（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的摩擦噪声测试系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 l 作为当代三大主要污染源之一，噪声污染已成为一个世界性的问题并 且引起了世人的关注。随着工业技术的发展，由物体摩擦产生的噪声污染 也越来越严重。对摩擦噪声进行测量、研究和控制，从环境保护事业出发， 是十分需要的：同时通过对摩擦噪声的分析，还可以深入了解摩擦机理， 有助于改善摩擦条件和进行工况监测。 目前对噪声的测量主要采用模拟测量系统，系统均由模拟仪器组成， 如声级计、倍频程或l 3 倍频程滤波器和电平记录仪等，系统存在测试精 度不高、分析内容欠丰富、连线复杂、体积大、通用性差等缺点。随着计 算机技术与测试技术的深层次结合，虚拟仪器的出现弥 i 了传统测试仪器 的不足，虚拟仪器将是仪器行业未来发展的主要方向：y 本文的目的就是利用虚拟仪器技术，采用l a b w i n d 0 7 w c v i 虚拟仪器编 程语言和相应的硬件，设计了一套完整的摩擦噪声虚拟测试系统。数据采 集系统采用先进的p c i 总线接口，有关相应的模拟分析仪器全部用软件实 现，使摩擦噪声测量系统提高了一个档次，有效地提高了摩擦噪声的测量 精度，丰富了分析内容。论文还对摩擦噪声的测量方法j ，：进行了探讨， 并对若干注意事项提出了建议。 虚拟测试系统设计完成后，用该系统对摩擦噪声进行了大量的测试和 分析。实测结果表明该虚拟测试系统的设计是成功的、合理的，达到了预 期的效果。 丰本论文受国家自然科学基金子项目资助( 编号：5 0 0 7 5 0 7 2 ) 。 关键词：摩擦噪声；信号处理；测试系统；虚拟仪器 一一堕童窒望查兰塑主堑窒竺兰焦鲨壅 篁! ! 要 a b s t r a c t a st h eo n eo ft h et h r e ep r i m a r ys o u r c eo f p o l l u t i o n n o i s ep o l l u t i o nh a s b e c o m ew o r l d w i d e p r o b l e m a n da r o u s e d e a r t h l i n g a t t e n t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , n o i s ep o l l u t i o nc a u s e db yb o d yf r i c t i o n h a sb e e ni n c r e a s i n g l ys e r i o u s f o rt h es a k eo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i ti s v e r yn e c e s s a r y t om e a s u r e ，r e s e a r c ha n dc o n t r o 】t h er u bn o i s e a tt h es a m e t i m e w i t ht h ea n a l y s i so fr u bn o i s e ，w ec a na p p r e c i a t et h em e c h a n i s mo ff r i c t i o n i n d e p t h i t i sa l s ob e n e f i c i a lt ot h ei m p r o v e m e n to nr u bc o n d i t i o na n dt h e m o n i t o r i n go nw o r k a tp r e s e n tt h em e a s u r eo fn o i s ei sb a s e do na n a l o gm e a s u r i n gs y s t e m c o m p r i s e d o f a n a l o g i n s t r u m e n ts u c ha ss o u n dl e v e lm e t e r , o c t a v eo r1 1 3o c t a v e f i l t e r 1 e v e lg r a p h i ci n s t r u m e n ta n ds oo n t h es y s t e mh a st h es h o r t c o m i n ga s f o l l o w s ：l o w a c c u r a c yt e s t ，u n d e r a b u n d a n t a n a l y t i c a lc o n t e n t s ，c o m p l e x c o n n e c t i v e l i n e s ，l a r g ev o l u m e ，p o o rg e n e r a l i t y a n ds of o n h w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nc o m b i n a t i o nw i t ht e s tt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n th a sm a d eu pt h es h g r t a