（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的主减速器噪声检测技术与系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 噪声是衡量汽车特别是轿车品质的一个重要指标，降低汽车总体噪声最为直 接的方法就是降低汽车零部件的噪声。作为汽车传动系中比较重要零部件，主减 速器质量水平对汽车的整体质量有着显著的影响。 对主减速器噪声的检测不但有利于降低汽车的总体噪声，这对企业降低生产 成本也是大有好处的。检测有利于在主减速器装配之前发现其存在的质量问题， 如噪声超标等，这样就可以把问题解决在装配之前。如果汽车总体已装配完毕， 这时才发现主减速器存在质量问题，其时间和成本的浪费是可想而知的。 本文依托实际的工程项目，开展了基于虚拟仪器的汽车主减速器噪声检测技 术与系统的研究工作。 在第一章序论部分，介绍了论文所研究课题的选题背景、课题研究的意义， 以及说明作者在课题的研究过程中所做的工作。 第二章是噪声检测基础部分。本章首先介绍声波和声场的基本知识，然后说 明噪声的物理量度和主观评价。所谓物理量度是指噪声的物理特性，如频率、幅 值等，而主观评价是人们对噪声的主观感觉，它与噪声的物理量度有所关联也有 所不同。本章还介绍了噪声测量传感器与仪器以及有关减速器测量的国家标准。 第三章阐述系统的总体设计过程。从噪声检测系统的整体功能开始，运用功 能结构分析法，逐步地对系统进行功能分解，最后求得系统的实现。 第四章是电气系统的详细设计。为了方便讨论，作者把电气系统分成了四个 子系统：数据采集子系统、主传动子系统、动作控制子系统和加载控制子系统。 本章分别对这四个子系统的设计过程进行了详细叙述。 第五章简要分析了主减速器噪声产生的原因，然后对各种信号处理方法进行 了简要的叙述。 第六章是总结和展望部分，是对本论文所研究内容的一个总结，也对噪声检 测领域进行了力所能及的展望。 关键词：噪声；主减速器；虚拟仪器测试系统；变频拖动；可编程控制器。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o i s ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r so fa u t o m o b i l e s ，e s p e c i a l l y r e f e rt os e d a n s t h ed i r e c tw a yt oi o w e ra u t o m o b i l e s n o i s ei st or e d u c ei t s p a r t s h o w e v e r , a sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e sc h a s s i s 。f i n a ld r i v e s c h a r a c t e rh a sc r u c i a le f f e c to nt h ew h o r ep r o d u c t n o i s ed e t e c t i o no ff i n a id r i v ec o n t r i b u t e sn o to n l yt ot h er e d u c t i o no f a u t o m o b i l e sn o i s e ，b u ta l s ot ot h er e d u c t i o no fp r o d u c t i o nc o s t s t h ed e t e c t i o n i sv e r yu s e f u it od i s c o v e rt h ep r o b l e m so ft h ep a r ta n ds o l v et h e mb e f o r e a s s e m b l y y o uc a ni m a g eh o ww a s t eo ft i m ea n dc o s ti ft h ep r o b l e m so ft h e f i n a id r i v ea p p e a rj u s ta f t e rt h ew h o l ea u t o m o b i l eh a sb e e na s s e m b l e d b a s e do nap r a c t i c a lp r o j e c t ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h eh o l i s t i cd e s i g n p r o c e s so ft h ef i n a ld r i v en o i s ed e t e c t i o ns y s t e m ，a n dt h e ns p e c i f i e st h ed e t a i l s o ft h ee l e c t r o n i ca n dv i r t u a | i n s t r u m e n ts y s t e md e s i g n c h a p t e ro n ei st h ei n t r o d u c t i o no ft h et h e s i s 1 ti n c l u d e st h eb a c k g r o u n d a n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t 。