第十二章--机械工程中的信号分析技术PPT课件.ppt

第十二章机械工程中的信号分析技术 第一节信号分析中基本参数的选择 一 采样参数的选择 1 采样频率 本章内容 信号分析中基本参数的选择 信号分析技术在试验模态分析 机械设备诊断和声信号测量与分析中的典型应用 原则 1 必须满足采样定理 2 采样点数N 采样频率fs和频率分辨率 F三者的关系 F fs N 3 当频率分辨率要求高 而对谱值精度要求低时 fs尽可能的低 当谱值要求精确 如主要研究信号的能量太小 而对频率分辨率要求不高时 fs选择高一些 4 可采用抗频混滤波器来降低fs 对于选择性能好的滤波器 fs依滤波器截止频率的2 3倍来考虑 2 采样点数 时域分析 采样点越多 越接近原始信号 频域分析 采样点数一般取2的幂数 如512 1024 2048 以利于FFT计算 二 平均计算 为提高随机信号谱估计精度 需对样本总体进行平均化处理 处理方法一 一次取样 分段计算 再取平均 采样数据量大 占内存多 处理方法二 多次取样 求取谱值后再累加平均 优点 每次取样的数据点数相同 对内存影响小 分线性平均法和指数平均法两种 如果处理的信号是平稳的随机过程 可采用线性平均方法 即 3 信号的记录长度 避免叠加溢出的常数 A 采样次数 如果处理的信号是非平稳 随时间缓变的随机过程 采用多次采样 再指数加权平均的方法 可提高信噪比 即 触发方式 决定每段样本采样的起始点 影响 对捕捉瞬态信号或被采集信号的同步运算作用很大 2 信号触发 1 自由触发 面临的问题 脉冲信号 瞬间即逝 不易捕捉 解决方法 调节触发电平略高于噪声电平 当出现的脉冲信号达到预置触发电平 采样系统即进行采样 优点 既保证无遗漏地采到所要分析的脉冲信号 又可剔除大量的噪声外 三 触发方式选择 采完一段样本 立即自动连续开始采集第二段 不间断地连续下去 直到停止命令 一般用于平稳随机过程的分析 3 预触发 问题 信号触发只能采集到触发电平触发以后的信号 而采不到脉冲信号的前沿 或采不到完整的前沿 解决方法 在触发电平之前根据需要设置保留的采样点数 即预触发 确保得到脉冲信号的前沿 4 外触发 用外部信号触发采样 以保证采集到的信号与外部控制信号同步 四 物理量的换算 为减少分析误差 应将标准已知物理量信号送入分析设备 使分析设备上的数值与实际物理量之间建立直接的关系 模态分析 建立用模态参数表示的振动系统的运动方程 称为模态分析 第二节试验模态分析技术 振动系统模态参数 固有频率 振型 模态质量 模态刚度与模态阻尼等 时域法 直接由结构的时间域自由响应 求得模态参数 典型的方法有随机减量方法和时间序列方法 频域法 先把测试数据变换成频域数据 再进行模态参数识别 主要有主模态法和传递函数法等 试验模态分析 通过试验测定数据 确定模态参数 属于频域法范畴 一 试验模态分析的目的 确定系统模态参数 建立系统运动方程 按预定精度逼近实际系统 优化系统设计 试验模态分析过程 施加激振 测其响应 二 试验模态分析的过程 主模态法 利用多点正弦激振 使系统作纯模态振动 求得模态参数 传递函数法 用单点激振 先求结构的传递函数 再确定模态参数 三 激振方法 1 稳态正弦激励1 正弦信号发生器产生不同频率的正弦信号 放大 激励装置 激振力 试件 2 机械装置产生正弦激振力 2 随机激励白噪声或伪随机信号发生器作为信号源 放大 激励装置 激励力 试件 3 瞬态激励包括快速正弦扫描激振 脉冲激振和阶跃激振等 以脉冲激振用得较普遍 优点 激振力大 信噪比高 能保证响应对象的测试精确度 所用的仪器设备比较通用 缺点 试验周期较长 优点 频率范围宽 信号的功率谱平直 由于白噪声不是周期性的 