g eo fc o n v e n t i o n a lt e s ti n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n th a st a k e nt h el e a do f t h e p r o f e s s i o no f i n s t r u m e n t w i t ht h eu s eo f v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r e a ne n t i r ed i g i t a lm e a s u r i n gs y s t e mo nr u bn o i s ei sd e s i g n e di nt h ep a p e r , t h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei s l a b w i n d o w s c v i d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma d o p t s s e n i o rp c il o c a lb u si n t e r f a c e ，r e l e v a n ta n a l o ga n a l y t i c a li n s t r u m e n t sa r e c o m p l e t e l yd e s i g n e db y s o l t w a r e t h em e a s u r e sa b o v e m e n t i o n e dh a v eg r e a t l y i m p r o v e dt h em e a s u r i n gs y s t e m - o nf r i c t i o nn o i s e ，i n c r e a s e d t h e m e a s u r i n g p r e c i s i o na n df e r t i l i z e dt h ea n a l y t i c a lc o n t e n t s i nt h ep a p e r , a n a l y t i c a lm e t h o d s a n dn o r m so nf r i c t i o nn o i s ei sd i s c u s s e da n ds o m ea d v i c ea b o u ta n n o u n c e m e n t i sg i v e n a r e rt h ed e s i g no fv i r t u a lm e a s u r i n gs y s t e m ，al o to ft e s t h a sb e e n c o n d u c t e do nf r i c t i o nn o i s e a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i s o f p r a c t i c a l m e a s u r e m e n t ，t h i sv i r t u a lm e a s u r i n gs y s t e mi sp r o v e d t ob eas u c c e s sa n dt h e p e r f o r m a n c em e e t s t h ee x p e c t a t i o n s + t h et h e s i sh a so b t a i n e dg r a n tf r o mn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n s u b e n t r yf n o 5 0 0 7 5 0 7 2 ) k e y w o r d s ：r u bn o is e ：s i g n a i p r o c e s s i n g ；t e s t i n gs y s t e m ；v i r t u a l ln s t r u m e n t 一，_ _ ，_ - _ _ - _ - - - - _ _ - _ _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 虚拟仪器简介 第1 章绪论 随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展及其在 电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、方法、领域及新的仪器 结构的不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用也发生了质的变化。在这种背景下，2 0 世纪8 0 年代末，美国成 功研制了虚拟仪器。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产 物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。 1 1 1 仪器的发展历程 众所周知，测量是人类认识自然、改造自然的一种手段，通过测量人们 可以对客观世界取得定量的信息，仪器是测量中必不可少的工具。