水下振动噪声及控制技术绪论.ppt

水下振动噪声及控制技术 2017年8月,1,授课内容,2,绪论、噪声的危害与评价、噪声的控制方法、振动的控制方法 潜艇和船舶噪声的主要来源及计算方法 振动被动控制-吸振原理、隔振原理 振动被动控制-减振原理、船体振动的减振方法 振动被动控制-船舶常用减振器介绍 振动主动控制（结构中的振动主动控制） 吸声原理（水声常用的吸声材料与吸声结构） 带圆柱空腔吸声覆盖层的有限元数值计算模型 声学覆盖层声学机理概述 声学覆盖层的声学性能测试技术 粘弹性材料动态弹性模量的测试技术 隔声原理及应用、单层均匀薄型构件的隔声 双层薄板的隔声、弯曲薄板、复合板和多层板的隔声 组合结构的隔声和漏声的影响、管道隔声、结构固体声隔声 有源噪声控制（结构声辐射有源控制） 潜艇和船舶噪声常用的测量方法,共16次课，32个学时,考核方式,3,平时作业30%(到课率+课堂作业) 考试70%（闭卷考试）,参考书目,1、陈小剑，舰船噪声控制技术，上海交通大学出版社； 2、朱蓓丽，潜艇隐身关键技术-声学覆盖层的设计，上海交通大学出版社； 3、何琳，声学理论与工程应用，科学出版社； 4、楼京俊，振动主动控制，国防工业出版社； 5、陈克安，有源噪声控制，国防工业出版社； 6、姚熊亮，船体振动与噪声，国防工业出版社；,4,1.1 噪声的概念 1.2 噪声的分析方法 1.3 噪声的危害 1.4 噪声的控制方法 1.5 振动的控制方法,1绪论,1绪论,噪声污染和空气污染、水污染、废弃物污染一样，被称为当今的四大污染。 噪声污染面积大，到处可见。如交通噪声污染、厂矿噪声污染（各类机械设备）、建筑噪声污染、社会噪声污染。噪声污染一般不致命，它作用于人们的感官，好像没有严重后果，即噪声源停止辐射时，噪声立即消失，噪声没有具体污染物，又不能积累，再利用价值不大，因而，噪声常被人们忽视。 随着近代工业的迅猛发展，噪声污染越 来越严重，已成为一种公害。控制噪声 污染、保护环境已成为人们的共识。,1绪论,声压、声强和声功率 声波引起空气质点的振动，使大气压力产生压强的波动称为声压，亦即声场中单位面积上由声波引起的压力增量为声压，其单位为N/m2，简称帕（帕斯卡），符号为Pa。通常都用声压来衡量声音的强弱。 正常人耳刚能听到的声压是2xl0-5Pa，称为听阈声压；人耳产生疼痛感觉的声压是20Pa，称为痛阈声压。,噪声的评价方法,在声波中，人们经常研究的瞬时间隔内声压的有效值，即随时间变化的均方根值，称为有效声压值。数学表达式为 式中， -瞬时声压；t-时间；T-声波完成一个周期所用的时间。 对于正弦波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以 ，如未加说明，即指有效声压。,有效声压,声波作为一种波动形式，将声源的能量向空间辐射，人们可用能量来表示它的强弱。 在单位时间内，通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能，叫做声强，单位为 单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻介质所做的功:,声强,自由场中：平面波条件下,声强,自由场中：声源的远场处,声强,声源在单位时间内辐射的总能量叫声功率。 通常用W表示，单位是W，1W=1Nm/s。 在自由声场中，声波作球面辐射时，声功率与声强有下列关系：,声功率,从听阈声压2xl0-5Pa到痛阈声压20Pa，声压的绝对值数量级相差100万倍，因此，用声压的绝对值表示声音的强弱是很不方便的；由于人对声音响度感觉是与对数成比例的，所以，人们采用了声压或能量的对数比表示声音的大小，用“级”来衡量声压、声强和声功率，称为声压级、声强级和声功率级。这与人们常用级来表示风、地震大小的意义是相同的。 声压级定义式：,声压级,参考级：水声（自行查阅）,当噪声源同时向外辐射噪声，它们总的声压级是多少呢？ 不能把两个声压级进行简单的代数相加，能进行相加运算的，只能是声音的能量。,噪声级的合成,某车间有两台相同的车床，它们单独开动时，测得声压级均为l00dB，求这两台机床同时开动时的声压级是多少(dB)?按照声压级的定义，它们的总声压级为：,相同噪声级的合成,相同噪声级的合成,两个特性相同、声压级相等的噪声相加，其总声压级比单个声源的声压级增加了3dB。