每个样本都不同 可用多段线性平均方法来消除其他噪声和非线性等影响 伪随机信号 大多是周期性的 信号的周期与采样时间取得一致时 可以减少泄露现象 伪随机信号可用计算机产生 便于计算机控制 缺点 所用的仪器设备不能通用 价格较高 脉冲激振 1 用力锤 脉冲锤 敲击被测试件产生激振力 优点 所需设备较少 实验时间短 缺点 敲击不易稳定 2 用计算机输出脉冲信号控制激振器产生脉冲激振力 脉冲信号的峰值 脉宽等参数可控 要点 激振力 多用压电式力传感器测量 试件响应 常用压电式加速度计 速度计或位移计测量 1 上述方法均属单点激振法 单点激振能量有限 特别是远离激振点的响应测量点 误差较大 所得传递函数的相干性较低 影响模态参数识别精度 2 多点随机激振可避免由于激振点布置在某阶模态振型的节点上 而测不出该阶模态的缺点 多点激振能量较大 不易漏掉可能有的模态 四 响应的测量 严格说来 加速度计测量的传递函数是惯性传递函数 在进行曲线拟合时 需变成速度或位移的传递函数关系 理论上 三者间的关系 加速度 2 位移 速度 j 位移 实际求解方法 积分 加速度值的一次积分 速度值 再作一次积分 位移值 1 加速度 速度和位移的 关系 如何求积分 方法一 由积分电路实现 有些压电式加速度计的前置放大器中设有积分网络 注意 积分电路的特征对转换结果有一定影响 方法二 在数据处理过程中用计算机转换求值 例 由恒定加速度信号的幅值积分得到速度和位移幅频曲线 可见 在1Hz以下产生的幅值误差较大 在高频范围内 幅值会被噪声电平所覆盖 鉴于试件的响应可用位移 速度或加速度来表示 传递函数有如表所示的六种表达方式及名称 f为激振力 位移一阶导数 位移二阶导数 五 传递函数的求取 传递函数 频率响应 实模态理论建立在试件为无阻尼或比例阻尼假设基础上的模态理论 实模态的阻尼矩阵为对称矩阵 实模态理论中 在j点作用力 在i点测取响应 传递函数为 分母与激振点j 响应点i无关 无论在试件的哪一点测量 得到的传递函数的分母值均应相同 通过实验测试求出传递函数后 即可计算出诸模态参数 实模态理论的局限性 仅适用于无阻尼 小阻尼或比例阻尼试件 现在的问题 对于大阻尼复杂结构的试件 阻尼不再是比例阻尼 阻尼矩阵无法对角化 解决方法 采用复模态理论 复模态理论对于复模态 传递函数必须在复数域中表示 激振点j与响应点i之间的传递函数为 此式表明 复模态参数可通过传递函数求得 六 通过曲线拟合计算模态参数 要点 七 模态图形 2 用FFT计算传递函数往往是在有限的长度 等间隔频率分辨率的离散数据中进行 为求得精确的峰值 固有频率等参数 需要在测得的传递函数的基础上 计算出初始模态参数 再根据传递函数的性质 选择适当的曲线拟合的方法进行拟合 求得准确的结果 1 受限于传感器等硬件 实际中只能在一定频率范围内进行测量和求取传递函数 该频率范围以外的振动模态对所测范围的传递函数的影响要予以修正 例 悬臂梁模态分析考察了梁上三个测点 测出了3阶振动模态 测试中分别采用固定响应点1 移动激振点至1 2 3处 或把激振点固定在1处 将响应点移到1 2 3处的测量方式测得3个传递函数 分析 由于结构的阻尼很小 由实部为零或虚部为最大值位置 可定出固有频率f1 f2 f3 还可由固有频率附近的fa fb值确定阻尼比 这些可由3个传递函数中的任一个求得 由虚部的最大值求得模态刚度和模态质量 模态活动图像 动态显示试件的振幅和相位的三维图像 某一板状试件上的一点 受脉冲力作用后的运动和随时间衰减的过程如图 通过Fourier逆变换 计算外力作用时各点的时间响应 显示试件随时间变化的图形 第三节机械设备诊断技术 机械设备诊断过程 一 信号的测取 问题 