：介质质点振动时离开平衡位置的最大距离

痛阈振幅：1.7×10-3cm

听阈振幅：1.7×10-9cm

分子直径：10-8cm

人耳能分辨小于分子直径的振动，及其灵敏。声学基础——基本概念四、声压(*)1.声压定义p：声波扰动引起介质压强的变化量。

p=p声－p静其中：p声——声音存在时介质压强

p静——无声音时介质压强声压单位：帕（Pa）

说明：声压易于测量，人耳感受的也是声压，所以声学中一般用声压p替代振幅ξ来描述声音的强弱。声学基础——基本概念2.用声压表示的波动函数3.有效声压pe

人耳不能感觉声压的瞬时起伏，只能感受声压的有效值，即声压对时间的均方值。说明：声学所谈声压一般是指有效声压。声学基础——基本概念4.人耳对声压的感受范围听阈声压：2×10-5Pa

痛阈声压：20Pa

说明：

（1）人耳感受声压范围很大：最大最小相差106（百万）倍；（2）大气压为105Pa，可听声压为大气压的1/50亿~1/5000，说明声音引起的气压变化非常小。声学基础——基本概念五、声能密度1.声能密度定义

声场中单位体积介质中声能，用D表示，单位为J/m3。2.平均声能密度

声场中每一位置的声能密度随时间变化，取一个周期内的平均值为平均声能密度。3.声能密度计算公式声学基础——基本概念六、声强1.声强定义

单位时间通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能在一个振动周期内的平均值,用I表示。单位面积声能传播方向声强I

声强是矢量，单位为W/m2。声学基础——基本概念

2.声强与声能密度及声压关系声强与有效声压的平方成正比人耳所能感受到的最小声强为：10-12W/m2.声学基础——基本概念单位时间穿过某一平面或曲面总声能量。七、声功率声学基础——基本概念

穿过波振面的声功率可直接用面积乘以声强。指向均匀点声源功率：声强均匀的平面波功率：声学基础——声级为什么引入声级?

人耳所能感受到的最小的声压2×10-5Pa，痛阈声压20Pa，相差上百万倍，变化范围大，直接用声压或声强表示不方便；此外人耳感受到的声音的强度并不与声压或声强成正比，而是近似于对数关系，为此引入一个成倍比关系的对比两——“声级”表示声音的相对强弱。声学基础——声级一、声压级声压级定义：其中：pe0——参考声压，2×10-5Pa，是人耳所能听到的1000Hz最小声压。又有：声压级单位：分贝（dB——decibel）声学基础——声级说明:a.人耳正常听力范围：0～120dBb.人耳对声音强弱的分辨能力为0.5dB.即当声压增加0.06倍后，人耳才能分辨其差别。声学基础——声级二、声强级1.声强级定义：其中：I0为参考声强级，10-12W/m2，人耳能听到的最小的声强。2.声强级与声压级关系：在38.9℃，空气ρc=400Pas/m,ΔL=0声学基础——声级三、声功率级1.声功率级定义W——声源功率或穿过某一界面的总功率W0——参考功率，10-12W声学基础——声级三、声功率级(续)2.声功率级与声强级的关系对于指向性均匀的点声源：说明：距离声源每增加一倍，声强级衰减6dB.

这一结论是否适合指向不均匀的点声源？声学基础——声级四、声级加法两个70dB的声音叠加后是多少分贝？1.两个声级的叠加（公式法）声学基础——声级例题1：车间一台机器噪声为100dB，另一台机器噪声为85dB，求两台机器同时开机时噪声分贝数？解：例题2：车间两台机器噪声为85dB，求两台机器同时开机时噪声分贝数？解：声学基础——声级ΔLp012345678ΔL´p3.02.52.11.81.51.21.00.80.6ΔLp91011121314151617ΔL´p0.50.40.30.30.20.20.10.10.0852.两个声级的叠加（查表法）(续)声学基础——频谱与频程一、频谱

1.频谱定义

声音依照频率的声强（或声级）分布称为频谱。包含两各方面的信息：声音所含频率；相应各个频率的能量或声强。

2.频谱图

以频率为横坐标，以声强（级）为纵坐标所表示的频谱。声学基础——频谱与频程

p（声压）X(距离)

p（声压）X(距离)

p（声压）X(距离)f(Hz)LI（dB）LI（dB）f(Hz)LI（dB）f(Hz)各种声音频谱声学基础——频谱与频程二、频程（频带）1.频程（频带）定义

绝大多数声音含多个频率或是连续谱，无论从理论分析还是实际测量来讲，把每个频率的声音的声强都加以考查不方便，也不现实，为此，把连续频率分成频段，每一个频段称作频程或频带。有了频程或频带之后，不再考查每个频率的声强或声级，而是把整个频程内所有频率声波的综合声强或声级作为考查研究对象。

声学基础——频谱与频程2.频程划分方法

a.等宽频程：Δf=f上限－f下限=常量

用于声音的窄带精细分析，使用较少。

b.倍频程（倍频带）：二、频程（频带）倍频程分类：1/1倍频程；

1/2倍频程；

1/3倍频程声学基础——频谱与频程二、频程（频带）（续）3.