测量仪器 发展至今，大体可以分为四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、卡式仪器和虚 拟仪器。 ( 1 ) 第一阶段是2 0 世纪4 0 年代发展起来的传统仪器，这种仪器是模 拟仪器，它主要针对某种测试目的而专门设计制造的专用仪器。 ( 2 ) 第二阶段是2 0 世纪5 0 年代随着数字化技术的出现而兴起的数字 化仪表仪器。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。它将 模拟信号的测量转化成数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，提高了 测试精度和测试速度。 ( 3 ) 第三阶段是2 0 世纪6 0 7 0 年代融入计算机技术的智能仪器和卡 式仪器。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又有一定的数据处理 功能。其缺点是它的功能块全部是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无 论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 ( 4 ) 第四阶段是2 0 世纪8 0 年代开始的虚拟仪器，它是卡式仪器的进 一步发展，是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统 仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使得 人类得测试技术进入了一个新的发展纪元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 传统测试系统的不足 传统测试系统主要是由多个分立的模拟仪器构成的( 在混合测试系统中， 也有部分由单片机构成的数字仪器) ，系统的协同性较差，各仪器之间存在匹 配问题、信号传递问题、共地问题等，所以传统的测试系统存在以下不足： ( 1 ) 测试精度受到限制。传统测试系统是由多个仪器组成，测试精度 受到单个仪器限制，只要有一台仪器是低精度的，则导致整个测试系统都是 低精度的。 ( 2 ) 抗干扰能力差。由于传统测试系统由多个仪器组成，各仪器之间 的连接线繁杂，存在分布电容、寄生电容、感应电势等多种干扰。 ( 3 ) 测试系统组建、调试不方便。使用的分析仪器较多，组建时需要 将这些仪器全部连接起来，调试的工作量较大。 ( 4 ) 系统的可靠性较差。 ( 5 ) 难以实现测量的自动化、不能进行实时测量。 ( 6 ) 性价比低，通用性差。 1 1 3 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚 拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质 是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表 达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析和处理， 利用v o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的 一种计算机仪器系统。“虚拟”主要包含以下两方面的含义。 1 虚拟的面板 虚拟仪器上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能是一样的。传统仪器面板上的器件是实物，而且是手动或触摸进行操作 的；而虚拟仪器面板控件是与实物相像的图标，各自对应着相应的程序，由 计算机的鼠标对其进行操作。 2 软件编程实现仪器的测量功能 在以微机为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编 程设计来实现仪器的测量功能，而且还可以通过不同的测试功能的软彳牛模块 的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 说法，这也体现了测试技术与计算机技术的深层次的结合。 1 1 。4 虚拟仪器的构成与分类 1 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用的仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。如图1 1 所 虚拟仪器 图l 一1 虚拟仪器的组成 2 虚拟仪器的分类 根据采用不同的总线及其相应的i o 接口硬件设备，目前虚拟仪器主要 分为g p i b 总线仪器、p c 仪器、v x i 总线仪器系统和当前正在发展的p x i 总线仪器系统。 ( 1 ) g p i b 仪器 它是以g p i b 标准总线和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器。数据 传输速度一般低于5 0 0 k b y t e s 。 ( 2 ) p g 仪器 p c 仪器是基于p c 的仪器，又称p c 。d a q 仪器。它是以数据采集板、信 号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器。这种系统采用 p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将数据采集卡插入计算机的空槽中即可。 ( 3 ) v x i 总线仪器 v x i 是一种高速计算机总线v m e ( v m e b u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 在仪器领域的扩展。由于它的标准开放、结构紧凑，具有数据吞吐能力强， 迅速在仪器测量和工业控制等领域应用，表现出很强的发展潜力。目前已经 在航空航天测控、军事科研、标准计量、通信等领域中成功建立了v x i 系统。 序程动驱 备 器 设 卑 仪 几 口 昌 口篇篇 。u ：l 台 构 平 结 件 件 硬 软 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 4 ) p x i 总线仪器 p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n t m s m e n t a t i o n ) 是n i 公司1 9 9 7 年9 月1 日提 出的一种基于p c 总线的高性能仪器总线。p x 与p c 机的区别在于p x i 将 计算机和插卡式仪器模块安装在带有多个扩展槽的工业机箱中，并在系统中 设计了稳定可靠的电源、空气冷却装置，抗电磁干扰和恶劣环境的结构，以 及多模块的定时与同步等。p x i 总线仪器是虚拟仪器未来发展的主流方向。 1 1 5 虚拟仪器的性能特点 虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器 那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户的要求不符的 情况。利用虚拟仪器，用户可以更好地组建自己的测试系统。由于p c 机强 大的数据处理能力，借助于一台通用的数字化仪( 数据采集板) ，用户可以通 过软件构造几乎任意功能的仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业 的一次革命。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互 换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组建仪器，大大提高了使 用效率，减少了投资，克服了传统仪器的缺点。虚拟仪器利用处理器总线在 数据采集、存储及处理之闻以二进制数形式高速传输数据。并采用硬件中断 方式响应用户对仪器的操作。因此，虚拟仪器能对数据进行“实时”的处理 与显示。概括地说，虚拟仪器具有以下的性能特点： ( 1 ) 研制周期较传统仪器大为缩短，产品竞争力提高。 ( 2 ) 虚拟仪器的面板简洁，使用操作简单方便。 ( 3 ) 虚拟仪器具有强大的数据处理功能。 ( 4 ) 虚拟仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的；仪器性能的改 进和功能扩展只需进行相关软件的设计和更新，不需要购买新的仪器。 ( 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边 设备互联。 ( 6 ) 利用虚拟仪器便于组成自动测试系统；测量速度快，测量精确度 高和可重复性好。 1 2 选题的意义 本论文所研制的虚拟仪器属于p c 仪器，以噪声( 主要是摩擦噪声) 作 为测试对象，受国家自然科学基金项目( 编号5 0 0 7 5 0 7 2 ) 资助。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 噪声污染作为当代三大主要污染源之，已成为一个世界性的问题。随 着工业的发展，噪声污染越来越严重，它不仅影响人们的身体健康，而且噪 声也是产品质量的综合体现，反映了产品的设计制造水平，并直接影响其经 济价值。因此研究和控制噪声既是环境保护的迫切需要，也是提高工业产品 质量，增强产品竞争力所必须解决的问题。 噪声的产生多种多样，其中既有结构振动噪声，也有气动或液动噪声， 此外，爆破、摩擦、裂变及冲击等也可以产生高强度的噪声。而且不同噪声 源，噪声信号的频率特性及声能量的大小等都相差很大。摩擦发出声音是自 然界的一种非常普遍的现象，例如汽车、火车的制动、磨床磨削、运动机械 轴承的摩擦、火车轮轨摩擦等，都会产生摩擦噪声，这种噪声一般属于结构 噪声。由于摩擦噪声普遍存在，有很多危害，对环境造成污染，影响人们的 健康。因此，研究和控制摩擦噪声，无论从是深入了解摩擦机理，还是从控 制噪声污染出发，都有着重要的意义。 目前噪声测试、分析仪器还主要是由模拟仪器组成的，如声级计、倍频 程或l 3 倍频程模拟滤波器和电平记录仪等，系统存在测试精度不高、分析 内容受到限制，测试系统体积繁大、连线复杂、显示和记录不方便，通用性 差等缺点，相对其它测试系统( 如通信、电气) 落后。随着计算机技术的飞 速发展，先进的测试系统已将测试技术与计算机深层次的结合起来，正引起 测试仪器领域里的一场革命，虚拟仪器的出现使仪器产业发展进入一个新的 阶段。用虚拟仪器测试摩擦噪声。能够很好的克服传统测试仪器的不足，将 摩擦噪声测试系统提高一个层次。这就是本论文研究的目的。 1 3 论文的任务 本论文从p c 虚拟仪器出发，对摩擦噪声测量及分析系统作了深入的研 究，研制了一套性能较高的摩擦噪声测试p c 虚拟仪器，并进行了实际测量 和分析。研究的主要任务如下： ( 1 ) 虚拟摩擦噪声测试及分析系统的组建； ( 2 ) 虚拟摩擦噪声测试系统硬件的选择，包括传感器、信号调理器、 中速数据采集卡、高速数据采集卡等； ( 3 ) 虚拟摩擦噪声测试系统软件的研制。