,如果有N个性质相同、声压级相等的声源叠加到一起，总声压级可用下式表示：,相同噪声级的合成,机床未开动前的本底或环境噪声是可以测量的，机床开动后，机床噪声与本底噪声的总声压级也是可以测量的，那么，计算机床本身的声压级就必须采用声压级的减法。 水声实验中，本底噪声或背景噪声。,声压级分贝的减法,设有N个声压级，因为声波的能量可以相加，故N个声压级的平均值 可由下式表示： 平均声压级的计算是由声能的平均原理导出的，它与人耳对噪声的主观感受基本相符。,平均声压级,音调是人耳对声音的主观感受。（宫 商 角 徵 羽） 试验证明，音调的高低主要由声源振动的频率决定。 由于振动的频率在传播过程中是不变的，所以声音的频率指的就是声源振动的频率。 声音按频率高低可分为次声、可听声、超声。,噪声分析的基本知识,次声是指低于人们听觉范围的声波，即频率低于20Hz；可听声是人耳可以听到的声音，频率为20-20000Hz； 当声波的频率高到超过人耳听觉范围的极限时，人们观察不出声波的存在，这种声波称为超声波。 噪声控制中研究的是可听声，在噪声控制这门学科中，通常把500Hz以下的称为低频声， 把500-20000Hz的称为中频声， 把20000Hz以上的称为高频声。,噪声分析的基本知识,在噪声测量中，最常用的是倍频程或1/3倍频程。在一个频程中，上限频率与下限频率之比为： 倍频程通常用它的几何中心频率来表示：,倍频程,当把倍频程再分成三份，即1/3倍频程，那么，上限频率与下限频率之比为： 即1/3倍频程的几何中心频率为： 1/3倍频程把频率分得更细了，可以更清楚地找出噪声峰值所在的频率。,1/3倍频程,将噪声源的声压级、声强级、或者声功率级，按频率顺序展开，使噪声的强度成为频率的函数，并考察其频谱形状，这就是频谱分析，也称频率分析。 通常以频率（Hz）为横坐标，声压级（声强级、声功率级）（dB）为纵坐标，这种图称为频谱图。 声音的频谱有多种形状，一般可分为三种：,频谱分析,（1）线谱。乐器（如笛、提琴等）发出的声音频谱中，具有一系列的分立的频率成分，在频谱图上是一些线谱，如图1所示，频率最低的成分叫基音，其他频率较高的成分称为泛音。,频谱分析,（2）连续谱。工业上的噪声是由许多不协调的基音和泛音组成的，在频谱上对应各频率成分的竖线排列得非常紧密，它没有显著突出的频率成分，声能连续地分布在空阔的频率范围内，故称为连续谱，如图1（b）所示，这种噪声又称为无调噪声。,频谱分析,（3）在有些噪声源，如鼓风机、车床、空调机、发电机等产生噪声的频谱中，既有线谱又有连续谱成分，故称为有调噪声，这种噪声听起来又明显的音调，如图1（c）所示。,频谱分析,常见的一些机械设备的噪声频谱如图2所示。可清楚地看出相应频率所对应的声压级(dB)，一目了然地找出声压级峰值所在的频率，这些峰值属于有调成分，而其余声能谱则属于无调成分。,频谱分析,(a)10m3/min空压机噪声；（b）LG80m3/min鼓风机噪声；,（c）柴油机排气噪声；（d）JB51-2电动机噪声,频谱分析,强烈的噪声可引起耳聋诱发各种疾病， 影响人们的休息和工作， 干扰语言交流和通信， 掩蔽安全信号造成生产事故， 降低生产效率， 影响设备的正常工作甚至造成破坏。,噪声的危害,噪声对人体的危害最直接是听力损害。 当从较安静的环境进入较强烈的噪声环境中，立即感到刺耳难受，甚至出现头痛和不舒服的感觉，停留一段时间，离开这里后，仍感觉耳鸣，马上（一般在2min内）作听力测试，发现听力在某一频率下降，即听阈提高了20dB。,噪声性耳聋,暂时听阈偏移，亦称听觉疲劳。 听觉疲劳时，听觉器官并未受到器质性损害。 如果人们长期在强烈的噪声环境中工作，日积月累，内膜器官不断受噪声刺激，恢复不到暴露前的听阈，便可发生器质性病变，成为永久性听阈偏移，这就是噪声性耳聋。,噪声性耳聋,国际标准化组织(ISO)于1964年规定，在500Hz、1000Hz、2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。按照听力损失的大小，对耳聋性程度进行分级，见表2-1。,听力损失,噪声性耳聋有两个特点： 一是除了高强噪声外，一般噪声性耳聋都需要一个持续的累积过程，发病率与持续作业时间有关； 二是噪声性耳聋是不能治愈的，因此，有人把噪声污染比喻成慢性毒药。,噪声性耳聋,长期在高噪声环境下工作的人们与在一般环境下工作的人们相比，高血压、动脉硬化和冠心病的患病率要高2-3倍。 