机器在运行过程中 内部零件受到力 热以及摩擦 磨损等多种因素的作用 其运行状态不断变化 一旦发生故障 往往会导致严重的后果 对策 在事故发生前就查明其原因 并设法予以消除 机械设备诊断技术最根本的任务 通过对设备的观测信号分析 识别机械设备的状态 方法 1 直接观察法直接观察设备 获得零部件工况的第一手资料 根据经验判断设备的工作状态 特点 多是定性 粗略 的 只适于能直接观察到的机器零部件 2 用测试装置测取主要是测取机器设备的机械 电磁 化学信号 由于机器运行过程中的噪声和振动是诊断的重要信息 所以测试噪声和振动来诊断机器的工作状态应用较为广泛 二 信息的提取 从测得的特征信号中提取故障征兆 常用方法有函数分析法和统计分析法 1 函数分析法 2 统计分析法 通过数学分析方法 提取故障征兆 如 对结构有无裂纹的诊断 可以通过建立结构的振动方程 进行结构的模态分析 计算结构的固有频率 阻尼 振型与频率特性等 求取征兆 利用特征信号和征兆之间存在着的统计关系 提取征兆 有两种方式 1 非参数模型法采用较广的传统统计分析法 即相关分析 周期图分析以及以它们为基础的有关统计分析 围绕这些分析 有各种快速算法 FFT就是典型代表 特点 直接由特征信号算出统计特性 这些统计特性就是特征信号的非参数模型 2 参数模型法根据测试信号建立差分方程形式的参数模型 再采用模型的参数或用由模型计算出的信号统计特性 系统固有特性或其他特性作为征兆 目前所用的有时序模型 信息的提取可用专用或通用的信号分析设备来完成 三 谱分析在设备诊断中的运用 以丝杠磨床内联系传动链误差的诊断为例 传动链误差的影响是影响具有内联系传动链机床精度的关键因素 在齿轮 螺母 丝杠等零件加工中 由于所用机床的内联系传动链误差 使被加工零件产生复合量误差 影响机床加工精度 传动链误差的产生传动链误差除包含传动链中传动元件 齿轮 蜗杆 蜗轮 丝杠 螺母等 制造与装配误差所造成的周期误差以外 还包含传动链工作时 由传动元件的扭转变形 振动 间隙变化等因素造成的动态随机误差 S7420丝杠磨床传动链 主轴 动力由轴II传入 此齿轮副将动力传给主轴 此挂轮组将动力传给母丝杠 1 信号的测取 丝杠导程误差 主要由局部性误差 周期性误差和渐进性误差 累积性 误差三部分构成 局部性误差 是一种随机性误差 由工件材料的缺陷和加工中不正常的偶然因素造成 周期性误差 是一种线性误差 由母丝杠本身积累误差 以及加工温度等因素造成 因此 从丝杠导程误差中提供的信息 可反映出机床传动链误差的问题 应该怎样测 把传感器装在传动链两末端件上 但这样机床就不能进行实际加工 实际怎样测 为了能反映实际加工过程中的情况 采用间接法测取信号 间接法 通过测量该机床上加工的零件 来取得与传动链误差密切相关的导程误差 再提取传动链误差的信息 丝杠导程误差信号的测取 1 被测丝杠安装在HJY 05型丝杠动态检测仪的主轴与尾顶尖之间 由主轴通过拨盘带动旋转 圆光栅盘1与被测丝杠同步转动 由光电系统产生代表转角的脉冲 测量头4进入被测丝杠螺旋槽中 带动磁头3相对于磁栅尺2移动 产生代表位移的脉冲 2 两路脉冲信号送进TP801 B单板机 在软件控制下 进行分频比相 相位差值即为丝杠导程误差的原始数据 3 将这些原始数据送入计算机作分析诊断 找出机床传动链误差源 被测丝杠的参数为直径40mm 导程6mm 螺纹长1000mm 从丝杠导程误差中提取机床传动链误差征兆 1 用求取导程误差回归直线的方法 分离出渐进性误差 2 用谱分析方法分析周期性误差 从中找出周期成分 较常用的方法是对比诊断法 主要根据所测得的征兆与传动链中的频率特性的计算值 传动链结构分析的特征量和传动链加工及装配误差的特征量进行比较 