本文的虚拟仪器编程语言采 用l a b w i n d o w s c v i 语言，研制了一整套性能较高的摩擦噪声测试的p c 虚 拟仪器软件，该软件同样能用于其它噪声测量与分析； ( 4 ) 对摩擦噪声测试霸渗的探讨。目前对摩擦噪声测试尚没有统一规 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 苑_ ，本论文根据摩擦噪的特点，对测试j ；垓进行了探讨； ( 5 ) 噪声测试实例及分析。论文利用所研制的p c 虚拟测试系统，在试 验台上对一些典型金属的滑动摩擦噪声进行了测量与分析，收到了很好的效 果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章摩擦噪声的基本概念 2 1 摩擦噪声及其污染 2 1 1 摩擦噪声及其特点 人们在生活中离不开声音，声音作为信息，传递人们的思维和感情，并 进行工作和社会活动，声音在生活中起到非常重要的作用。但有些声音却干 扰人们的工作、学习、休息，影响人们的身心健康。那么什么样的声音是噪 声，什么样的声音才是乐音，如何区分它们呢? 从声学的观点来看，各种不同频率、不同强度的声音无规律的杂乱组合， 称为噪声，或者说噪声是一随机过程。如汽车的轰隆声，工厂里机器的尖叫 声，它们的波形图是无规律的非周期的曲线。乐音是包含许多频率的声音， 而这些频率都是具有一定的周期性和节奏性，它们的波形图是有规律的周期 性曲线。从生理学的观点来看，凡是使人烦恼的、讨厌的、不需要的声音都 叫噪声。因此，广义地讲，凡是人们不需要的声音都是噪声。 从本质上讲，摩擦噪声是一种结构噪声，一般认为在固态物体上摩擦或 者滚扎时，由于表面粗糙产生随机性激励的作用而发声，它包括了两摩擦件 的固有振动噪声。因此摩擦噪声具有随机性，属于典型的随机噪声，其波形 和频谱都具有随机信号的特点。图2 一l 是表面光滑的两金属块摩擦产生的噪 声信号，图2 - - 2 是表面较粗糙的两金属块摩擦产生的噪声信号，其波形具有 明显的随机性。 图2 - - 1 表面光滑的金属摩擦噪声 图2 - 2 表面粗糙的金属摩擦噪声 从测试角度考虑，我们一般将摩擦噪声分为三类：稳定状态噪声、周期 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 状态噪声和脉冲状态噪声。如滑动摩擦、滑轨、磨削等产生的摩擦噪声，在 工况稳定时，大都属于稳定性噪声；但在某些特殊情况下，如制动、瞬时磨 削、瞬间摩擦、不稳定工况、滑动轴承故障状态等，这时产生的摩擦噪声将 以脉冲形式出现。 2 1 2 污染与危害 噪声污染是一种物理污染，它具有以下特点： ( 1 ) 污染面积大，到处都有，高低不等； ( 2 ) 噪声没有污染物，不会积累，它的能量最终完全转变为热能； ( 3 ) 噪声声源停止，噪声污染也就没有了。 1 嗓声对人们生活的干扰 噪声是一种声学污染源，它不仅影响人们的身心健康，影响人们正常的 工作与生活，而且也是降低工作人员的劳动效率，导致各种事故的重要根源。 噪声源的特性不同，其对人体的影响程度是不一样的。比如噪声对人们睡眠 的干扰，在相同声级的情况下，冲击性噪声要比连续性噪声的影响大的多。 2 噪声对听觉系统的影响 噪声对人体的危害最直接是听力损害。对听觉的影响，是以人耳暴露在 噪声环境前后的听觉灵敏度来衡量的，这种变化称为听力损失。长期暴露在 高噪声环境下的人们，由于持续不断的受到噪声的刺激，耳感受器易发生器 质性病变，导致人耳听力的下降。不同强度噪声对听力的影响是有差别的。 噪声强度越高，危害也越大；很弱的噪声一般不会对听力产生不利的影响。 国际上大都以8 5 d b ( a ) 作为制定工业噪声标准的依据。 3 噪声的生理效应 噪声所引起的人体生理变化称为噪声的生理效应，噪声对人体的影响是 多方面的，除引起耳聋以外，对大脑神经系统、心血管系统及消化系统等均 有影响。 4 噪声对工业产品质量的影晌 噪声不仅对人体身心健康具有重要影响，而且也是产品质量的综合体 现，反映了产品的设计制造水平，并直接影响其经济价值。产品的噪声越大 质量就越低劣，在市场上的占有率就越低，因而其噪声状况往往成为影响产 品生产和销售的关键因素。一般来讲，设计优良，加工精度高的产品，噪声 就低，反之则高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 噪声的物理量度及评价指标 2 2 1 噪声的物理量度 1 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，用p 表示，其单位为p a 。 对声波，人们经常研究的r 时间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 户= 厨而 ( 2 一1 ) 式中 p ( f ) 瞬时声压； t 时间； 丁声波完成一个周期所用的时间。 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，通过垂直声波传播方向的单位面积上的声能， 叫做声强。用，表示，单位为w m 2 。在自由声场中，声压与声强有密切的关 系： ，；兰( 2 2 ) 口c 式中，声强( w m 2 ) ： p 有效声压( p a ) ； p 空气密度( k m ) ； c 空气中的声速( r 1 1 ，s ) ； 邸声阻抗率( k g m 2s ) 。 