a n dw h a th a did o n ed u r i n gt h ep r o c e s s c h a p t e rt w oi sa b o u tt h ef o u n d a t i o n a lk n o w l e d g eo fn o i s ed e t e c t i o n t h i s c h a p t e ri n t r o d u c e ss o u n dw a v ea n ds o u n df i e l d a tf i r s t ，f o l l o w e db yt h e p h y s i c a l c h a r a c t e r sa n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o nf a c t o r so fn o i s e p h y s i c a l c h a r a c t e r so fn o i s ei n c l u d ei t s f r e q u e n c y , a m p l i t u d e ，e t c t h es u b j e c t i v e e v a l u a t i o nf a c t o r so fn o i s er e f e rt oh u m a n ss u b j e c t i v ef e e l i n go fs p e c i f i e d n o i s e h o w e v e r , t h e r ed oh a v er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r sa n d s u b j e c t i v e e v a l u a t i o nf a c t o r s ，b u tt h ed i f f e r e n c ei se v e nm u c hm o r e t h i s c h a p t e ra l s oi n t r o d u c e sn o i s es e n s o r s 。r e l a t e di n s t r u m e n t s 。a n ds t a n d a r d so f n o i s ed e t e c t i o ni s s u e db yo u rp r c g o v e r n m e n t t h et h i r dc h a p t e ri st h eh o l i s t i cd e s i g no ft h en o i s ed e t e c t i o ns y s t e m w i t h t h em e t h o do ff u n c t i o na n a l y s i s ，t h ec o m p l i c a t e ds y s t e mc a nb ed e c o m p o s e d i n t op a r t i a lf u n c t i o n sw h i c hc a nb ed i r e c t l yr e a l i z e d c h a p t e rf o u ri st h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e m t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t of o u rp a d si no r d e rt o s i m p l i f yd i s c u s s i o n t h e f o u rp a r t sa r e ：d a q s u b s y s t e m ，m a i nt o w a g es u b s y s t e m ，m o t i o nc o n t r o ls u b s y s t e ma n dl o a d s u b - s y s t e m t h i sc h a p t e ri st h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ef o u rs u b s y s t e m s t h ef i f t hc h a p t e ra n a l y z e st h er e a s o n so ff i n a ld r i v en o i s e a n di n t r o d u c e s s o m eu s e f u ls i g n a lp r o c e s sm e t h o d s c h a p t e rs i