机械振动与噪声控制.ppt

机械振动与噪声控制 基本概念声学基础噪声控制阻尼技术隔振理论 振动 物体或质点在平衡位置的往复运动 振动加速度 振动速度 振动位移振动幅值 振动频率噪声 使人感到厌烦的声音 声压级 声强级 声功率级 响度 A计权 第二章声学基础 2 1波动方程与声的基本性质2 1 1理想介质中的声场波动方程理论上静态大气压设定为p0 媒质受声传播扰动后的压强pd这种压强的改变量被定义为声压p声压的大小反映了声波的强弱 声压的单位是Pa 帕N m2 2 1 2声波与声源波阵面 所谓波阵面是指声传播过程中 运动状态在某瞬时完全相同的媒质质点形成的面 声波 平面声波 球面声波和柱面声波等类型 常见声源声一般都是由于物体的振动而产生的 凡能产生声的振动物体统称为声源 所谓声源的振动就是物体在其平衡位置附近进行的往复运动 球面声源一个表面均匀胀缩的脉动球面声源 即其球面沿半径方向作同振幅 同相位的振动 球面振动速度为ua 则在离球心r处向外辐射的声压可以写为方程 当ka 1 即声波波长远大于声源半径a时 有 Q sua 4pa2ua称为声源强度 2 偶极子声源 当两个点声源相距很近 偶极子声源 3 线声源 线声源 4 无限大障板上圆形活塞 无限大障板上圆形活塞 2 2声传播及结构声辐射 1 垂直入射声波的反射和透射 在媒质1中的质点速度根据 在媒质2中的声压值 在媒质1中的声压值 在媒质2中的质点速度 在分界面的声压和速度应当是连续相等的 声压的反射系数rp 透射系数 吸声系数 吸声系数越大表示了声波透射越大 当a 1时 垂直入射声波将从一个媒质完全进入到另一个媒质 只要两个媒质的特性阻抗相同时 垂直入射声波都会有a 1的全透射 当a 0时 表示垂直入射声波将产生全反射 2 3声阻抗 声强及声功率 2 3 1声阻抗 声强和声功率的定义 描述声辐射和声场特性的一个重要概念是声阻抗 对于一个声源来说 如果它的表面振速是u 表面积是S 则uS称为体积速度U 该声源表面声压与声源体积速度之比称为声阻抗Z 声阻抗Z是复数 其实部称为声阻R 虚部为声抗X 声阻抗的实部表示了能量的 损耗 这个损耗表示了声能从一个地方传播到另一个地方 也就是声源对外辐射的过程 开放空间声场 由于体积速度概念变得不很明确 此时通常采用声阻抗率这个概念来描述声场概念 声阻抗率定义为声场中某点的声压值与该点速度的比值 平面声波在媒质中传播时的声阻抗率为 声强和声功率 声场中某点处 与质点速度方向垂直的单位面积S在单位时间内通过的声能称为瞬时声强 对于稳态声场 声强是指瞬时声强在一定时间T内的平均值 对于在自由空间中传播的平面声波 单位时间平均声强可以写为 单位时间平均声功率 2 3 2声压级 声强级 声功率级测量及声谱分析 单位 dB声压级 pe 被测量声压的有效值 pref 参考声压 在空气中参考声压pref为2 10 5Pa 即为正常人耳朵对1kHz的声音刚能听到声压值 声强级 参考声强Iref取为10 12W m2 声功率级 W 测量的声功率的平均值 对于空气媒质 参考声功率W 10 12 瓦 声强级与声功率级之间的关系 声频谱分析在声谱分析中一个常用的分析是倍频程分析 所谓倍频程分析是将连续频率分成一系列相连的频带 当带通频率满足log2 f2 f1 1时称为1倍频程 log2 f2 f1 1 2称为1 2倍频程 log2 f2 f1 1 3称为1 3倍频程 式中f1和f2称为带通滤波器的上下截止频率 2 3 2响度级 等响曲线和响度 人耳能接收声波的频率大约在20Hz到20kHz 响 与 不响 这种感觉同声波的强度和频率密切相关 相同声压级单频率不同的声波 人耳听起来会不一样 为了定量描述声音的这种特性 通常采用1000Hz纯音为标准 定义其声压为响度级 其符号是LN 单位为 方 phon 其它频率的声音响度级通过与1000Hz纯音相比较来确定 计权声级 由于人的感觉受到频率的影响 为了使声音的量度和人的听觉一致 在测试过程中对信号进行了模拟人耳的滤波 该滤波称为计权 根据频响特性的不同 计权分为A计权 B计权 C计权和D计权等 D计权常用于航空噪音的测量 A计权的频率响应与人耳对宽频带的声音灵敏度相当 目前被广泛应用为评价参量 第三章噪声控制 3 1噪声源识别根据噪声源的发声机理通常将噪声分成三类 机械噪声 空气动力噪声和电磁噪声 机械噪声往往由于机械部件的振动 撞击 摩擦 不平衡等造成 空气动力噪声是由于气体流动中的相互作用或与固体间的作用而产生的噪声 电磁噪声则是由于电磁场的交变造成机械部件或空间容积的振动而产生的 