自由声场中，声波作球面辐射时，声功率与声强有下列关系： ，：二( 2 - 3 ) 4 ，r r 2 式中，离声源r 处声强( w m 2 ) ； 声源辐射的声功率( w ) ： r 离声源的距离( m ) 。 2 声压级、声强级和声功率级 从听阈声压2 1 0 5 到痛阈声压2 1 0 1 p a ，声压的绝对值数量级相差1 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 万倍。同样，从声强的角度看，从听阈声强1 0 _ 1 2 w m 2 到痛阈声强1 w m 2 ， 两者相差一万亿倍。可见，声音强弱变化和人耳听觉范围是非常宽广的。因 此，用声压或声强的绝对值表示声音的强弱很不方便，再者人对声音响度感 觉是与声音强度的对数成正比的。所以声学中普遍采用了声压或能量的对数 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。 一 声压级定义为 印= l o l g 告或l p = 2 0 l g 鲁 ( 2 4 ) o0 0 式中肋声压级( d b ) ； p 声压( p a ) ： n 基准声压，p d = 2 1 0 p a 。 同理，声强级定义为，= l o l g ( 2 - - 5 ) j 0 式中工，声强级( d b ) ； ，声强( w m 2 ) ； 而基准声强，而= 1 0 1 2w m 2 。 声功率级由式( 2 6 ) 确定： w = i o l g 鲁 ( 2 - - 6 ) ，r 0 式中l w 声功率级( d b ) ； 形声功率( w ) ； 阡0 基准声功率，取值1 0 4 2 w 。 3 噪声频谱 实际生活中，声源往往是由许多不同频率，不同强度的声音组合而成， 为了对其进行分析，通常采用频谱分析法研究其声音的强度与频率特性。通 常以频率为横坐标，以反应相应频率成分的强弱的量( 声压级、声强级或声 功率级) 为纵坐标，来描述频率与噪声强度的关系图，叫做频谱图。对噪声 源进行频谱分析，可以帮助我们找出产生噪声的机理，为有效合理的控制噪 声提出科学的依据。 2 2 ，2 噪声的评价指标 在噪声的物理量度中，声压和声压级是评价噪声强度的常用量，声压级 越高，噪声越强。但人耳对噪声的感觉，不仅与噪声的声压级有关，而且还 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 与噪声的频率、持续时间等因素有关。为了反映噪声的这些复杂因素对人的 主观影响程度，需要有一个对噪声的评价指标。本文介绍以下几种常用评价 方法。 1 响度级与响度 响度级是表示声音响度的量，它把声压级和频率用一个物理量统一起 来，既考虑声音的物理效应，又考虑声音对人耳听觉的生理效应，它是人们 对噪声的主观评价的基本量之一。一个声音的响度级定义为与10 0 0 h z 纯音 等响的声压级，响度级用h 表示，其单位为p h o n 。例如6 7 d b ，1 0 0 h z 的纯 音，听起来与6 0 d b ，10 0 0 h z 的纯音等响，则6 7 d b ，1 0 0 h z 的纯音的响度级 为6 0 p h o n 。 响度级是个相对量，有时需要把它化为自然数，即用绝对量来表示。这 就引入响度的概念。响度单位为s o n e ，定义4 0 p h o n 为l s o n e ，5 0 p h o n e 为2 s o n e ， 6 0 p h o n 为4 s o n e ，7 0 p h o n 为8 s o n e 即响度级每改变1 0 p h o n ，响度增加一 倍。用公式表示则为 n = 2 ( l , - 4 0 ) “o 或l = 4 0 + 1 0 1 9 2n( 2 7 ) 式中响度( s o n e ) 厶响度级( p h o n ) 。 上面介绍的响度都是针对纯音而言的，在实际中我们听到的声音和工程 中的噪声大都是不同的频率和不同强度的声音复合而成的连续谱。这时总响 度的计算，是先测出噪声的频带声压级，然后利用式( 2 - - 7 ) 计算出各频带的 响度指数，再按下式计算总响度： n ，= 。眦+ f ( 一n 。醛)( 2 8 ) l = l 式中 总响度( s o n e ) ； m 各频带的响度指数( s o n e ) ； a _ 。各频带响度指数中的最大者； ，修正系数，对于倍频程f = 0 3 ，1 3 倍频程f = 0 1 5 。 2 计权声级 为了能反映出人耳响应受频率的影响，即使声音的客观物理量和人耳听 觉主观感受取得一致，在测量声音的仪器中模拟人耳对不同声音( 强度和频 率) 的反应，而设计出滤波线路，即分别模拟等响曲线4 0 方，7 0 方，1 0 0 方三条曲线设置a 、b 、c 三个计权网络，它使所接受的声音按不同的频段 有一定的衰减。 a 网络与4 0 方等响度曲线倒置的形状接近，它对高频敏感，对低频不敏 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 感，对5 0 0h z 以下的噪声作了较大的衰减，正与人耳对噪声的主观感觉近似 致。因此，在噪声测量中通常用a 网络测得的声压级代表噪声的响度大小， 叫a 声级，记作分贝( a ) 或d b ( a ) 。 在噪声测量中，有时需要把倍频程或( 1 3 倍频程) 声压级转换成a 声 级。