找出误差源 图 a 和 b 中 有三个明显的谱峰值 其相对频率 一个基本导程内变动一次的摇晃误差定义为相对频率1Hz 分别为0 95 1 9和2 75Hz 母丝杠为4牙 英寸 即螺距为6 35mm 单头 挂轮Za 120 Zb Zc 60 Zd 127 经对比分析可知 第一主峰主要源于机床母丝杠的遗传误差 因为被磨丝杠导程与母丝杠导程之比6 6 36 0 9449 第二主峰源于传动链中一对挂轮比为2的齿轮 Za Zb 2 母丝杠误差通过它反映到被磨丝杠上 频率为0 9449 2 1 889Hz 接近图中第二主峰值 第三主峰是由于主轴支承的振摆所引起的 以上分析表明 母丝杠存在有一定的周期误差 挂轮b有偏心 主轴支承有振摆 2 信息的提取 3 误差诊断 四 时频分析在柴油机故障诊断中的应用 可通过对设备振动信号的处理 提取设备的状态信息 常用的信号处理和特征提取方法 时域分析法 简单快捷 频域分析法 更加准确和精炼 平稳随机振动与非平稳随机振动的分析 1 平稳随机振动信号通过时域或频域分析便可提取设备的信息 2 非平稳随机振动信号柴油机缸盖的振动信号是典型的非平稳时变信号 具有局部冲击振动信号的特点 此外 缸盖的振动信号与机器的工作循环和曲轴转向存在同步关系 而根据这种同步关系采集到的缸盖振动信号 用一般的时域或频域分析难以满足特征提取的要求 原因 基于傅里叶变换的传统频域分析方法 是将信号分解为不同频率的成分 反映的是从全局角度来看信号的频率组成情况 完全失去了局部时间上的信息 时域分析方法则与之相反 反映的是局部时间特性和整个时间统计特性之间的关系或变化关系 丝毫不涉及信号的频率成分 为同时兼顾整循环缸盖振动信号的时域和频域特性 并从中提取诊断特征参数 需采用时频分析方法 1 基于短时AR分析的缸盖振动信号整循环征兆提取方法 短时AR分析征兆提取过程 将离散序列进行分段截取 得若干个短序列 从AR模型参数中提取和形成诊断征兆的方法较多 一种简单的方法是根据各参数对故障的敏感程度 直接选取某一个参数或一组参数 形成特征参数或特征向量 另一种方法是根据模型参数计算出短时AR谱 选取特征频带 f1 f2 内的能量作为特征函数 对每个短序列进行AR n 建模 估计模型参数a1 a2 an和 w2 根据模型参数提取和形成诊断征兆 第k个短序列对应的曲轴转角 获取每一段曲轴转角下的特征函数后 可形成该工件循环的特征向量 A k 为消除随机误差和循环波动的影响 采用参数平均法 计算多个循环特征向量的平均值 得到滑动平均特征向量 用门槛值或模式识别方法对此进行识别 诊断柴油机故障 什么是ARIMA模型 ARIMA模型全称为自回归移动平均模型 AutoregressiveIntegratedMovingAverageModel 简记ARIMA 是由博克思 Box 和詹金斯 Jenkins 于70年代初提出的一著名时间序列预测方法 又称Box Jenkins模型 博克思 詹金斯法 其中ARIMA p d q 称为差分自回归移动平均模型 AR是自回归 p为自回归项 MA为移动平均 q为移动平均项数 d为时间序列成为平稳时所做的差分次数 关于AR模型 ARIMA模型的基本思想 将预测对象随时间推移而形成的数据序列视为一个随机序列 用一定的数学模型来近似描述这个序列 这个模型一旦被识别后就可以从时间序列的过去值及现在值来预测未来值 现代统计方法 计量经济模型在某种程度上已经能够帮助企业对未来进行预测 2 基于小波包分析的缸盖振动信号整循环征兆提取方法 假设原信号采样频率为fs 其最高分析频率为fmax fs 2 那么序列号为n的小波包分解对应的频带为 nfmax 2N n 1 