xi st h ec o n c l u s i o np a r to ft h et h e s i sa n da l s oi n t r o d u c e st h e n 浙江大学硕士学位论文 p r o s p e c to fr e l a t e dr e s e a r c h i n gf i e l d s k e yw o r d s ：n o i s e ；f i n a ld r i v e ；v i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e m ；i n v e r t e r t o w a g e ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师周晓军教授指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：瘫勿铡 签字日期：z 鸠年二月 学位论文版权使用授权书 7 日 本学位论文作者完全了解澎鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 杨刎 撕期：稚2 ，月2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名； 签字日期此年公月可日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章序论 【内容提要l 本章主要是介绍论文所研究课题的选题背景，研究的意叉，以及说明作者本人 在研究中所做的工作 1 1 机械产品的噪声 1 1 1 什么是噪声 一般地，人们把不希望听到、令人厌烦的声音称之为噪声或噪音。 空气中的任何声音都是由物体的振动所产生的，具有单一频率的声音称为纯 音。在现实生活中，物体的振动往往很复杂，是由各种不同频率、不同振幅的各 种简谐振动所组合而成，所以由其所产生的声音也是由各种频率复合而成的，其 中最低的频率称之为基音，比基音高的频率称之为泛音。当泛音的频率是基音频 率的整数倍时，这种泛音称之为谐音。乐音就是由基音和各次谐音组合而成的复 合声音。 如果声音的各个组成频率之间彼此不成简单的整数比，甚至各个频率呈某种 连续的分布，那么这样的声音一般听起来不悦耳，称之为噪声。噪声的频谱一般 是连续的，而乐音的频谱是离散的。 引起声音的振动物体称之为声源。声源所发出的声音可以通过传播媒介如空 气、液体、固体等进行传播。一般人耳能听到的声音频率范围是2 0 2 0 k h z 。 噪声不但和其物理特性有关，还与人的主观心理有很大的关系，不能单单从 物理学上来定义。比如说，小提琴的演奏声是一种乐音，对于欣赏它的人来说不 是噪声，但是对于正在试图睡觉的失眠症患者很有可能就是噪声。当然有些噪声 是人们都不想听到的，比如说汽车马达的轰鸣声，电锯工作时刺耳的切割声等。 1 1 。2 噪声的危害 噪声对人们的影响是多方面的，长期处在强噪声环境中会对人的身心带来极 大的伤害。噪声不但会损害听力，还会引起神经系统、心血管系统、消化系统等 各方面的疾病。强噪声( 如喷气式飞机所发出的噪声) 甚至还会损坏建筑物和仪 器设备的正常运转等。 噪声对人体最直接的危害是听力的损伤。在强烈的噪声环境中，人的听力会 变得迟钝，继而引起听力损失，严重时还会造成耳聋。据统计资料表明“1 ，在一 浙江大学硕士学位论文 定的时间段内，8 0 d b ( a ) 以下的噪声，不会引发噪声性耳聋；8 0 d b ( a ) 8 5 d b ( a ) 的噪声会造成轻微的听力损伤；8 5 d b ( a ) 1 0 0 d b ( a ) 的噪声会造成一定 数量的噪声性耳聋；1 0 0 d b ( a ) 以上时会造成相当大数量的噪声性耳聋。人在没 有思想准备的情况下，强度极高的暴震性噪声可能会使听力一瞬间永久丧失。 噪声对听力的损伤不但与噪声的强度有关系还与暴露时间有很大的关系。国 际标准化组织( i s 0 ) 声学委员会曾发表调查统计资料，公布了0 4 5 年间连续 噪声的a 声级与听力损伤危险率的关系表，相关详细内容可参阅文献 2 1 。 另外，特别高的噪声还会引起人耳的外伤，甚至耳膜被击穿而出血，对人的 听觉器官造成严重的损伤。 噪声不但可以造成直接的听力损失，还会影响人们的消化系统、心血管系统 和中枢神经系统等。噪声会造成消化系统的疾病，如消化不良、食欲不振、恶心 呕吐等，从而导致胃病的发病率。调查表明，长期暴露在强噪声环境下，高血压、 动脉硬化和冠心病的发病率有明显的升高。 噪声作用于人的中枢神经系统，会造成人的头痛、脑胀、耳鸣、失眠、心慌、 记忆力衰退等症状。如果孕妇长期在强噪声环境下工作还会造成婴儿的畸形，影 响胎儿的智力发育等。 1 1 3 机械产品的噪声标准 机械产品的噪声是不可能完全消除的，只要存在生产活动，就必然会引起噪 声。另一方面，人们也需要一定的声音来传递信息，例如工人可以依靠机床所发 出的噪声来评判机床的工作情况等。 为了保障人们的生活健康，各个国家都制定了各自的噪声控制标准，规定机 械产品的噪声允许值，超过允许值的产品不得出厂。我国在7 0 年代后期，也陆 续颁布了各种噪声标准。表l - 1 为各类车辆的噪声标准。 