热能与动力工程测试技术 第4版 课件 第11、12章 振动测量、噪声测量

11.1概述11.2振动测量的基本原理11.3测振系统概述11.4经典振动参数测量11.5模态测量11.6振动测量应用实例《热能与动力工程测试技术》·第4版第11章振动测量产生的原因：由于不平衡质量的存在，在运转中会出现交变的不平衡惯性力和力矩，产生振动。描述振动的主要参量：频率、振幅、相位振动测量的参量：位移、速度、加速度11.1

概述第11章振动测量机械振动的分类（1）从产生振动的原因来分：自由振动：系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动受迫振动：系统在持续的外作用力激励下的振动自激振动：没有外激励作用的情况下，由系统自身激发所产生的一种振动，简称自振11.1

概述第11章振动测量（2）从产生振动的规律来分：简谐振动：物体运动时,离开平衡位置的位移(或角位移)按余弦(或正弦)的规律随时间变化复合周期振动：两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合而成瞬态振动：在极短时间内仅持续几个周期的振动随机振动：没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系11.1

概述第11章振动测量测振仪模型一般可简化为由惯性元件质量m和弹性元件弹簧k组成，并悬挂在刚性的刚体上，框架安置在被测振动体上，并随振动体振动。设振动体的振幅为x1,m的振幅为x2，则m相对于框架的振动为x2-x1。如忽略阻尼，质量m振动的微分方程为11.2振动测量的基本原理第11章振动测量测振仪的固有频率ω02=k/m，并设x1=X1sinωt，微分方程可写为上述方程的解为x2=[(X1ω02sinωt)/(ω02-ω2)]sinωt11.2振动测量的基本原理第11章振动测量可以求得质量和框架间的相对运动幅值X为

当ω/ω0远大于1时，这时振动体的频率ω远大于测振仪的固有频率ω0，则X约等于-X1

，即质量和框架间的相对运动幅值，近似为框架的振动幅值。这样就可以测出振动体的幅值，一般称这类仪器为位移计。

11.2振动测量的基本原理第11章振动测量当ω/ω0极小时，则有

X≈(1/ω02)X1ω2

式中X1ω2为被测振动体的加速度幅值，即测振仪所测得的读数X和被测振动体的加速度成正比。故可利用这种测振仪作振动加速度的测量，一般称这类仪器为加速度仪。11.2振动测量的基本原理第11章振动测量1.测振系统组成测振系统通常由能够感知振动参数并将其转换成适当物理量的传感器、信号处理和放大、记录分析和显示以及数据处理等设备组成。常用的测振系统有：机械测振系统、电子测振系统以及光学测振系统，其中，机械测振系统的使用日益减少。11.3测振系统概述第11章振动测量（1）电子测振系统将被测的振动量通过传感器转换成电量或电参量，经电测系统放大、处理、信号变换，将振动量显示或记录下来，或通过分析、计算、实时处理等，把衡量振级参数的时间历程和频率谱以数字或图形的方式记录和绘制出来。电子测振系统由于其灵敏度高、频率范围和动态线性范围宽，便于分析和控制，是目前应用最广泛的测振系统。但该系统易受电磁场的干扰。11.3测振系统概述第11章振动测量（2）光学测振系统利用读数显微镜、光杠杆和光干涉、激光多普勒效应等，记录并放大振动量或拍摄反映振动全貌的振型，如激光全息照片。特点：不受电磁场的干扰，测量精度高，适用于对质量小及不易安装传感器的振动体作非接触精密测量。此外，它还用于对传感器、测振仪的标定或校验。11.3测振系统概述第11章振动测量2.测振传感器测振传感器，也称拾振器，是指能够感知振动参量(位移、速度和加速度)并将其转换成适当物理量的传感器。根据参考坐标的设定，分为绝对式即惯性传感器和相对传感器。绝对式传感器安装在试件上，以大地为参考基准；相对式传感器安装在参考坐标的支架上。根据被测量的参数，又可分为振动位移、振动速度和振动加速度传感器。11.3测振系统概述第11章振动测量3.信号放大器放大器是测试系统中传感器与记录仪的中间环节，其输入特性必须满足传感器的要求，其输出特性必须与记录仪相匹配。（1）电压放大器电压放大器的作用是把压电传感器的电荷变成电压，再进行放大，并将压电加速度计的高输出阻抗变成低输出阻抗，以便于主放大器连接。目前，通用的电压放大器的放大倍数甚小，主要起阻抗变换作用，故又称为阻抗变换器。11.3测振系统概述第11章振动测量（1）电压放大器