1 主观评价法 2 分别运行法 3 覆盖法 4 表面振速测量法 5 信号分析法 6 声强测量法 7 声全息法 3 2噪声的被动控制和主动控制被动控制和主动控制 所谓被动控制指噪声控制过程中除噪声源外没有其它外加能量输入的控制方法 传统的吸声 隔声 消声及隔振等均属噪声被动控制 如果在噪声控制过程中 在噪声源以外 人为加入能量 次级声源或次级力源等 来控制噪声的方法称为噪声主动控制 吸声降噪吸声降噪技术通常分成两类 多孔吸声材料和吸声结构 基于能量的吸声系数 式中是入射能量 是吸收能量 是反射系数 实际吸声量 1 多孔吸声材料 吸声材料是指能够把入射在其上的声能大量吸收的材料 噪声控制工程中常用的吸声材料都是多孔材料 如矿渣棉 石棉 玻璃棉 毛毡 木丝板等 这些材料表面富有细孔 孔和孔之间互相联通 并深人到材料内层 声波容易顺利地透入 当声波进人材料孔隙时 引起孔隙中的空气和材料的细小纤维波动 由于摩擦和粘滞阻尼作用 声能变为热能而耗散掉 多孔吸声材料的吸声特性随声的频率的变化而变化 低频时 由于孔隙中的空气在单位时间内的振动次数少 对声波的衰减作用不大 故吸声系数很低 随着频率的提高 吸声系数逐渐增大 达到某一值后 增加不再明显 同一种多孔吸声材料实际使用中增加吸声材料的厚度 可以提高低 中频的吸声效果 对高频吸声效果几乎没有影响 但厚度增加到一定程度后 效果就变得不明显了 而成本却增加很多 是不经济的 此外如果吸声材料结构设计时增加附加背后空气层也可起到提高中 低频吸声效果的作用 2 共振吸声结构 薄膜共振吸声结构 穿孔板吸声结构 微穿孔板吸声结构穿孔板的穿孔直径减小到1mm以下 则可增加吸声系数 拓宽吸声频带 微穿孔板吸声结构通常指板厚小于1mm的薄板上穿以孔径小于1mm的微孔 穿孔率在1 5 板后面留有5 20mm厚度空气层的吸声结构 微穿孔板吸声结构可以在气流 温度 湿度的大幅度变化的环境中应用 其吸声频带宽度可以达到6 10个1 3倍频程 3 隔声结构 衡量隔声效果的两个重要指标是声强透射系数 简称透射系数 和隔声量 隔声量 1 单层壁的隔声 隔声的 质量定律 若声波以角度入射到壁面上而其它条件不变 则隔声量为 若声波无规入射到壁面上 则隔声量为 2 双层隔声结构 双层壁隔声机理 声波激发起第一层壁振动时 这种振动先传给空气层 再传给第二层壁 然后再向另一侧辐射声能 由于空气层的弹性变形具有缓冲减振作用 使得传给第二层壁的振动大为减弱 从而提高了总的隔声量 但双层隔声结构间的空气会作为弹簧与隔声壁质量发生共振 影响隔声效果 其共振频率可以写为 入射波频率低于共振频率时双层壁的隔声量 入射波频率高于共振频率时双层壁的隔声量 通常双层壁之间空气层厚度增加 隔声量增加 但空气层厚度超过10cm后 隔声量就几乎不再增加 故实用上一般取空气层厚度为8 10cm 双层壁隔声也存在同单层壁一样的吻合效应 若两壁为厚度相同的同种材料时 其吻合临界频率与单层壁相同 可使隔声量明显下降 若两壁采用不同材料或设计成不同厚度时 可便两个单层壁的临界频率互相错开 从而避免出现隔声量低谷过深的吻合效应区域 在双层壁的中间空气层填入适量的吸声材料 可以消除共振及吻合效应对隔声效果的影响一般在壁的中间空气层填充一些内阻较大的材料 如玻璃棉 矿植棉等 这样会吸收声能 进一步提高结构的隔声效果 可以提高结构隔声量 3 消声器 阻性消声器 a吸声材料的平均吸声系数 L是消声器断面周长 S消声器截面有效面积 l指消声器的有效长度 阻性消声器除低频吸声特性不是很好外 还存在一个高频失效问题 当声波频率足够高时 声波波长相对通道截面尺寸很小 此时 声波呈束状通过消声器 很少与吸声材料接触 于是消声性能显著下降 产生这一现象的频率称为上限失效频率fL c0是声速 D为消声器的当量直径 抗性消声器 它主要利用截面突变造成声传播通道的阻抗失配 产生声能的反射 从而达到消声目的 抗性消声器的扩张比 抗性消声器上限失效频率fL 下限截止频率fB S指连接管的截面积 L是连接管的长度 V表示扩张室的体积 第四章阻尼技术 阻尼的影响 阻尼处在形式及数学表达对数衰减率 N个波形峰值平均 阻尼系数 阻尼损耗因子 表面阻尼处理结构设计 一分类 自由阻尼处理 拉压变形耗散振动能量约束阻尼处理 剪切变形耗散振动能量 调谐阻尼器 调谐阻尼器的减振机理 结合动力吸振器和阻尼器的原理 最大限度吸收系统能量并耗散掉 结构类型 调谐阻尼器的动力特性分析 对于稳态振动 周期耗能 相对位移 单自由度系统调谐阻尼