由式( 2 9 ) 来计算： 垃 “= 1 0 1 h n 1 0 1 0 ) d b ( a )( 2 9 ) 式中匕a 声级，d b ( a ) ； 厶各倍频带声压级( d b ) ； l a i 各倍频带a 计权修正值( d b ) 。 b 网络是模拟7 0 方等晌曲线倒置形状，对低频段2 0 0 h z 以下的声压级 有较大的衰减。b 网络测得的声压级代表噪声的响度大小，叫b 声级，记作 分贝( b ) 或d b ( b ) 。 c 网络是模拟1 0 0 方的等响曲线倒置的形状，在整个可听频率范围内有 近乎平直的特性，即对可听声所有的频段基本不衰减，一般代表总声压级。 2 3 摩擦噪声的评价方法 摩擦噪声是一种结构噪声，它是由于两物体的摩擦而产生，属于工业噪 声中一种。因此用于评价工业噪声的指标同样也适用于摩擦噪声。但是摩擦 噪声具有随机性，是一种随机噪声；所以除上述评价方法外，还可以根据摩 擦噪声的特点，选用其它的评价指标。 本文采用了计权声级和频谱分析两种评价方法，其中对于非平稳的摩擦 噪声还还可以采用时频分析的方法。本文将在第三章中详细介绍这部分内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章摩擦噪声信号的处理方法 在噪声模拟测量系统中，一般用声级计和滤波器( 倍频程或j 3 倍频程) 测量噪声，可测得各频程的声压级，并绘出频谱曲线；也可根据测试的要求， 测得a 、b 、c 、d 计权声级。但随着电子技术的发展及计算机的应用，数字 测量系统或混合测量系统开始广泛应用，用信号处理来鉴别噪声源成为一种 有效的手段。它对测得的噪声数据进行科学地分析及处理，从中提取尽可能 多反映噪声源的特性和传播规律的有用信息，用来识别噪声源和寻找产生的 原因，为开发新产品及噪声控制提供依据。摩擦噪声信号一般都具有随机性， 随机过程各个样本记录都不一样，因此不能用明确的数学关系式来表达。但 这些样本具有统计特性。可用概率统计特性来描述。摩擦噪声信号的分析处 理就是运用概率统计的方法分析和运算，虽然这些过程的工作量很大，但利 用快速傅立叶变换，能够很快的对随机信号数据地进行处理，从而使相关函 数，功率谱密度函数、相干函数等能在摩擦噪声的测试和控制技术中得到广 泛的应用。 3 1 摩擦噪声信号的预处理 在测试中由数据采集所得到的原始信号，在分析前要进行预处理，以提 高数据的可靠性和真实性。预处理工作主要包括三个方面：一是除去信号中 的外界干扰信号和剔除异常数据( 如趋势项和异点) ；二是对原始数据进行适 当的平滑或拟合；三是对原始信号的特性进行检验。当然这些处理工作也不 是全部需要的，我们可以根据具体情况选择其中的一项或凡项内容。在摩擦 噪声信号的处理中，由于消除趋势顼、剔除异点和平滑数据会损失噪声信号 的有用成分，尤其是剔除异点和数据平滑都要损失信号的高频部分，所以本 文没有对原始数据进行这几项处理。 但是测试数据的分析处理方法是由数据的基本特性决定的，不同特性的 数据要采用不同的分析方法，所以数据的基本特性是选用分析处理方法的依 据。数据的基本特性有平稳性、周期性和正态性，这三种特性检验是针对随 机数据而言的。但实测的数据大多是既含有确定性数据又含有随机数据，通 过检验不仅可以判别数字信号的类型，而且可以初步确定其主要成分，因此 这种检验是不可少的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 1 1 平稳性检验 随机信号的平稳性检验是重要的一种检验。其目的是检查被测随机信号 是否属于平稳随机过程，因为平稳随机过程与非平稳随机过程的分析方法是 不同的。检验方法是通过检验被测随机信号的基本物理因素是否随时间的变 化，如果不变，则满足平稳性假设。最常用的方法是轮次检验，这是一种非 参数检验。具体步骤如下： 设有一随机序列轴长度为m 现将其分为个子区间，求出各子区间 的均方值，然后再求这个均方值的中值，即大小处于中间位置的值。如果 原随机序列是平稳的，则个均方值的变化将是随机的，而且没有趋势项。 所谓轮次检验就是将这个均方值逐个与中值比较，其中大于中值的记为 “+ ”，小于中值的记为“一”，这种从“+ ”到“一”和从“一”到“+ ” 的变化次数称为轮次数，用r 表示。一个序列的轮次数反映了序列的独立性， 平稳随机过程的轮次数将满足一定的统计规律，具有如下均值1 1 和方差o ：华+ 1 ( 3 1 ) 、7 ( 3 2 ) 式中区间总数； m 均值大于中值的子区间数； 尬均值小于中值的子区间数。 如果随机序列是平稳的，在给定的显著度a 或置信度系数( 1 一a ) ，轮 次数将满足如下关系 3 1 2 周期性检验 0 1 - 必5 ( 3 3 ) 周期性检验的目的是为了判别随机信号中是否含有周期成分或准周期 成分，以便正确地进行分柝。从理论上讲，由于周期信号的功率谱是一条直 线，因此，若随机信号中含有周期成分和准周期成分，则会在功率谱中出现 一个6 函数，是很容易区别的。但在实际测得的功率谱中，周期和准周期成 分的功率谱是一个具有一定宽度的峰值，若与窄带随机信号的功率谱混在 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 起，就难于分辨，须通过周期性检验来加以区别。检验方法较多，常用的有 三种：功率谱检验、概率密度函数检验和自相关函数检验。 1 功率谱检验 如果功率谱中出现峰值，就有可能含有周期性成分。此时，可将带通滤 波器的带宽变窄再滤波，如果峰值随滤波器带宽4 厂减小而增大( 或基本不 变) ，则峰值是周期性分量。这种方法检验较强的周期信号是十分有效的，如 果信号较弱将会被掩盖。 