表1 1 各类车辆的噪声标准g b l 4 0 6 7 9 标准1 ，d b ( a 1标准i i ，d b ( a ) 种类 ( 1 9 8 5 1 1 以前生产)( 1 9 8 5 1 1 以后生产) 载重8 1 5 t 9 28 9 载重汽车载重3 5 8 t 9 08 6 载重3 5 t 以下8 98 4 总重4 t 以上 8 98 6 公共汽车 总重4 t 以下 8 88 3 轿车 8 4 8 2 2 浙江大学硕士学位论文 标准1 ，d b ( a )标准1 1 ，d b ( a ) 种类 ( 1 9 8 5 i i 以前生产)( 1 9 8 5 1 1 以后生产) 摩托车9 08 4 轮式拖拉机 9 18 6 1 2 选题背景 1 2 1 主减速器 主减速器是汽车传动系中重要的传动装置之一，汽车传动系如图卜1 所示埘。 图1 1 汽车传动系 发动机的动力经过离合器l 传至变速器2 ，再经过万向节3 和传动轴8 传至 主减速器7 。主减速器驱动差速齿轮系5 带动半轴6 ，从而将动力最终传至驱动 轮胎。通常我们所说的主减速器包括5 和7 两个部分。 由此可见，主减速器作为汽车驱动桥最为重要的部件，其性能直接决定驱动 桥的整体性能。 1 2 2 减速器噪声的国家标准 在中华人民共和国汽车行业标准q c t 2 9 0 6 3 1 9 9 2 ( j b n4 1 2 5 8 5 ) ，汽车机 械式变速器总成技术条件和q c t5 6 8 1 9 9 9 ( j a3 9 8 7 8 5 ) ，汽车机械式变速 器台架试验方法中规定了汽车用变速器总成的技术要求、试验方法和检验规则。 对噪声部分的规定：各类汽车机械式变速器总成在0 8 n 。( h 为变速器所匹 浙江大学硕士学位论文 配的发动机的最大功率时的转速，r r a i n ) 的转速下，最大允许声压级为9 1 d b ( a ) 。 1 2 3 主减速器检测的意义 主减速器作为汽车驱动桥的重要组成部分，其噪声检测的意义在于： ( 1 ) 为产品提供一个定性的评价标准。 随着工业的发展和人们对环保认识的提高，消费者对产品的环保要求越来越 严格。为此，生产厂家也对自己的产品提出了更高的要求。产品环保性能的一个 重要指标就是产品的噪声指标。生产厂家需要对自己产品的噪声有一个定性的评 判标准。这样也有利于提高自身产品的竞争力。 ( 2 ) 为产品的故障诊断提供数据。 噪声源于振动，通过对噪声信号的有效处理( 如各种谱分析) ，可以获取故 障源的类型、位置等有用信息，有利于产品设计的改进。 ( 3 ) 有利于噪声污染的控制和治理。 噪声是环境污染公害之一，它与空气污染以及水污染是当代的三种主要污 染，噪声的控制已成为当前环境保护的一项重要课题。机械所产生的噪声是噪声 污染的重要来源，降低机械产品的噪声，是每个生产企业义不容辞的责任，而噪 声控制的前提是对噪声的有效测量。 ( 4 ) 有利于生产企业降低生产成本。 通过对主减速器的噪声检测，可以及早地发现不合格产品，在装配之前对其 进行适当的处理，以免在其装配到驱动桥之后才发现问题，可以减少返工，从而 降低生产成本。 1 2 4 本课题的来源 随着汽车产业竞争的加剧，生产厂家为了降低生产成本，提高产品的竞争力， 纷纷对生产线进行了技术改造，从而对检测设备的需求非常旺盛。 本课题是受某主减速生产企业的委托而进行研究的，为其提供一套噪声检测 设备及相关的软件。 要求检测的项目和总体要求如下： ( 1 ) 测量主减速器的噪声标称值( 国家标准) ，挑拣不合格产品。 ( 2 ) 能测量一些辅助项目，如传动效率和差速性能试验。 ( 3 ) 用户可以自主设置检测工况以及更为严格的合格标准( 优于国标) 。 ( 4 ) 提供信号分析软件，能够对不合格产品进行初步的故障诊断。 ( 5 ) 设备满足现场检测要求，符合产品的生产节拍。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 本人所做的工作 本人在课题学习、研究过程中，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 通过查阅各种资料，将各种噪声的通用检测理论应用到主减速器噪声 检测这一具体领域中。 ( 2 ) 结合某减速器生产厂的实际噪声检测项目，应用机电一体化设计理论， 分析了控制系统的设计过程，给出了系统的总体设计方案。 ( 3 ) 对主减速器性能测试平台的控制与检测系统进行了详细设计，并进行 了工程实现。 ( 4 ) 应用信号处理方法对汽车主减速器进行了故障诊断和噪声分析。 ( 5 ) 通过查阅各种资料，对噪声检测的前景做了力所能及的归纳和展望。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章噪声测量基础与测量方法 i 内容提要】本章首先介绍声波和声场的基础知识，然后说明噪声的物理量度和主观评价 所谓物理量度是指噪声的物理特性，如频率、幅值等，而主观评价是人们对噪声的主观感觉， 它与噪声的物理量度有所关联也有所不同本章还介绍了噪声测量传感器与仪器，最后是有 关减速器测量的国家标准 2 1 声波与声场 2 1 1 声波 声音来自于物体的振动，发声的振动体称之为声源。 