【重庆大学机械工程测试技术】7振动与噪声检测与意义

振动与噪声检测 尹爱军博士 副教授 重庆大学 测试中心 2009 3 振动和噪声检测的意义 各种类型的机器 由于多种不平衡力的作用 或大或小总会产生振动和噪声 1 检测设备运行状态 对机器主要部位的振动值进行测定 与标准值进行比较 据此宏观的对机器的运行状态进行评估 2 利用振动噪声信号对故障进行诊断 振动和噪声是大多数机器所共有的故障表现形式 这是设备故障诊断方法中最有效 最常用的方法 统计资料表明 由于振动而引起的设备故障 在各种故障中占60 以上 据国内外报道 用振动的方法可以发现航空发动机故障的34 可以节约70 的维修费用 3 评判振动噪声对环境 人体等 的影响 4 对测得的振动量在时域 频域 时 频域进行特征分析 1 用以确定机器各种故障的内容和性质 2 为进行机械结构的振动分析或振动设计服务 以实现低振级 低噪声的要求 3 改善现成的机构或结构的抗振性能 检测系统振动检测与分析噪声检测与分析虚拟仪器检测分析系统 1检测系统 1 1检测系统的组成1 2传感器1 3调理器 一般说来 检测系统由传感器 中间变换装置和显示记录装置三部分组成 传感器将被测物理量 如噪声 温度 检出并转换为电量 中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A D变换后用软件进行信号分析 显示记录装置则测量结果显示出来 提供给观察者或其它自动控制装置 输入 1 1检测系统的组成 分析 简单检测系统 光电池 V 复杂检测系统 轴承缺陷检测 加速度计带通滤波器包络检波器 1 2传感器 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置 目前 传感器转换后的信号大多为电信号 因而从狭义上讲 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置 传感器由敏感器件与辅助器件组成 敏感器件的作用是感受被测物理量 并对信号进行转换输出 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大 阻抗匹配 以便于后续仪表接入 常见的被测物理量 机械量 长度 厚度 位移 速度 加速度 旋转角 转数 质量 重量 力 压力 真空度 力矩 风速 流速 流量 声 声压 噪声 磁 磁通 磁场 温度 温度 热量 比热 光 亮度 色彩 1 3信号调理器 完成信号的放大 调制 解调 滤波 阻抗变换 量程变换等 将传感器输出的电信号变换成测试分析 记录显示仪器所需要的标准电压 或电流 信号 2振动检测与分析 2 1机械振动的分类2 2振动的表示2 3振动检测传感器2 4振动评价2 5振动测量与分析方法 机械振动 按振动产生原因 按振动系统结构参数分类 按振动的时间规律 线性振动非线性振动 确定性振动 随机振动 简谐振动周期振动非周期振动 自由振动强迫振动自激振动 2 1机械振动的分类 幅值 A 振动强度大小 频率 频谱分析寻找振源 相位 确定共振点 振型测量等 机械振动一般简化为如下简谐振动 2 2振动的表示 描述振动的物理量有位移 速度 加速度等 位移 速度 加速度 三者之间波形相似 频率 周期 相同 幅值和相位发生变化 但有确定的关系 按照物理量分为 位移传感器 速度传感器 加速度传感器 传感器的输出与对应的物理量成正比 为了提高振动测试的灵敏度 在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的传感器 低频振动时一般选用位移 中频振动时一般选用速度 高频一般选用加速度 速度可说是二者的折中 这也是宽带测量中 国际标准2372以振动速度作为参变量的原因 国标以速度有效值作为振动烈度的变量 2 3振动检测传感器 机械式 适用被测振动频率较低 振幅较大和精度不高的场合 光学式 可实现无接触测量 但只能作相对测量 故需良好隔振 电气式 是瞬态 冲击和随机振动等复杂参数的位移测量手段 根据测量原理 1 针对不同的影响对象 其振动测量评价标准不同 对机械设备运行状态的评价 GB10068 1 88旋转电机振动测定方法及限值振动测定方法ISO3945转速从10 200r s大型旋转式机器的机械振动在运行地点对振动烈度的测量和评定 对环境影响的评价 GB10071 88城市区域环境振动测量方法 