实际上，Ri与Ra的阻值很大，相应的R值也较大。电压放大器输入电压的最大值可写为：

式中，D——压电晶体的压电系数；F——作用于压电体上的周期力。其中Cc随着连接电缆的长度变化。若加长电缆，则灵敏度下降。加速度计-电缆-电压放大器电路等效电路11.3测振系统概述第11章振动测量（2）电荷放大器电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比例，它是一个具有电容负反馈的高输入阻抗的高增益运算放大器。电荷放大器的优点如下：①电荷放大器的输出电压与连接电缆的长度无关。②电荷放大器的低频截止频率取决于反馈网络参数。实际设计中，为使运算放大器工作稳定，常跨接一电阻Rf。电荷放大器的下限频率为，因此可以降低下限频率，最低可达0.003Hz。电荷放大器的缺点是对电路器件要求高、造价高。加速度计—电荷放大器等效电路11.3测振系统概述第11章振动测量1.振动位移传感器（1）电感式传感器由于由弹簧支承的惯性质量和与被测对象相连壳体上的电磁体间的气隙发生变化，导致线圈周围的磁通发生变化而产生感应电动势。电感式传感器原理图及记录波形11.4经典振动参数测量第11章振动测量

电容式传感器11.4经典振动参数测量第11章振动测量（3）电涡流式传感器涡流式位移传感器是一种非接触式测振传感器，其基本原理是利用金属体在交流磁场中的涡流效应。涡流传感器可分为高频反射型和低频反射型两种。高频反射型涡流传感器低频反射型涡流传感器11.4经典振动参数测量第11章振动测量涡流传感器具有频响宽、线性测量范围宽、体积小、抗干扰能力强、安装使用方便、能长期连续稳定地工作和非接触测量等优点，探头可在水、油等介质中工作。利用这种变换原理，可构成多种传感器。11.4经典振动参数测量第11章振动测量（4）激光位移传感器激光与普通光相比，具有四项突出的优点。①高相干性②高方向性③高单色性④高亮度因此，激光被广泛地应用于长距离、高准确度的位移测量。在工程测试中，激光还可以用于长度、位移、速度、转速、振动和工件表面缺陷的检测等。11.4经典振动参数测量第11章振动测量激光干涉法测距原理根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，并且有相同频率、相同振动方向或振动方向之、间夹角很小的光相互交叠，就会产生干涉现象，激光干涉仪利用这个原理，使激光束产生明暗相间的干涉条数，这些条纹由光电转换元件转换为电信号,经处理后,由计数器计数,即可实现对位移量的检测。11.4经典振动参数测量第11章振动测量双频激光干涉仪双频激光干涉仪是一种新型的激光干涉仪，基本原理如图所示，它利用光的干涉原理和多普勒效应(此处指由于振源相对运动而发生的频率变化的现象)产生频差的原理来进行位移测量。11.4经典振动参数测量第11章振动测量（5）光纤式传感器光纤传感器的基本原理是：光源经光纤送人调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化而成为被调制的信号光，信号光再经过光纤送入光探测器、调节器而获得被测参数。光纤传感器的组成11.4经典振动参数测量第11章振动测量（5）光纤式传感器在振动位移测量中，应用最广的是振幅调制光纤式传感器，其工作原理是：当光纤由于振动而导致变形时，传输特性也会发生变化。例如将光纤制成一个u形结构。光纤两端固定，中部可感受振动运动量，当振动发生时，输入光将受到振幅调制而在输出光中反映出来，通过测量输出光的变化可以检测振动量。振幅调制光纤式传感器11.4经典振动参数测量第11章振动测量