fmax 2N 则可以定义整循环诊断特征向量 A m 为 其中 j1和j2和为特征小波包序号 即特征频带 或者从上述矩阵 am n2 中选择元素 组成特征矩阵 按同步采样方式获取柴油机一个完整工作循环 内缸盖振动信号的离散采样序列 采样长度为L 2M 按小波包分解的改进算法对序列进行N层小波包分解 得到该层各序列的小波包分解系数 诊断对象 4135D 5型柴油机 3 诊断实例及分析 采样方法 用整循环同步采样方法 即用柴油机曲轴转角作同步信号 采集柴油机在一个工作循环内的数据 测取第一缸缸盖表面振动信号 以第一缸换气上止点信号作为采样起始触发点 采样点数为每循环2048点 当机器转速为1500r min时 采样频率约为25 6kHz 采得第一缸进 排气系统在下表所列的各种工况下缸盖振动信号波形如图 图中横坐标为柴油机曲轴转角 与数据采样序号一一对应 纵坐标为振动的加速度值 内燃机按完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机 四行程 曲轴转两圈 7200 活塞在气缸内上下往复运动四个行程 完成一个工作循环 二行程 曲轴转一圈 3600 活塞在气缸内上下往复运动两个行程 完成一个工作循环 按四行程计算 曲轴转两圈 完成一个工作循环 所以有 采样点间隔为2转 25rps 2048 0 0000390625s 采样频率为25 6Hz 表 柴油机故障工况 分析一 对工况一 柴油机第一缸进 排气系统正常工作 状态下的整循环信号分别进行 短时傅里叶分析 短时AR分析 小波分析和小波包分析 得到下面的图示结果 图12 20短时功率谱 短时傅里叶分析的数据短样本长度取为64点 图12 21短时AR谱 短时AR分析的数据短样本长度取为64点 AR建模阶数选为5 图12 22小波分解 小波分解选择 1至10共12个小波级 对应二进划分的12个频带 第10级的频带为6 4至12 8Hz 其余各级频带可依此类推 第 1级为均值 图12 23小波包分解 分解层数为5层 最后一层的分解包括0至31共32个序列 对应线性划分的32个频带 短时傅里叶变化的计算最为简单 可以利用FFT算法 但由此得到的傅里叶谱图毛刺多 波形起伏大 存在谱泄露和估计精度不高等问题 短时AR建模的计算速度较慢 但得到的AR谱则非常光滑 且每一分析结果的信息都浓缩在 n 1 l个模型参数中 n为建模阶数 l为短序列分段数 此例中分别为5和32 这对诊断征兆的提取非常有利 正交小波变换和小波包变换的计算速度也很快 小波分解的频带划分为二进方式 中高频带的频率分辨率不高 小波包分解的频带划分为线性方式 提高了中高频带的频率分辨率 小波变换在此并不适于诊断征兆的提取 而小波包变换则非常有利 图12 24工况二的短时AR谱 分析二图12 24 12 33是其余五种工况的短时AR谱和小波包分解结果 从中可看出故障在特定曲轴转角和特定频带内所表现出的信息量 图12 25工况二的小波包分解 图12 26工况三的短时AR谱 图12 27工况三的小波包分解 图12 28工况四的短时AR谱 图12 29工况四的小波包分解 图12 30工况五的短时AR谱 图12 31工况五的小波包分解 图12 32工况六的短时AR谱 图12 33工况六的小波包分解 短时AR分析和小波包分析的频带划分都为线性方式 根据缸盖振动信号的特点 选取两个特征频带为0 5 2kHz和5 2 10kHz 按照式 12 10 和式 12 11 可分别得到低频带特征向量AL和高频带特征向量AH 如图12 34和图12 35所示 由此可进一步形成整循环特征向量 一旦形成整循环特征向量后 就可以利用某种几何距离函数或信息距离函数进行故障模式的分类与识别 