2 4振动评价 2 不同的机械装备 其振动测量评价标准不同 GB T11348 1 1999旋转机械转轴径向振动的测量和评定 共5部 针对不同类型的旋转机械 GB6075在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 共5部 针对不同类型的非旋转机械 包括大型压缩机的振动测量评价标准 Z振级 振动引起的人体Z方向加速度振动 有效值 的等级 并对不同频率的振动进行了Z计权系数的修正 20 log Armp 1E 6 对人体影响的评价 GB T13441 1 2007机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分 一般要求 1 时域幅值分析 周期T 频率f 1 T 峰值P 双峰值Pp p 峰值 峰峰值 周期 2 5振动测量分析方法 2 均值 均值E x t 表示集合平均值或数学期望值 反映了信号变化的中心趋势 也称之为直流分量 均值 均方值 信号的均方值E x2 t 表达了信号的强度 其正平方根值 又称为有效值 RMS 也是信号平均能量的一种表达 方差 方差 反映了信号绕均值的波动程度 信号x t 的方差定义为 此外还有 峰值因数 峭度 歪度等 有效值 均方根值 Xrms 与峰值判断有效值是振动测量中用的最多的物理量 因其既考虑了振动的时间历程 同时又表征了机械振动能量的大小 国际ISO2372标准中对振动烈度采用有效值来表征振动量级 由于这个值是对时间取平均值的 所以对读磨损这类无规则振动波形的异常 其测定值变动小 虽可给出恰当的评价 但不宜用于对剥落 压痕一类具有瞬变冲击振动异常的判别 此时峰值 max x t 比有效值适用 峰值因数利用峰值因数 C max x t Xrms 进行诊断的优点是不受轴承尺寸 转速 负荷的影响 也不受振动信号绝对水平的影响 但这种方法对磨损这类异常几乎无检出能力 峭度轴承由于磨损 疲劳 腐蚀 断裂 压痕 胶合等因素会使轴承振幅增大 振动谐波增多 高密度区增高 而两旁的低密度区向外扩展 此时利用峭度 4阶距的平方之比 作为诊断特征量将很有效 案例 旅游索道钢缆检测 时域分析与频域分析的关系 2 频谱分析 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况 除单频率分量的简谐波外 很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小 信号频谱代表了信号在不同频率分量成分的大小 能够提供比时域信号波形更直观 丰富的信息 图例 受噪声干扰的多频率成分信号 空气压缩机传动装置分析 左图是一台电机地脚螺栓松动后的谱图 右图是更换正常后的谱图 此外还有 概率密度 概率分布分析法自相关法 互相关法包络解调分析倒谱分析时频分析 时域幅值波形分析简单明了 但分析范围有限 反映的信息量少 一般用于将测量值与标准值做对比 频谱分析可深入分析振动信号的结构 幅度 相位等信息 反映的信息量大 但要求较高 在很多场合 往往是多种分析方法的综合应用 3噪声检测与分析 3 1机械噪声3 2噪声检测传感器3 3计权与声级3 4噪声频谱分析 当振动作用于易于辐射噪声的物体上 如机壳或金属板上时 则激发这些结构产生振动 并发出强烈的噪声 声波的频率f 周期T 波长和声速c的关系是 声频范围 20 20kHz 3 1机械噪声 在机械工程范围内 按照噪声起因的不同 可将其分为以下三类 机械性噪声 因弹性体机械振动而产生的噪声 如齿轮 轴承和壳体振动时发出的噪声 气体动力性噪声 因气体振动而产生的噪声 如风机 内燃机 各种排气口等产生的噪声 电磁性噪声 因电磁振动而引起的噪声 如电动机 变压器等产生的噪声 以声压测量为基础的噪声测量系统 传声器 专用的声学传感器 将瞬时声压信号转换为电压信号 声级计将此电压信号放大 或衰减 加权 A B或C 也可不加权 倍频程滤波 附加 均方根检波和对数转换 最后给出噪声的声压级 计权声级或倍频程声压级 还可以输出与成比例的电压信号供监测 存储和频谱等分析之用 3 2噪声检测传感器 测量传声器是一种专门用于声学测量的传感器 它能在很宽的频率范围内不失真地将瞬时声压信号转换为电压信号 由于传声器在声学测量系统中是拾取噪声信号的第一个环节 故其性能的好坏 将对声测量起着十分重要的作用 理想的测量传声器应该满足以下条件 