声音的传播需要通过媒质，最为常见的媒质是空气。以音叉的发声为例，如 图2 1 所示。音叉受到外力作用而发生振动，当音叉向右运动时，音叉的振动就 会迫使右侧附近的空气受到压缩( 虽然很微小) ，使空气媒质的质点变得密集， 空气的密度增大；当音叉向左运动时，音叉的振动又会使右侧附近的空气发生膨 胀( 虽然也很微小) ，从而使空气媒质的质点变得稀疏，空气密度减小。这样音 叉的往复运动使其附近的质点的密度随之疏密相间，这样就产生了声波。空气成 为了声音传递能量的媒介。当声波传至人耳时，空气的往复运动引起耳膜的振动， 就使人产生了听觉。 图2 1 声波传播示意图 音叉的振动引起了空气密度的变化，使空气质点在各自的平衡位置做往复运 动。空气的疏密变化会造成大气压力的波动( 与大气压相比很小) ，这种波动越 6 浙江大学硕士学位论文 大也就表明声音越强烈。 音叉振动所产生的声音通过空气质点的往复运动传播，像这种媒质中质点运 动方向与能量的传播方向相同的波称之为纵波。 声波每秒钟波动的次数称为声波的频率，单位为i - i z ( 赫兹) 。人耳可以听到 的声音频率范围为2 0 h z 2 0 k h z 。大于2 0 k h z 的声音称之为超声波，小于2 0 h z 的声波称之为次声波。工业噪声控制最感兴趣的频率范围是6 3 h z 1 6 k h z ，因为 低于6 3 h z 或者高于1 6 k h z ，人的听觉灵敏度会显著降低1 2 1 2 1 2 声场 有声波存在的媒质空间称之为声场，声场可分为自由声场、扩散声场和半自 由声场。 1 自由声场 声波在媒质中传播时，如果在任何方向上都没有反射现象发生，声波可以自 由的传播而不受阻碍，那么这样的环境称之为自由场。理想的自由场是没有边界 的、媒质均匀且各向同性的声场。满足自由声场条件而专门设计的声学测试室称 为消音室。 2 扩散声场 声音在传播过程中，声波受到强烈的反射作用，接近于全反射状态，使整个 空间各处的声压几乎处处相等，这样的声场称为扩散场。专门构建的满足扩散声 场条件的测试室称为混响室。 3 半自由声场 介于自由声场和扩散声场之间的声场称为半自由声场，也是现实中最为常见 的声场形式。 2 2 噪声的物理量度和主观评价 所谓噪声的物理量度是指声波的物理声学特征，如振幅、频率构成、声压、 声强、声功率等。主观评价是指人对噪声的主观感受，如响度、响度级等。主观 感受相同的两个噪声，其物理特性可能有很大的差别。 2 2 1 噪声的物理量度 1 声压 声波的传播会引起空气质点( 以媒质是空气为例) 密度的变化。空气的压缩 或膨胀会引起附近空气压力的变化。当介质中有声波和无声波相比，介质内的压 7 浙江大学硕士学位论文 力变化称为声压，记为p ，单位为p a ( 帕) 。 声压是随时间变化的，声场中某点瞬时的声压称为瞬时声压，它的值是具有 正负的。一般测量仪器测量的是有效声压( p r m s ) ，即一段时间内，声压的均方 根值。 p 。= 承而 ( 2 1 ) 式中，r 一积分时间( 平均时间) ： p 一介质内的压力变化值( p a ) 。 可见有效声压总是为正值。在无特别说明的情况下，所说的声压p 均指其有 效值，而瞬时值一般以p ( t ) 表示。 一般以1 0 0 0 h z 纯音的声压作为参考声压，在此频率下，人耳能听到的最小 声压为2 x1 0 一p a ，称为听阈声压。人耳能听到、且不至于使听力器官发生机理 损害的最大声压为2 0p a 。 2 声强 声音是依赖声波在媒质中传递能量的。垂直于声波传播方向上的单位面积 上、单位时间内通过的能量称为声强，以i 表示，单位为w m 2 ( 瓦h i2 ) 。其数 学表达式为： 1 ， i = 【p ( t ) u 。d t ( 2 2 ) 式中，r 一比周期大得多的时间日j 隔： p ( f ) 一声波传播方向上某点处的瞬时声压； “。一声波传播方向上某点处的瞬时质点速度。 对于自由场中的平面波或球面波，传播方向上距声源d 处，声强与声压的关 系为4 1 ： l ：堡越( 2 - 3 ) 胛 式中，p 一介质的密度( 堙m 2 ) ； c 一声音在介质中的传播速度( m s ) ； 一称为媒质的特性阻抗。对于空气，在标准大气压和室温( 2 0 c ) 条 件下，p c 4 0 8 p a s l m 。 由定义可知，声强不仅具有大小还具有方向，即声强为一矢量。 听阈声压所对应f l o n ) f 阈声强为1 0 1 2w m 2 ，相应于痛阈声压的痛阈声强为1 8 浙江大学硕士学位论文 w m 2 。 3 声功率 声功率是指声源在单位时间内所发射出的总能量，以w 表示，单位为w ( 瓦) 。声功率用来表征声源的强弱。声功率只与声源的强弱有关，而与测量点 距声源的位置无关。 声功率的表达式为； w = i 出= i l 鹤i ( 2 - 4 ) s l 式中，s 一围绕声源的传播面积； 丛。一声强为，。的测量点上的面积； ，。一测量表面上面积为墨处的声强； ，一测量表面上测点序号( i = 1 ，2 ，3 ，) 。 4 声级 人们对声音的感觉和声音的客观物理量( 声压、声强、声功率) 之间不是线 性关系，而是一种近似的对数关系。