电磁式传感器原理图1-磁铁2-平弹簧3-支柱4-底座5-框架11.4经典振动参数测量第11章振动测量（2）多普勒效应振动传感器这种传感器属于光纤传感器的一类，是一种非接触式传感器，它可以用来测量高频小振幅的振动，当振动物体的振动方向与光纤的光线方向一致时，测知反射光的频率变化，即可测知振动速度。多普勒效应振动传感器11.4经典振动参数测量第11章振动测量3.压电式加速度传感器原理是利用压电元件，如钛酸钡、锆钛酸铅、石英晶体等，在振动时受到惯性质量对其施加交变的压力而输出交变电荷（称为压电效应）的原理来测量振动的，其电荷输出量与振动加速度成正比。由于压电式传感器灵敏度高、频率范围宽，结构尺寸小和质量轻，目前这类传感器应用最广。但它受温度、湿度等影响较大，需和高阻抗前置放大器配用。压电式传感器11.4经典振动参数测量第11章振动测量1.模态测量基本原理在模态测量中，为了测得机械系统的动态特性及其参数，可以通过机械系统在正常工作状态下的激励与响应的测试而获得。以某种激励作用在被测对象上，使之产生受迫振动，测出输入（激励）和输出（响应）的信息，从而确定出被测系统的固有频率、阻尼比以及振动形态等动态特性参数，进而寻求系统的最优参数及其匹配。对于一般的线性振动结构，考虑阻尼作用和外激振力，运动方程可以描述为：11.5模态测量第11章振动测量

11.5模态测量第11章振动测量

如图，在节点2上施加外力，同时测量各个节点的位移响应，可以计算得到频响函数的第二列。然后依次激励各个节点的自由度，同时测量各个节点的位移响应，可以计算得到整个频响函数矩阵。11.5模态测量第11章振动测量

11.5模态测量第11章振动测量2.激振器在进行动力机械振动特性参数测试或对测振仪（传感器）进行标定时，需要对被测零件或传感器进行激振，此时必须使用激振器。（1）电磁激振器电磁振动台是最常用的一种激振器，它由振动台和电气控制系统两大部分组成。电磁振动台结构图1-磁缸2-压电晶体传感器3-台面4-弹簧片5-消磁线圈6-振动线圈7-励磁线圈8-输出引线9-阴极输出器11.5模态测量第11章振动测量