式 12 11 式 12 10 图12 34基于短时AR分析的整循环特征向量 图12 35基于小波包分析的整循环特征向量 第四节声信号的测量和分析技术 1 声压和声压级 声压 1 是表示声音强弱的基本物理量 2 指有声波时媒质中的压强超过静压力的值 声压是有效声压的简称 3 某点的有效声压是该点在一段时间内瞬时声压的均方根值 4 声压用p表示 单位为帕 Pa 即N m2 声音 机械波 是物体的机械振动通过弹性媒质向远处传播的结果 声信号的测量 声信号 电声传感器 电信号 采样 分析 一 声信号的几个基本物理量 声压级 某点声压p与参考声压p0的比值取常用对数 以10为底 再乘以20的值 单位为分贝 dB 用符号Lp表示 即 参考声压 正常人刚能听到的1000Hz声音的声压为2 10 5Pa 称为听阈声压 此声压常被规定为确定声音和噪声的参考声压p0 使人耳刚刚产生疼痛感觉的声压称为痛阈声压 其值为20Pa 对于球面波或自由平面波 如果媒质密度为 声速为c 则在传播方向 声强与声压存在简单的关系式 值得注意 在讨论工业噪声时 为空气密度 如以标准大气压下 200C时的空气密度与声速值代入 得到 c 408Pa s m 称为空气对声波的特性阻抗 2 声强和声强级 声强 单位时间内 声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量 用符号I表示 单位 W m2 声强级 某点的声强I与参考声强I0的比值取常用对数再乘以10的值 单位也是分贝 补充知识 分贝dB 测量证明 人耳对3000赫兹的声波最敏感 只要这个频率的声强达到I0 10 12瓦 米2 就能引起人耳的听觉 声强级就是以人耳能听到的这个最小声强I0为基准规定的 并把I0 10 12瓦 米2的声强规定为零级声强 也就是说这时的声强级为零分贝 当声强由I0加倍为2I0时 人耳感到的声音强弱并没有加倍 只有当声强达到10I0时 人耳感到的声音强弱才增大一倍 这个声强对应的声强级为10分贝 当声强变为100I0时 人耳感到的声音强弱增大2倍 对应的声强级为20分贝 当声强变为1000I0时 人耳感到的声音强弱增大3倍 对应的声强级为30分贝 依此类推 人耳能承受的最大声强为1瓦 米2 1012I0 它对应的声强级为120分贝 注 10分贝 1贝尔 声功率 单位时间内 声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量 用W表示 单位为瓦 W 为了简便 将20Hz 20kHz的可闻声分为若干较小的频段 即频程或频带 每个频程以它的中心频率f0称呼 f0和上截止频率fu 下截止频率fl 以及带宽B之间的关系为 n 1 1oct n 2 1 2 oct n 3 1 3 oct n 10 1 10 oct 3 声功率和声功率级 声功率级 指所讨论的声功率W与参考声功率W0的比值取常用对数再乘以l0的值 以LW表示 单位 分贝 即 4 倍频程 倍频程 频率比为21 n的两个频率之间的频段称为1 n倍频程 octave 如 相对带宽B f0为常数 带宽B随f0按一定比例增加 5 噪声评价数 噪声对人耳的影响与声音的强度和频率均有关 国际标准化组织于1961年提出了噪声评价数NR 它是由一系列每隔5dB一条的曲线所组成的 如图 在这一系列曲线上1000Hz声音的声压级等于噪声评价数NR 二 噪声的主观评价参数 1 响度与响度级 响度 不仅取决于声音的强度 还与声音的频率及波形有关 响度的单位 宋 sone 宋 sone 频率为1000Hz 声压比听阈声压大40dB的声音的响度定为1sone 