例如，当声压按照1 0 倍、1 0 0 倍、1 0 0 0 倍 规律增大时，入耳听起来像是按l 倍、2 倍、3 倍增加。所以通常地把声压、声 强和声功率以对数来表示，不仅更符合人们的主观感受，也使对这些物理量的表 达变得方便。 声压级： 声强级： 声功率级： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中昂、厶、分别为声压、声强、声功率的基准值，取其听阈值，即：昂宅 1 0 一p a ，i o = 1 0 1 2 w m 2 ，w o = l o 。1 2 。 人耳的听阙声压级为o d b ，痛阈声压级为1 2 0 d b 。可见对数坐标将相差一百 万倍的声压用o 1 2 0 d b 的声压级表示，大大简化了声压的表达。 声压的测量是比较简单的，而声强和声功率的测量没有直接可用的传感器， 一般是通过测量声压换算出声强和声功率。 在本节“2 声强”中，已给出声强和声压的关系： 9 p 一昂 三厶 矿一 加 m | i = = 跏 所 跏 浙江大学硕士学位论文 ，：生( 2 - 8 ) 伊 下面推导声强级和声压级的关系： 耻川s 瓦i1 0 1 。鬲p 2 圳t s 等删g 等= 训吨等 协9 ， 可见声压级和声强级的大小只相差一修正项1 0 l g 4 0 0 ，而对于空气( 媒 质的特性阻抗) ，在标准大气压和室温条件下，。4 0 8 p a j 所。所以l o l g 4 0 0 邸 接近于零，也就是说在一般测量条件下，可以认为在数值上工，* o 。 2 2 2 噪声的主观评价 噪声是由各种频率和幅值不同的纯音复合而成的，人耳对声音各个频率的响 应是有差别的。人耳对高频声音比对低频声音灵敏些，声压级相同而频率构成不 同的声音，听起来是不一样的。所以以什么作为噪声的评价量不但要考虑噪声的 物理特性，还要考虑人耳的生理反映。 现在在国际上由不同的机构和个人提出的噪声评价量和评价方法有上百种 之多，不同的评价量和评价方法体现了人们评价噪声目的的不同，各有特点和 针对性，以下是两种常见的评价量。 1 响度和响度级 人耳对高频声波比对低频声波要敏感，在相同的声压下，对于频率不同的两 个纯音，人耳感觉高频声波比低频声波洪亮。由于两个声压相同的噪声可能有着 完全不同的频谱，这就造成了人耳对两个噪声的感觉是不一样的。 响度和响度级的概念： 响度： n = 2 ( “) “o 单位为$ o n e ( “宋”) ( 2 1 0 ) 响度级：l = 4 0 + 1 0 1 0 9 ?单位为p h o n ( “方”) ( 2 1 1 ) 在数值上，定义l k h z 的纯音的声压级的分贝数为响度级的“方”数。两个 频率不同的纯音声压不同，但其响度可能是相同的，例如，3 0 d b 、l k h z 的纯音 与4 0 d b 、3 0 0 h z 的纯音响度是一样的，也就是说对人来说听起来其响亮程度是 一样的。如果把整个区间2 0 h z 2 0 k h z 中具有相同响度的点连接起来就是等响 度曲线。这样的曲线有无穷多条，为了简化，国际上有关组织规定把整个听觉区 1 0 浙江大学硕士学位论文 问划分为1 3 条等晌度曲线，如图2 2 所示。 鼍 v 释 罐 t 图2 2 自由声场下的等晌度曲线 2 计权声级 为了使仪器能反映人耳对频率的不同响应，可以设计不同的滤波器对不同的 频率进行不同的衰减，这样测出来的“声级”用以比较不同噪声的相对大小。这 样的滤波网络又称为计权网络，即表示对不同的频率的声压进行计权计算。 如果按照等响度曲线进行设计滤波网络则要设计1 3 个不同的滤波器，以对 不同的频率下的声压进行不同的衰减，这样实现起来比较困难。通常按照国际规 定，只设计三条修正网络，称为a 、b 、c 计权网络，如图2 - 3 所示。 图2 - 3a b c 计权网络曲线 a 计权网络是效仿4 0 方等响度曲线而设计的。它模仿人耳对5 0 0 t i z 以下的 浙江大学硕士学位论文 低频噪声不敏感，而对1 0 0 0 5 0 0 0 h z 噪声敏感的特点，使得衰减后的声级值与 人耳的主观反映接近。由a 计权网络测得的声级称为a 声级，记为d b ，是最为 普遍采用的评价噪声的标准。 b 计权网络是效仿7 0 方等响度曲线而设计的。它没有a 计权那样接近人耳 的响应，在逐渐被淘汰。b 计权网络测得的值称为b 声级，记为d b b 。 c 计权网络是仿效1 0 0 方等响度曲线而设计的。它具有近乎平直的特点，基 本上没有对噪声进行频率计权，所以测得的值接近于实际的声压级值。 此外还有d 、l 计权网络。d 计权网络用来测量飞机的噪声，l 计权网络是不 滤波线性网络，具有平直的频率响应。 由以上可知，a 、b 计权网络的测量值，即不是声压级的值，也不是响度级 的值，而是一种修正值。 2 3 噪声测量传感器与测量仪器 对机械结构如减速器，进行噪声测量，一般的目的有两个：一是对产品的噪 声指标进行测量，以鉴定产品是否符合有关标准要求，做出是否合格的结论或者 作为产品相对质量好坏的评判标准；另一个目的是通过对产品的噪声信号进行适 当的分析和处理，找出噪声源的位置和类型，以对产品在设计上的改进提供有效 的测量数据。 对声音的主要直接测量的量为声压和声强，对应的传感器是传声器和声强探 头。