1/1倍频程

1/1倍频程简称倍频程，频程划分时上下限频率比值为21/1

。每个频程（频带），用一个中心频率来代表该频程：注:通过1/1倍频程划分方法，将可听频率范围（20～20000Hz）划分为10个频程（频带）。上下限与中心频率关系：声学基础——频谱与频程倍频程划分说明：

倍频程的划分方案除了确定频程上下限频率倍数关系外，还要确定第一步频程下限频率或者第一个频程的中心频率。而实际划分倍频程时，为了方便和便于记忆，一般是保证中心频率为整数，如500，1000，2000Hz，在此基础上反推各个频程的上下限便可以了。声学基础——频谱与频程1/1倍频程划分方案f下限

(Hz)中心频率f0(Hz)f上限(Hz)f下限(Hz)中心频率f0(Hz)f上限(Hz)22.331.544.57071000141444.56389141420002828891251772828400056561772503545656800011312354500707113121600022624声学基础——频谱与频程二、频程（频带）（续）4.

1/2倍频程

上下限频率比为21/2：中心频率：上下限与中心频率关系：注：1/2倍频程不是把一个1/1倍频程分为两个倍频程而来的，因此，两种倍频程的上下限不重合。但1/2倍频程的中心频率要么与1/1倍频程中心频率重合，要么与其频程上下限重合。声学基础——频谱与频程1/1倍频程1/2倍频程f下限中心频率f0f上限f下限中心频率f0f上限22.331.544.526.531.537.437.4455344.563895363757590105891251771051251491511802101772503542102502972973554213545007074215005965967108411/2倍频程划分方案声学基础——频谱与频程

上下限频率比为21/3

：二、频程（频带）（续）5.

1/3倍频程中心频率：上下限与中心频率关系：注：1/3倍频程相当于将每一个1/1倍频程划分为三个倍频程，因此二者的上下限重合，当然中心频率也重合。声学基础——频谱与频程1/1倍频程1/3倍频程f下限中心频率f0f上限f下限中心频率f0f上限22.331.544.5（44）22.3(22.4)2528(28.2)28(28.2)31.535.36(35.5)35.64(35.5)4044.9(44.7)44.5（44）6389（88）44.6(44.7)5056.1(56.2)56.1(56.2)6370.7(70.8)71.3(70.8)8089.8(89.1)89（88）12517789.1100112111(112)125140(141)142.5(141)160179.6(178)177250354（355）178200224223(224)250280(282)281(282)315353(355)声学基础——频谱与频程各种倍频程之间中心频率及频程上下限关系中心频率f01/1倍频程中心频率f0中心频率f01/2倍频程1/3倍频程250Hz500Hz1kHz2kHz声学基础——频谱与频程三、倍频程频谱图NVH测试振动噪声测试仪器NVH测试——信号采集从传感器中输出的电信号是随时间连续变化的，这样的信号称为模拟信号。计算机只能对离散的数值进行处理，因此必须将这种连续信号用一系列离散的数值点来代替，将其输入到计算机内，此时模拟信号就转变为了数字信号。对这一过程的实现就称为信号采集或简称采样，也称为模-数转换。NVH测试——时域和频域任何实际的波形均可视为由若干个正弦波所合成，每一正弦分量各有其一定的频率和幅值。从频域研究这些波形比时域考察更为有用一些，因为它可以更好地揭示信号的所有成分。NVH测试——快速傅里叶变换（FFT）正弦函数的傅里叶变换，在正负频域分别成偶对称和奇对称。在多数情况下，只需计及正频域的部分。NVH测试——频率范围N个抽样的时间记录T，称为数据块尺寸或采样周期。FFT能检测的最低频率等于此时间长度T的倒数，即1/T。谱线之间的频率间隔也等于1/T，谱的最高频率等于(1/T)*(N/2)=（1/2）*（N/T）。FFT分析的频率范围，取决于抽样点数N和数据块尺寸T。要想获得高频特性，就需要高速的采样频率。

NVH测试——频率混淆采样定理：数字信号能复现模拟信号所需的最低采样频率必须大于或等于模拟信号中最高频率的2倍，即fs≥2fN

。

试验中，一般应保证采样频率满足：

fs>2.5～5fN

NVH测试——泄漏与加窗如果一正弦波在采样时不是整周期采样，其结果由于边缘的不连续性，使得能量从本来的谱线处显著地泄漏至相邻频域。泄漏是伴随数字信号处理最严重的问题之一。NVH测试——泄漏与加窗要想消除或减轻信号截断和周期化带来的不连续问题，有两种方法：一是保证采样周期同步于信号整周期；二是保证在采样周期的起点和终点处，信号的幅值均为零。后一种方法通过“加窗”