并规定声音的声压级再每升高10dB 响度增加一倍 即声压级40dB为1sone 50dB为2sone 60dB为4sone等 响度级 国际标准化组织1936年决定采用1000Hz纯音作为标准参考纯音 调节1000Hz纯音的声压级 使它和所研究的声音听起来一样响 则这个1000Hz纯音的声压级就是该声音的响度级 单位为方 phon 如 一个声音听起来和声压级为80dB 频率1000Hz的标准纯音一样响 则该声音的响度级为80phon 利用与基准声音比较的方法 可以得到整个可听频率范围内的纯音的响度级 即所谓等响曲线 如图示 图中每一条曲线都是由声压级不同 频率不同 但具有相同响度级的声音对应点所组成的连线 图上各等值曲线上的数字表示声音的响度级phon 图中虚线是听阈曲线 为3phon 120phon是痛阈曲线 注意1 以sone为单位的响度和以phon为单位的响度级都是人们对于纯音的主观反应 两者的关系如下 此式仅适用于纯音或窄带噪声 响度 注意2 对于一般常见的宽带噪声 史蒂文斯 Stevens 提出了一种响应指数计算方法 计算步骤如下 2 计权声级 从等响曲线出发 采用某种电气网络对不同频率的声音信号实行不同程度的衰减 使得测量仪器的读数能近似地表达人耳对声音的响应 这种网络称为频率计权网络 常用一种特殊的滤波器电路来实现 通过计权网络测得的声压级 叫做计权声压级 简称为声级 1 对噪声进行倍频程分析 测出倍频程声压级 2 按图12 38查得相应的响度指数 3 按下式计算出总响度 史蒂文斯 Stevens 响应指数计算方法的步骤如下 A计权声级 是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性 B计权声级 是模拟55dB到85dB的中等强度噪声的频率特性 C计权声级 是模拟85dB以上的高强度噪声的频率特性 三者的主要差别 对噪声低频成分的衰减程度不同 A衰减员多 B次之 C最少 它们分别近似地模拟了40phon 70phon 100phon三条等响曲线 由于B和C两种声级表征人耳主观特性不明显 近年已逐渐不用 D计权 专为指示飞机飞过时的噪声烦恼程度而设计的 E计权 根据史蒂文斯的响度计算方法作出的 也叫耳朵计权 SI计权 根据韦柏斯德尔 Webster 关于噪声的语言干扰评价作出的 计权曲线的频率特性是以1000Hz为参考计算衰减 故所有曲线均重合于1000Hz处 3 等效连续声级 1 车床主轴箱噪声的频谱分析 Leq也是计算日夜平均声级LDN和噪声污染级LNP的基础 因为这个指标的主要用途是评价听力损失发病率 故得到各国和国际上的广泛承认 用来表达随时间变化的噪声的等效量 其数学表达式为 三 声源识别中的信号分析 声源识别是研究噪声控制 以及设备诊断技术的基础 对于作往复运动 或旋转运动 的机械 一般都可以在它们的噪声频谱信号中找到与线速度 或转速 和系统结构特性有关的纯音峰值信息 这个信息可以用来识别噪声源 某车床的噪声最大点在主轴箱后壁处 用精密声级计在该点测得主轴箱各级转速下的声压级 发现正转900rpm和反转250rpm时的声压级最高 对车床主轴箱在这两种转速情况下的声压级作谱分析 分析系统如图12 40所示 图12 41中 a 是900rpm时的噪声谱图 b 是250rpm时的噪声谱图 图12 40噪声谱分析 机械设备的噪声根源 主要是机械零件受到冲击 摩擦和交变应力等的作用 引起振动而产生 据此 将主轴箱内传动系统各传动件的回转频率 啮合频率 上下边频与噪声谱中的颇率进行对照 便可发现引起噪声的基本原因 表12 6为各峰值频率与对应传动件运动频率的关系 分析 从表中数据可见 1 主轴箱噪声成分以运动频率为主 