测量仪器主要有声级计、声强计、滤波器、频谱分析仪以及记录装置等。 2 3 1 传声器 传声器是用于测量声压的传感器。在测量中，一般传声器首先将声压信号转 换成振动信号，如传感器膜片的振动，然后将该振动转换成易于测量的电信号。 所以传声器一是要具有将声压转换成振动量的机械装置；二是要具有将振动量转 换成电信号的换能器。 按照传声器换能原理的不同，可将传声器分为电容传声器、压电传声器和驻 极体传声器。其中电容传声器由于其具有灵敏度高，频带宽，性能稳定，频响曲 线平直等优点，是最为广泛应用的传声器。 电容传声器的结构如图2 - 4 所示。 在电容传声器中，金属膜片和后极板之间构成了一个电容器，当外界有声压 作用时会引起膜片的振动，从而使电容器的电容量随之改变。为了检测电容的变 化，要在两极板之间加一极化电压，将电容的改变转换成电压的改变。 1 2 浙江大学硕士学位论文 在未受到声压作用时，金属膜片和后极板之间的电容量为： c 0 - 竽f ( 2 - 1 2 ) 式中，s 一后极板的面积( m 2 ) ； d 一两极板之问的间距( m ) ； 一空气的介电常数( f m ) 。 l234 1 一防护栅2 一后极板3 - 绝缘块 4 一外壳5 - 输出端6 一均压孔 7 - 阻尼孔8 一金属膜片 图2 - 4 电容传芦器 当受到声压作用时，声压会引起膜片和后极板之间距离的变化，从而使电容 量发生变化： c - c o + a c ( t ) ( 2 - 1 3 ) 为了检测电容的变化量，要在两极板间加一极化电压，设为乩，则在未受 到声压作用时，极板上的电荷量为： q o - u o c o ( 2 - 1 4 ) 当受到声压作用后，极板间距离的变化不但会引起电容量的变化，也会引起 电压的变化。受到声压后，极板上的电荷量变为： q i q 0 + a q - 。+ ( ，o ) ) ( c 。+ a c ( o ) ( 2 - 1 5 ) 一【，o c o + u o a c ( t ) + c o a u ( t ) + a u ( o a c ( o 因为q 0 - u 。c o ，二次小项a v ( t ) a c ( t )忽略不计，q 与其它各项相比也 很小眩1 ，所以上式可简化为： 浙江大学硕士学位论文 a u ( ，) u o - a c ( t ) ( 2 1 6 ) 电容式传声器的等效电路如图2 - 5 所示。 经过前置放大器的放大后，传声器的输出为： uo(t)=半丽jcor甭co ( 2 - 1 7 ) o j _ 式中，c 0 一极板间的初始电容值； 砜一极化电压； c 一等效总电容，c = c o + g + c ，其中，c s 为杂散电容，c l 为前置放 大器的输入电容； 丑一等效电阻，r = 置r + i n r c 。，其中如为充电电路电阻，置为前置放大器 输入电阻o c o 一声波的圆频率。 刚鼬护 极化电压i前置放大器 图2 5 电容式传声器的等效电路图 2 3 2 传声器的灵敏度和频晌特性 测量传声器的技术特性主要有：灵敏度、频率响应、非线性畸变、指向特性 等。另外还有一些与使用有关的参量，如动态特性、输出阻抗等。 1 传声器的灵敏度 对于测量仪器来说，其静态特性主要是指灵敏度。灵敏度的定义为：输出信 号的变化量和输入信号的变化量的比值。 对于传声器来说，其灵敏度定义为传声器前置放大输出端电压和作用在传感 1 4 浙江大学硕士学位论文 器膜片上的瞬时声压的比值。 s ：罂：幽一盟( 2 - 1 8 ) p o )c o p ( f )j w r c + 1 p ( f ) 为随时间变化的声压，在一定的频率范围内，p ( t ) 作用于膜片所引起的 电容的变化量a c ( f ) 与其成正比伊j 所以$ o c 鲁蒜。 对于高频，o 口r c 1 ，有sa c 孕，传声器的灵敏度与频率无关，正比于极 l 0 化电压，反比于初始电容。 对于低频，o j r c l ，有s 。阜j w r c ，传声器的灵敏度与输入的频率有 l o 关。 通常将使灵敏度下降3 d b 的频率定义为截止频率，以2 丽1 。因此，要降 低下限频率，可以将前置放大器的输入电阻设计的比较大。目前测量用电容传声 器的下限频率可以达到2 h z u l 。 传声器的灵敏度有三种：声场灵敏度、声压灵敏度和扩散场灵敏度。值得注 意的是，传声器的灵敏度不但与输入声波的频率有关系，还与声波的入射方向有 很大的关系，也即灵敏度具有指向特性。有关灵敏度指向特性的详细内容可参阅 文献【5 ，7 】。 ( 1 ) 声场灵敏度 传声器在自由场中，输出端的开路电压和传声器放入之前所在位置的自由场 声压的比值称为声场灵敏度，即： s ，：型v p a( 2 1 9 ) p ( o 式中，玑( f ) 一传声器输出的开路电压( v ) ； p ( f ) 一传声器所在位置的声压( p a ) 。 声场灵敏度还可以用相对灵敏度来表示： l , , = 2 0 l o g 等d b 协z 。， ( 2 ) 声压灵敏度 声压灵敏度是传声器输出端的开路电压与作用在传声器膜片上的声压之比 浙江大学硕士学位论文 值，即： s 。：鲨v p a ( 2 2 1 ) 7 尸。( f ) 式中，尸( r ) 为作用在膜片上的声压。 