噪声还会引起消化系统方面的疾病，噪声能使人的消化机能减退、胃功能紊乱、消化系统分泌异常、胃酸度降低，以致造成消化不良、食欲不振、患胃炎及胃溃疡等疾病，致使身体虚弱。 强声武器（新一代的防爆维稳武器） 湖南科技大学，声管中试验，老鼠吐血身亡。,噪声对人体健康的影响,睡眠是人们生存必不可少的。人们在安静的环境下睡眠，它能使人的大脑得到休息，从而消除疲劳和恢复体力。噪声会影响人的睡眠质量，强烈的噪声甚至使人无法入睡，心烦意乱。 睡眠质量好坏，取决于熟睡阶段的时间长短，时间越长，睡眠越好。 一些研究结果表明，噪声促使人们由熟睡向瞌睡阶段转化，缩短熟睡时间；有时刚要进入熟睡便被噪声惊醒，使人不能进入熟睡阶段，从而造成人们多梦，睡眠质量不好，不能很好地休息。,噪声对人体健康的影响,理想的睡眠环境，噪声级在35dB(A)以下， 当噪声级超过50dB(A)，约有15%的人正常睡眠受到影响。 通常人们谈话声音是60dB(A)左右， 当噪声在65dB(A)以上时，就干扰人们的正常谈话， 如果噪声高达90dB(A)，就是大喊大叫也很难听清楚， 就需贴近耳朵或借助手势来表达语意。,噪声对人体健康的影响,声压级相同而频率不同的声音，听起来很可能是不一样的。 如大型离心压缩机的噪声和活塞压缩机的噪声，声压级均为90dB，可是前者是高频，后者是低频，听起来，前者比后者响得多。 再如声压级高于120dB频率为30kHz的超声波，尽管声压级很高，但人耳却听不见。 为了反映噪声的这些复杂因素对人的主观影响程度，就需要有一个对噪声的评价指标。,噪声的评价,响度级单位是方(phon)， 就是选取以1000Hz的纯音为基准声音，取其噪声频率的纯音和1000Hz纯音相比较，调整噪声的声压级，使噪声和基准纯音(1000Hz)听起来一样响， 该噪声的响度级就等于这个纯音的声压级(dB)。 如果噪声听起来与声压级为85dB、频率1000Hz的基准音一样响，该噪声响度级就是85phon。,响度级和等响曲线,利用与基准声音比较的方法，可测量出整个人耳可听范围的纯音的响度级，绘出响度级与声压级频率的关系曲线。,响度级,人耳对高频噪声敏感，对低频噪声不敏感，如同样是响度级80phon，对30Hz的声音来说，声压级是101dB，对于100Hz的声音，声压级是85dB，而对于4kHz的声音，声压级为71dB。,等响曲线,利用模拟人的听觉的某些特性，对不同频率的声压级予以增减，以便直接读出主观反映人耳对噪声的感觉数值来，这种通过频率计权的网络读出的声级，称为计权声级。,计权声级,计权网络有A、B、C、D四类，最常用的是A计权和C计权。 A计权网络是模拟响度级为40phon的等响曲线的倒置曲线，它对低频声（500Hz以下）有较大的衰减。 B网络是模拟人耳对70phon纯音的响应，它近似于响度级为70phon的等响曲线的倒置曲线，它对低频段的声音有一定的衰减。 C网络是模拟人耳对响度级为100phon的等响曲线倒置相接近，它对可听声所有频率基本不衰减。 D计权网络是对高频声音做了补偿，它主要用了航空噪声的评价。,计权声级,噪声污染是一种物理污染，它的特点是局部性的和无后效应的、声源停止辐射，噪声污染就消失了。 在任何噪声环境中，声源发出噪声并向外界辐射的过程可以用下图简单描述。,噪声控制的一般步骤,噪声源、传播途径和接收者三个环节是噪声控制中必须考虑的，相应的措施包括： 声源控制、 传播途径控制 保护接收者,噪声控制的一般步骤,目前在声源的控制上主要采用两种办法： 1、改进设备结构， 提高加工和装配质量， 以降低声源的辐射声功率； 2、利用声的吸收、反射、干涉等特性， 采用吸声、隔声等技术措施控制声源的声辐射。 采用不同的控制方法，可以收到不同的降噪效果，通常可以降低噪声5-20dB（A）。,噪声控制的一般步骤,微穿孔板 马大猷,传播途径中的控制是最常用的方法， 这方面的方法有很多， 如隔声、隔振处理以及隔声屏障、隔声间的使用等都是有效惜施； 吸声处理也是一种有效措施。 对传播途径的处理实质上就是增加声在传播过程中的衰减，减少传输能量。,噪声控制的一般步骤,对接收者的保护也是一个重要手段，是环境保护的目标。 工人可以佩带护耳器（如耳罩或耳塞）或在隔声间操作等加以保护； 仪器设备可以采取隔声、隔振设计等手段加以保护。,噪声控制的一般步骤,相应的措施包括： 对振源的控