大学物理-机械振动

机械工程实验教学中心,机械振动和噪音的测量,机械工程实验教学中心,实验目的,掌握机械振动和噪声的测量系统的构建及测试方法。掌握机械振动和噪声的测量所需的各类传感器和仪器的使用。,机械工程实验教学中心,实验设备,计算机、数据采集信号调理单元、加速度传感器、实验台、压电加速度传感器、振动计、1/3倍频程滤波器、声级计,机械工程实验教学中心,实验原理,振动 机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。,机械工程实验教学中心,在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。,实验原理,机械工程实验教学中心,振动加速度标准差与分贝数的对应关系为： 9.8(m/s2)=60(dB) 公式为： 60=20lg/0 0=103/9.8(m/s2) (dB)=6.12+2lg(m/s2) -振动加速度标准差对应的分贝数，dB,实验原理,机械工程实验教学中心,测量参数 主要有速度、加速度、位移。 在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。 传感器 测量元件主要类型有压电式、电阻式、电容式、光纤式、激光多普勒式等。 压电式、电阻式、电容式、光纤式为接触式，而电涡流、激光式为非接触式。 电阻式、电容式、光纤式测试信号的频带宽为低频信号，下限截止频率可到0Hz。 压电式和激光式测试信号的频带宽为中高频信号。 传感器按测量参数不同可分为：位移电容式、电涡流式、激光式；速度激光式、加速度压电式,实验原理,机械工程实验教学中心,实验原理,机械工程实验教学中心,噪声 声音是大气压上的压强波动，这个压强波动的大小简称为声压，以 p表示，其单位是Pa（帕）。从刚刚可以听到的声音到人们不堪忍受的声音，声压相差数百万倍。显然用声压表达各种不同大小的声音实属不太方便，同时考虑了人耳对声音强弱反应的对数特性，用对数方法将声压分为百十个等级，称为声压级。声压级的定义是：声压与参考声压之比的常用对数乘以20，单位是dB（分贝）。其表达式为：式中， p为声压是参考声压，它是人耳刚刚可以听到的声音值得注意的是两个声压级或多个声压级相加不是 dB的简单算术相加，是按照对数的运算规律相加。,实验原理,机械工程实验教学中心,Sound Content,机械工程实验教学中心,传感器 传声器是把声压信号转变为电压信号的装置，也称之为话筒，它是声级计的传感器。常见的传声器有晶体式、驻极体式、动圈式和电容式数种。 动圈式传声器由振动膜片、可动线圈、永久磁铁和变压器等组成。振动膜片受到声波压力以后开始振动，并带动着和它装在一起的可动线圈在磁场内振动以产生感应电流。该电流根据振动膜片受到声波压力的大小而变化。声压越大，产生的电流就越大，声压越小，产生的电流也越小。 电容式传声器主要由金属膜片和靠得很近的金属电极组成，它实质上是一个平板电容。金属膜片与金属电极构成了平板电容的两个极板，当膜片受到声压作用时，膜片便发生变形，使两个极板之间的距离发生了变化，于是改变了电容量，位测量电路中的电压也发生了变化，实现了将声压信号转变为电压信号的作用。,实验原理,机械工程实验教学中心,电容式传声器是声学测量中比较理想的传声器，具有动态范围大、频率响应平直、灵敏度高和在一般测量环境下稳定性好等优点，因而应用广泛。由于电容式传声器输出阻抗很高，因而需要通过前置放大器进行阻抗变换，前置放大器装在声级计内部靠近安装电容式传声器的部位,实验原理,机械工程实验教学中心,电容式传声器结构,实验原理,机械工程实验教学中心,放大器 目前流行的许多国产与进口的声级计，在放大线路中都采用两级放大器，即输入放大器和输出放大器，其作用是将微弱的电信号放大。输入衰减器和输出衰减器是用来改变输入信号的衰减量和输出信号衰减量的，以便使表头指针指在适当的位置，其每一档的衰减量为10dB。输入放大器使用的哀减器调节范围为测量低端（如0到7OdB），输出放大器使用的衰减器调节范围为测量高端（如70到120dB）.输入和输出两个衰减器的刻度盘常做成不同颜色，目前以黑色与透明配对为多。由于许多声级计的高低端以70dB为界限，故在旋转时要防止超过界限，以免损坏装置。 为防止输入给放大器的信号超过正常工作的动态范围，造成波形畸形太大，一般在放大器中安装过载指示灯。如果过载，要及时处理，以免测量误差太大。如果输入放大器的过载指示灯单独闪亮，这是提示你要改变衰减器量程，如果输出放大器的过载指示灯单独闪亮，这是提示你测量不准确，而且示值小于真实值。这样的测量结果应在读数中加以注明。,实验原理,机械工程实验教学中心,计权网络 为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为与听感近似值的网络，这种网络叫作计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声压级（叫线性声压级），而是经过听感修正的声压级，叫作计权声级或噪声级。 计权网络一般有A、B、C三种。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计权声级是模拟高强度噪声的频率特性。三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度，A衰减最多，B次之，C最少。A计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感特性，因此是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种，B、C已逐渐不用。