（a）（b）电动式激振器简图1-顶杆2-片弹簧3-动圈4-磁极板5-永磁体6-中心磁场7-壳体8-励磁线圈11.5模态测量第11章振动测量（3）电液式激振器电液激振器实际上就是液压激振器。在这种装置中，利用液压原理进行功率放大以产生很大的激振力。优点：可以模拟实际载荷进行试验，因为它可以在加静载荷的同时又加动载荷，更接近实际工况；可以产生较大振幅。11.5模态测量第11章振动测量（4）脉冲锤脉冲锤是进行试件模态测试时的激振源，是一个有力传感器的敲击锤（或称脉冲锤），其结构示意图如图所示。进行试件模态测试时，使用该锤敲击试件，它对时间的作用力并不是一个理想的脉冲信号，而是近似半正弦波。脉冲锤和典型的脉冲输入11.5模态测量第11章振动测量有效频率范围取决于脉冲持续时间。锤头垫硬脉冲持续时间越小，频率范围越大，使用适当的锤头垫材料可以得到要求的频带宽度。改变锤头配重块的质量和敲击加速度，可以调节激振力的大小。不同材料锤头自功率谱图11.5模态测量第11章振动测量1.试件模态测量一般地说，基本测试系统应该包括以下三个方面内容：（1）激励设备，如力锤或者激振器；（2）传感系统，主要为加速度传感器，用以测量激励的响应；（3）信号采集和分析设备，用于采集激励和响应的信号，并提取我们所需的信息。频响函数测试系统示意图11.6振动测量实例第11章振动测量2.配气机构振动测量配气机构模拟测试试验台示意图11.6振动测量实例第11章振动测量加速度、位移测量结果第11章振动测量第11章振动测量《热能与动力工程测试技术》·第4版思考题1.试述振动测量的主要参数。2.从测振基本原理出发，说明位移计和加速度计的主要区别。3.测振系统分那几类及其特点？4.试述电动式测振仪的类别及选择原则和使用应考虑那些问题。5.常用的激振器有那些？它们的特点和应用场合是什么？6.什么是加速度传感器的安装谐振频率？它与传感器的固有频率之间有何关系？12.1噪声测量的基本声学概念12.2声级计算12.3噪声的评定12.4噪声测量技术12.5噪声测量仪器《热能与动力工程测试技术》·第4版第12章噪声测量声音：人的听觉器官对空气压力波的主观感觉。噪声（客观）：无规律组合的不同频率和不同强度的声音。噪声（主观）：一切对人的工作和生活有影响的的声音。第12章噪声测量内燃机噪声分类空气动力性噪声：由于气体的非稳定过程而产生的噪声，如进、排气噪声、风扇噪声等；机械性噪声：由于固体振动而产生的噪声，如摩擦、敲击等引起的噪声；电磁性噪声：由于电磁振动(电磁力引起内部零件结构振动)而产生的噪声，如发电机、变压器等产生的噪声；燃烧噪声：气体力引起内部零件结构振动，并向外辐射的噪声。第12章噪声测量声学(Acoustics)：研究声波的产生、传播、接收和效应的科学,关于声音的学问声学的研究方法和物理其他分支有共同之处声信息：未见其人，先闻其声几乎所有的物体可以用声波探测语音是人与人之间交流最有效的手段声信号是诊断机械运行状态的有效手段12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量1.声场：声波传播的空间（1）自由声场（边界完全吸收声波）：允许声波在任何方向作无反射自由传播的空间。（2）半自由声场：声波除仅以地面作为反射面，在其他方向作无反射自由传播的空间。（3）混响声场（边界完全反射声波）：允许声波在任何方向作无吸收传播的空间。（4）半混响声场：边界既不完全反射声波、又不完全吸收声波的空间。12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量

12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量3.声能、声功率、声能流密度和声强声能：声源的振动能量在介质中传播过程中，振动的动能和形变的位能之和声能密度：单位体积的声能声功率：单位时间内声源传播的总声能，或声源在单位时间内辐射的总能量。声能流密度（瞬时声强）：单位时间内通过与能量传播方向垂直的单位面积上的声能，等于相应质点振动速度和声压的乘积：w＝pu声强：声能流密度在一个周期T内的时间平均值。12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量相关声源的声功率：人正常讲话：50

μW100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。

训练有素的歌手：5000-10000μW。

汽车喇叭:0.1W,

喷气飞机:10kW。12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量49声压变化:10-5Pa—102Pa——范围太大，用声压度量声的大小不方便！人耳的感觉特征,即“响度感觉”不正比于强度，而是强度的对数。声级的评估

12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量声压级与声功率级的关系：功率级不能直接测得，可在一定条件下利用声压级进行换算点声源的声功率级与声压级的关系声场类型适用环境关系式备注自由声场全消声室r-离声源的距离(m)t-混响时间(s)t0=1sV-室容积(m3)V0=1(m3)S-室表面积(m2)λ-声波长(m)p0-大气压(Pa)半自由声场半消声室、大房间户外混响声场全反射室声压级的值与声源—测点间的距离及测量环境有关，而声功率级与测点无关，故对于固定式机械设备ISO推荐以声功率级作为噪声的评价量。12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量5.噪声的频谱（1）频程为分析噪声的频率特性和确定噪声源，还需测量噪声强度在频域的分布规律。将声频范围划分为若干个区段，称为频程或频带。频程（频率区段）的划分方法①1倍频程（10个频程）：频带的上下限频率之比为2:1；中心频率31.563125250500100020004000800016000频率范围22