频谱图上各主要峰值频率随主轴转速变化 2 峰值所对应的频率成分与轴 齿轮 轴承等运动件的啮合频率 回转频率有关 3 以固有频率为特征的噪声成分 在频谱图上不明显 正转900rpm时 传动链中有4对齿轮的啮合频率相同 为619Hz 其高次边频为499Hz 正好与谱图上的主峰值500Hz相吻合 说明噪声与这四对齿轮有关 另外测量时发现 当转速为710rpm 也由于有4对齿轮啮合 且频率相同 其噪声声压级仅次于900rpm时的值 而当转速为1400rpm 因无相同啮合频率的齿轮工作 噪声低于900rpm时的值 进一步说明噪声源来自箱内啮合频率相同的几个齿轮副啮合产生的共振 结合表面振动速度的测量法 将主轴箱后壁分为128个小方格 8 16 在每个小格内用加速度计测取振动信号 得到振动速度最大区域如图中的阴影部分 从箱体结构看 它们分布在主轴箱后壁支承筋板的两边 说明齿轮的振动通过箱内支承筋板带动箱体后壁振动 而箱体后壁较薄 面积大 筋板少 与齿轮啮合频率发生共振时产生高的噪声 故这点的噪声较高 2 用倒频谱分析法剔除回声 声音具有与光一样的反射性质 在声音的传播过程中 遇到反射物即产生回声 回声与原始声波发生混合形成混响声 声源识别要求剔除回声的影响时可采用倒频谱分析技术 由理想的平坦反射表面所产生的回声与原始信号混合后 得到 回声能量衰减系数 回声的延迟时间 功率倒频谱 可见 回声在倒谱中为一系列脉冲函数 剔除这些脉冲 就可以剔除回声的影响 例 用精密声级计测试一台车床的噪声 车床在室内的空间位置如图 测试过程中没有加任何隔声和消声装置 因此床头箱的噪声通过箱壁散发出来后 由空气传播到声级计 同时还被地面 左墙 后墙和天花板壁反射后形成回声 回声也进入声级计 这样声级计接收到的信号是一个混响信号 为剔除回声的影响 对信号作倒谱分析 信号的功率倒频谱如图 分析 由床头箱A面散射出来的噪声 经地面反射再到声级计 路线 与直接传播到声级计的路程差约为1m 近似取声音在空气中传播速度为330m s 路线 噪声的回声延迟时间 同样 床头箱A面 B面 C面发出的噪声 经后墙 左墙 天花板的反射回声延迟时间 2 3 4分别为9 6ms 14 4ms和19 4ms 图12 44中倒频率 时间 轴上这四处有明显的脉冲峰值 若剔除这几点的信号 再作信导的功率谱分析 则可以得到噪声的真实功率谱 对于数字信号剔除这几点的值 可以在计算机运算时 对这几点采用冲零办法实现 3 用互功率谱测量声强 声强是一个矢量 有指向性特征 同时表示声流能量 测量声强的意义 可不需要消声室 混响室等特殊声学环境 来进行声源定位 声功率 材料的吸收系数和透射系数等一系列声学测量 利用信号分析技术中FFT算法 根据声强与声压信号互谱之间的关系 应用声场中二定点声压的差分近似求声速原理 进行近场和远场双话筒声强测量是近几年声学信号处理方面的新发展 声强可写成 式中 SpV f 为r点的pr和Vr的互谱密度函数 这样 声强测量就变为寻求互谱SpV f 的问题 如果在距声源r处 如图所示安装相距为 r的两个传声器 对于传声介质 如空气 的动力学是线性的 各向同性的 无粘性和无介质流动情况 所测生源随机信号是稳定的和各态历经的 在生源及话筒之间再无其他生源存在 则声强可以用两个传声器所测声压p1 p2互谱的虚部来表示 即 为了减少差分误差 r应小于最小波长或k r 1 k 2 f c f为所测频率 c为声波在空气中的传播速度 式 12 27 一般声强测量 必须要两个传声器 并按一定要求排列 这种双传声器的组件称为声强探头 4 用自功率谱测量表面声强 表面声强测量 则是通过一个固定在声源外振动表面上的加速度传感器和一个与它靠近的传声器 分别