,实验原理,机械工程实验教学中心,从声级计上得出的噪声级读数，必须注明测量条件，如单位为dB，且使用的是A计权网络，则应记为dB（A）检波器和指示表头 为了使经过放大的信号通过表头显示出来，声级计还需要有检波器，以便把迅速变化的电压信号转变成变化较慢的直流电压信号。这个直流电压的大小要正比于输入信号的大小。 根据测量的需要，检波器有峰值检波器、平均值检波器和均方根值检波器之分。峰值检波器能给出一定时间间隔中的最大值，平均值检波器能在一定时间间隔中测量其绝对平均值。除了象枪炮声那样的脉冲声需要测量它的峰值外，在多数的噪声测量中均是采用均方根值检波器。,实验原理,机械工程实验教学中心,声学人耳的等响曲线,机械工程实验教学中心,均方根值检波器能对交流信号进行平方、平均和开方，得出电压的均方根值，最后将均方根电压信号输送到指示表头。指示表头是一只电表，只要对其刻度进行一定的标定，就可从表头上直读出噪声级的dB值。声级计表头阻尼一般都有“快”和“慢”两个档。“快”档的平均时间为0.27s，很接近于人耳听觉器官的生理平均时间；“慢”档的平均时间为1.05s。当对稳态噪声进行测量或需要记录声级变化过程时，使用“快”档比较合适，在被测噪声的波动比较大时，使用“慢”档比较合适。为适应测量现场的需要，声级计一般都备有三脚支架，以便视需要将声级计固定在三脚支架上。,实验原理,机械工程实验教学中心,实际测量中，除了被测声源产生噪声外，还有其它噪声存在，这种噪声叫作背景噪声。背景噪声会影响到测量的准确性，需要对结果进行修正。初略的修正方法是：先不开启被测声源测量背景噪声，然后再开启声源测量，若两者之差为 3dB，应在测量值中减去3dB，才是被测声源的声压级若两者之差为45dB，减去数应为2dB；若两者之差为69dB，减去数应为1dB；当两者之差大于10dB时，背景噪声可以忽略。但如果两者之差小于3dB，那么最好是采取措施降低背景噪声后再测量，否则测量结果无效。根据JB3987-85标准的要求选择测点的距离、方向，测出噪声值的最大值为要求值。为消除本底（背景）噪声的影响，所测噪声值应做以下修定：,实验原理,机械工程实验教学中心,测量环境中风、气流、磁场、振动、温度、湿度等因素都会给测量结果带来影响。特别是风和气流的影响。当存在这些影响时，应使用防风罩或鼻锥等测量附件来减少影响。,实验原理,机械工程实验教学中心,振动测量 1）首先调整好仪器，选择恰当的测点（即可能产生振动的位置），测量和记录振动加速度、速度、位移。2）设定信号放大采集系统的参数。灵敏度、量程、放大倍数以及低通（抗混叠）滤波器的下限截止频率。3）打开计算机，启动计算机上的“振动测试及分析”软件；打开信号放大采集系统电源，电源开关在机箱后面；打开功率函数发生器，选择信号波形，频率大小，调整幅度（不使过载灯亮起）。4）选择信号输入的通道号，并且选择适当的采样频率（可根据功率函数发生器上的频率来设定）和采样点数以及硬件增益。点击测试软件上的运行按钮观察振动信号的波形和频谱。采样频率应是被测频率的两倍以上。,实验步骤,机械工程实验教学中心,参考“振动频率”的显示值，选择合适的“数字滤波截止频率”，按下“启动数字滤波器”按钮，观察滤波前后振动信号的波形和频谱的变化情况并记录实验结果。6）尝试输入不同的滤波截止频率，观察振动信号的波形和频谱的变化。7）尝试输入不同的采样频率和采样点数以及硬件增益，观察振动信号的波形变化。8）根椐最合适的参数选择，显示最佳的结果。然后按下“结束按钮，完成信号采集。9）在信号频谱中移动游标，测出振动的峰值，以及振动最大处的频率。并将之与右上角的振动频率相比较，分析原因。10）尝试微调功率函数发生器的输出频率和改变测点的位置，再次进行测量，观察和分析所得到的振动信号和波形和频谱。,实验步骤,机械工程实验教学中心,噪声测量 1） 使用前的准备：从携带箱中取出声级计和倍频程滤波器，推开背面电池盖板，按电池匣内所标极性放入三节一号电池，推回盖板。从小方盒中取出电容传声器，并旋到声级计头部。使长六边形开关置“电池检查”位置，约过 30 秒钟后指示灯发红色微光，由电表指示检查电池电力，电表指针应指示在红线范围内，（如低于红线表示电池电力不足，应更换电池）。将开关放在“快”或“慢”，仪器即能正常工作。2）校正使用活塞发生器校正：使“计权网络”开关放在“线性”位置，透明旋钮（输出衰减器）顺时针旋到底，使旋钮上两条线对准面板上红线、黑色旋钮（输入衰减器）上120dB 刻度对准红线，并在透明旋钮红线之间，开机一分钟后将活塞发声器紧密套在电容传声器头子上，推开活塞发声器开关至“通”位置，活塞发生器产生 124dB土0.2dB 声压级用起子调节电位器，使电表指示出相应声压级读数。关闭并取下活塞发生器。声级计已经准确校正完毕。,实验步骤,机械工程实验教学中心,3） 声级的测量：两手平握声级计和倍频程滤波器两侧，并稍离人身体，传声器指向被测声源。使“计权网络”开关放在“ A ”、“ B ”或“ C ”位置，就可进行声级测量。如此时指针偏转较小，可降低“输出衰减器”的衰减量，而不要去降低“输入衰减器”的衰减量，以免输入放大器过载。例如测量某声音声压级为 9 4dB ，需测量声级（A） ，开关置“A”位置，电表偏转太小，反时针转动“输出衰减器”透明旋钮，例如当两条红线指到“70dB”量程时，电表指示6dB ，测得声级（A）为 70dB十6dB = 76dB (A)。 先测量背景噪声，再对噪声源进行测量。4） 声音的频谱分析和倍频程滤波器的使用：如“3”