2 概率密度函数检验 随机信号的概率密度函数与周期信号的概率密度函数在形状上有明显 的区别。前者为正态分布曲线，后者为盆状曲线，如果随机信号中含有周期 成分，则概率密度曲线顶部将呈现盆状。同样，这方法只能用来检验明显 的周期成分，对于较弱的周期成分因概率密度函数顶部的盆状不明显而难于 辨认。 3 自相关函数检验 这是检验周期成分的最有效方法。它能从随机信号中检出弱的周期成 分。这是因为周期性信号的自相关函数是一不衰减的周期性函数；而随机信 号的自相关函数则是衰减的，其衰减速度随着随机信号的带宽的增加而加快。 因此，根据自相关函数不仅可以检验随机过程中是否含有周期成分，而且还 可以根据自相关函数衰减的快慢判别被检随机信号是窄带随机过程还是宽带 随机过程。本文就采用了这种方法。 3 1 3 正态性检验 正态性检验的目的是判别平稳随机信号是否满足高斯正态分布。正态性 检验的方法有多种，最简单的方法是测定它的概率密度函数，与理论高斯分 布相比较。比较精确的方法是采用卡埃平方拟合优度检验法，这是一种非参 数检验法。正态性检验的具体方法如下： 设样本长度为| 的随机信号而概率密度函数为p ，现将样本函数的幅 值分成k 个区间，称为分组区间。然后观察这个样本函数值落在这k 个 区间的情况，把落在第f 个分组区间的样本函数值个数称为第f 个分组区间 的观察频数，记为，；相应的理论值称为期望频数，记为e 。每个分组区间 的观察频数与期望频数之间的偏差为一只，全部分组区间的总偏差为 2 = 圭垃竽 (3_4)j= li 一一堕妻室垄查兰堡主堕壅兰差堡笙塞 篁! ! 堕 式中穿的分布近似z ：的分布，因此可以通过查卡埃平方分布表来判定被检 序列而是否服从正态分布的假设。在确定序列的自由度数打，给定显著度a 或置信度系数( 】一a ) 后，按下式进行检验 x2zj。(3-5) 如果满足上述不等式，则服从正态分布的假设。 3 2 摩擦噪声级测量 在噪声中常采用响度与响度级作为噪声的评价指标，但是用响度和响度 级作为噪声的评价指标过于复杂，为了方便，人们普遍使用噪声级对噪声作 主观评价。噪声级也称为计权声级，实际上它是一种修正后的响度级，利用 人耳听觉的某些特性，对不同频率的声压级予以增减( 即通过频率计权的网 络一种特殊的滤波器) ，使评价结果反映出人耳对噪声的主观感觉。 计权网络有a 、b 、c 、d ，最常用的是a 计权和c 计权。d 计权网络是 对高频声音作了补偿，它主要用于航空嗓声的评价。表4 1 列出a 、b 、c 、 d 计权网络频率的计权衰减值，表中各数据均相对于10 0 0 h z 的衰减量。 表4 一la 、b 、c 、d 计权曲线频率响应特性的修正值 响应( d b ) 频率( h z ) a 计权b 计权c 计权d 计权 1 2 56 3 4- 3 3 21 1 22 4 6 1 65 6 7- 2 8 58 52 2 6 2 05 0 52 4 26 22 0 6 2 54 4 72 0 4- 4 41 8 7 3 1 53 9 41 7 13 0一1 6 7 4 03 4 61 4 22 o1 4 7 5 03 0 21 1 61 _ 31 2 8 6 32 6 29 3o 8- 1 0 9 8 02 2 57 4- 0 5- 9 o 1 0 01 9 95 6o 37 2 1 2 51 6 14 2- o 2 5 5 1 6 01 3 4。3 o - o 】一4 0 2 0 0 1 0 92 00 2 6 2 5 08 。6 1 301 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 1 56 60 800 8 4 0 04 8o 5o0 4 5 0 03 20 3oo 3 6 3 01 90 10一o 5 8 0 0- o 8000 6 1 0 0 00000 1 2 5 0o 6o0 2 o 1 6 0 01 o0 0 i4 9 2 0 0 01 2o 1o - 2 7 9 2 5 0 01 30 2o 3 l o 4 3 1 5 01 20 40 5 1 1 6 4 0 0 01 。0 0 70 81 1 1 5 0 0 00 5 1 21 39 6 6 3 0 0- 0 1 - 1 92 o 7 6 8 0 0 0 1 12 9- 3 0 5 5 1 0 0 0 02 5- 4 34 4 3 4 1 2 5 0 0- 4 3 6 16 2 3 0 经上述各计权网络测得的声压级，即为相应的计权声级。a 声级的测量 结果与人耳对噪声的主观感受近似一致，是目前评价生理学噪声的主要指标。 c 计权的低频衰减很小，c 声级基本上是实际的声压级。因此根据a 声级、 b 声级和c 声级可以近似地估计所测噪声源的频谱特性。 在采用虚拟仪器测试时，处理的不是模拟信号而是由a d 转换后的数字 信号，所以在选取数据长度时要考虑两个因素：频谱分辨率和均方误差的 要求。传统的噪声测试仪器中，平均时问丁是由仪器表头中的“快”、“慢” 两档来实现，一般是从o 1 l s 。如果分析的频率范围为3 1 5 - 1 0 k h z ，根据采 样定理采样频率应为2 0 k h z 以上，则数据长度至少为 n ；五：呈业：6 3 5( 3 6 ) 3 1 5 其中，j 为分辨率。而6 3 5 个数据( 采样频率工为2 0 k h z ) 对应的总采样时间 仅为o 0 3 1 7 5 s ，满足不了均方误差的最低平均时间要求；对应于最低平均时 间0 1 s ，其频率分辨率为1 0 h z ，n 为20 0 0 ，所以数据