1 与声波波长相比 传声器的尺寸应当很小 不会对声场产生干扰 2 在声频范围内具有具有良好的频率响应特性 即平坦的幅频特性和零相移的相频特性 3 动态范围宽 传声器应在很宽的动态范围内具有恒定的声压 电压转换灵敏度 4 性能稳定 5 高灵敏度和低的电噪声 根据声压 电压转换原理的不同 传声器分为磁电式 动圈式 压电式和电容式三种 3 3计权与声级 为了模拟人耳的听觉特性 高频声音感觉比较灵敏 低频迟钝 即声压相等而频率不同的声音 听起来是不一样响的 在声测量系统中设置了一种特殊的滤波网络 频率计权网络 噪声信号在通过网络时其频率成分受到加权 使得测量输出能近似表达人耳对声音响度的感觉 这样测量出的声压级称为计权声压级 声级 通常采用A B和C三种计权网络 级 噪声测量中是采用测量值与基准值之比的对数来表示噪声的强弱 声压级 声强级 声功率级 dB 声压级 A计权网络 当信号通过时 其低 中频段 1000Hz以下 有较大的衰减 B计权网络 对信号的低频段有一定的衰减 C计权网络 在整个频率范围内有近乎平直的响应 在实际测量时到底用哪一种计权网络呢 以前 声级小于70dB时用A网络测量 声级大于70dB但小于90dB时用B网络测量 声级大于90dB时用C网络测量 现在 1 A声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响 因此 现在基本上都用A声级来作为噪声评价的基本量 而且如果不另作说明 都是指的A声级 2 C声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用 有时为了判断噪声的频率特性 附带测量C声级 如果A C两种声级基本相同 该噪声特性是高频特性 如果C声级小于A声级 该噪声为中频特性 如果C声级大于A声级 则该噪声为低频特性 3 B声级基本上不用了 在有些声学测量仪器中还具有D计权网络 它主要用于航空噪声的测量 目前 D计权也已不使用 L Z 计权称为不计权 时间平均声级或等效连续声级Leq 昼夜等效声级 声暴露级LAE 3 4频谱分析 噪声的主要特点是 具备一定强度 用声压表示 具有不同频率成分 用频谱表示 机器噪声之所以可以区分就是它们具备了这两个特点的缘故 因噪声的频率范围很宽 1000倍 把每一部机器的所有频率成分的声音的声压一一分析出来 虽然技术上可以办得到 还是比较困难 但并没有太大必要 为了方便 并根据人耳对声音频率变化的反应 人们把可听到的频率范围分成数段 按每段内的声音强度进行分析 可以使用滤波器把一段一段的频率成分选出来进行测量 这种滤波器只能允许一定范围的频率成分通过 其它频率成分被衰减掉 带通滤波器 1 频程分析 频程 带通滤波器的上限频率与下限频率按某个倍数增加 式中 第i个带通滤波器频带的上限频率 第i个带通滤波器频带的下限频率 m 倍频程数 常用的是m 1 1 3 1 12等 各个频带以中心频率表示 频程滤波器是常用的恒百分比带宽滤波器 对低频有高分辨率 窄频带 高频低分辨率 宽频带 适合噪声频率 20Hz 20000Hz 范围的特点 1 频程分析 频程 带通滤波器的上限频率与下限频率按某个倍数增加 式中 第i个带通滤波器频带的上限频率 第i个带通滤波器频带的下限频率 m 倍频程数 常用的是m 1 1 3 1 12等 各个频带以中心频率表示 频程滤波器是常用的恒百分比带宽滤波器 对低频有高分辨率 窄频带 高频低分辨率 宽频带 适合噪声频率 20Hz 20000Hz 范围的特点 GB T3241 1998 等同IEC61260 1995 倍频程和分数倍频程滤波器 标准规定了滤波器的中心频率 频带宽度和衰减特性等要求 倍频程频率范围 风机噪声1 3倍频程频谱 中心频率Hz 频带声压级dB 2 窄带频谱分析 一般只用于对噪声进行分析 频谱的分布 各分量幅值的相对大小 而不做幅值的绝对测量 信号调理器 信号采集器 信号分析仪 偏航角 浆距角 电功率 风速 风向 温度 气压传感器 噪声传感器 谐波分析仪 风力发电机噪声监测 4虚拟仪器检测系统 4 1虚拟仪器检测系统的构成4 2优点 4 1虚拟仪器检测系统的构成 传感器 数据采集器 虚拟仪器系统的构成 测控对象 信号调理器 GPIB仪器 VXI总线仪器 串行接口仪器 并行接口仪器 现场总线设备 振动传感器 力传感器 声学传感器 温度传感器 扭矩传感器 压力传感器 计