同样声压灵敏度也常用相对灵敏度来表示： l ：2 0 l o g u o ( t ) d b ( 2 2 2 ) p ( r ) ( 3 ) 扩散场灵敏度 扩散场灵敏度是指传声器在混响声场中的灵敏度。在混响声场中所有方向上 声能密度相同，单位面积上平均功率亦相等。其值按下式计算： s 2 = o 0 1 8 ( s g + 乙) + o 1 2 9 ( s ；o + s 三o ) + o 2 2 4 ( s ：0 + s 乙) + o 2 5 8 s 品 ( 2 2 3 ) 式中，s 为扩散场灵敏度，瓯，s ，。，分别为与传声器轴成0 。、3 0 0 、6 0 。， 等声入射角的传声器的声场灵敏度。 目前各个生产厂家定义的传声器灵敏度不统一，上述三种灵敏度都有使用。 在噪声测量中使用较多的是声场灵敏度。当传声器的尺寸远小于声波波长时，声 场灵敏度和声压灵敏度没有多大区别；当传声器的尺寸接近波长时，两灵敏度有 差别( 声场灵敏度较大) ，并随频率的增加而增加。一般传声器可分为场型传声 器和压型传声器，前者采用声场灵敏度，用于对自由场或消音室噪声测量用；后 者采用声压灵敏度，用于腔体中的声测量1 4 1 。 2 传声器的频率响应 传感器在规定条件下，在恒压声场和给定入射角的声波作用下，其灵敏度和 频率的关系称为灵敏度频率响应。 如图2 - 6 所示，是一传声器的频响曲线。显然，频响曲线的平直范围越宽越 好，平直部分所对应的频率都有相同的灵敏度。 频率测量范围受传声器共振频率的影响。共振频率高，要求传声器直径小， 此时能测量的频率范围宽，但灵敏度有所下降。反之，共振频率低，要求传声器 的直径大，灵敏度相应升高，频率范围则窄。常用电容传声器的上限频率为：l ”为1 8 k h z 。1 2 “为4 0 k h z 。1 4 “为1 0 0 k h z t s 。 一般传声器说明书上标定的灵敏度为f = 2 5 0 h z 时的灵敏度值。 3 传声器的等效噪声级和动态范围 由于外界环境和传声器电路本身的影响，即使在无声波作用时，传声器前置 放大器输出端也会有一定噪声电压，这个电压称为固有噪声。固有噪声决定传声 器所能测量的最低声压级。电容传声器的等效噪声级一般不大于2 0 d b 。 1 6 浙江大学硕士学位论文 由于传声器膜片本身物理性质的限制，其可以测量的最高声压级也是有限制 的，当声压级过高时会引起输出的非线性畸变。规定当非线性畸变超出3 时的 声压级为传声器能测量的最高声压级。 传声器所能测量最高声压级和等效噪声级的差值称为传声器的动态测量范 围。 5 铂 倒0 旃 1 | i i c 5 2 3 3 声级计 1 一声场灵敏度2 一扩散场响应3 一声压灵敏度 图2 - 6 传感器的频响曲线 声级计是一种最为常用的测量噪声声压级和声级高低的仪器，它按照一定的 频率计权和时间计权测量声音的声压级或者声级。 1 声级计的工作原理 一般声级计的主要组成部分有：传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波 电路、指示器和电源等组成，工作原理如图2 7 所示。 流输出 图2 - 7 声级计原理图 声压信号经过传声器，被转换为电压信号，该电压信号被前置放大器进行阻 1 7 浙江大学硕士学位论文 抗变换，经过变换后的电信号被送入衰减器和放大器，衰减器对幅值较大的信号 进行衰减，而放大器对微弱的信号进行放大。然后信号进入计权网络，计权网络 会对信号进行频率计权，测量出相应的声级信号。经过计权后的信号再次送入衰 减器和放大器。此时的信号被检波器检波后，信号变换成直流信号以便指示。 指示值所代表的意义取决于计权网络的选择。当选择a 、b 或者c 计权档时， 示值为相应的声级。当选用线性档时，示值为声压级；当接入外接滤波器时，显 示的是滤波器相应频带宽度下的频带声压级。另外声级计的输出还可以外接示波 器，分析仪等。 2 声级计的分类 按照国际电工委员会( m c ) 6 5 1 关于声级计的标准，可以将声级计按照测 量精度和稳定性分为0 、1 、2 和3 四种类型。其中0 型为标准声级计；l 型为精 密声级计；2 型为一般用途声级计；3 型为普及型声级计。 此外，从功能及用途上又可将声级计分为普通声级计、精密脉冲声级计、积 分声级计、个人声暴露计、噪声统计分析仪、噪声频谱分析仪等。普通声级计仅 能测量指数时间计权声级，常用在噪声普查中；精密脉冲声级计比普通声级计的 精度高，并有脉冲档时间计权，广泛用在产品检测和脉冲性噪声测量中；积分声 级计可以测量一段时间内的平均声级( 等效声级) ，在环境噪声监测、劳动场所 噪声监测场合采用此类仪器；个人声暴露计的体积小巧，能方便地佩带在工人身 上，可以准确测量工人一天内所接受的噪声暴露量；噪声统计分析仪是在积分声 级计的基础上加入了统计声级测量、定时监测等功能，目前在环境保护、劳动保 护部门应用广泛。噪声频谱分析仪是在通用声级计、积分声级计或噪声统计分析 仪上又加入了倍频程或1 3 倍频程滤波器，这样不但能测量噪声的声级和声压级， 也可对声音的频谱成份进行分析。 2 4 减速器噪声声级的测量方法埔1 2 4 1 概述 声级的测量一般指噪声a 声级的测量。由于声级的测量特别是在现场完成 测量时，测量结果受环境因素的影响非常大。为了获得具有