4545

9090

180180

355355

710710

14001400

28002800

56005600

1120011200～12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量②1/3倍频程（10个频程）：对1倍频程三等分；中心频率506380100125160200250310400频率范围45

5656

7171

9090

112112

140140

180180

224224

280280

355355~45012.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量

12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量（3）频谱图以选用的频程中心频率为横坐标，以相应的频程声压级（或声功率级）为纵坐标，所绘制的曲线图。是分析噪声来源及频率特性的基本工具。从右图中可见，在整机噪声中，中、低频部分以柴油机噪声为主，而高频部分则以废气涡轮增压器的噪声为主。图12-2增压柴油机噪声频谱图1-带增压器的柴油机整机噪声频谱2-增压器的噪声估算频谱

3-不带增压器时的柴油机噪声频谱12.1噪声测量的基本声学概念第12章噪声测量

12.2声级计算第12章噪声测量

12.2声级计算第12章噪声测量（4）声压级的分解设有如下关系式经代数运算，可得：12.2声级计算第12章噪声测量

12.2声级计算第12章噪声测量声级平均值测量

12.2声级计算第12章噪声测量1．响度级（考虑人的听觉特性的主观评价值）人的听觉特性：声压级相同但频率不同的两个声源，人的主观感觉是不同的，一般对高频敏感，低频迟钝。考虑到人的上述听觉特性后，响度级定义如下：选取1000Hz的纯音为基准声，如果所测声音听起来与某一声压级的基准声一样响，则该基准声的声压级dB值就是所测声音的响度级，单位为phon（方）。例如，响度级为40phon声音，是指该声音听起来与声压级为40dB、频率为1000Hz的纯音一样响。

12.3噪声评定值第12章噪声测量

等响度曲线：以声音频率为横坐标，声压级为纵坐标，频率与声压级不同，但响度级相同的曲线。描述了各频率下，客观的声压级与主观的响度级之间的关系，可由声音的频率和声压级，查图得到相应的响度级。例如：声压级为60dB、频率为100Hz的声音，查图得到相应的响度级为50phon。12.3噪声评定值第12章噪声测量等响度曲线2．计权声级任一等响度曲线，对各频率f显然有如下关系：响度级(f)=声压级(f)+修正值(f)当噪声不是单一频率，需用计权声级。计权声级：将噪声的各频率成分按某等响度曲线进行衰减后，测得的噪声值。常用有A、B、C三种计权声级，单位为dB。A计权声级：将噪声的各频率成分按40phon等响度曲线进行衰减后，测得的噪声值。特点是主要衰减低频段声音，对中频段也有一定衰减。

12.3噪声评定值第12章噪声测量B计权声级：将噪声的各频率成分按70phon等响度曲线进行衰减后，测得的噪声值。特点是仅对低频段声音有一定的衰减。C计权声级：将噪声的各频率成分按100phon等响度曲线进行衰减后，测得的噪声值。特点是对整个可听频率范围内的声音基本上无衰减。在上述三种计权声级中，A声级能够最好地反映人耳的听觉特性，是目前最常用的噪声表示值。

12.3噪声评定值第12章噪声测量A、B、C网络的衰减曲线

12.3噪声评定值第12章噪声测量

12.3噪声评定值第12章噪声测量ISO3741－3748：声功率测量必须在消声室、半消声室或满足要求的混响室内进行，用传声器在不同的位置测量声压，用规定的公式进行声功率换算：GB/T6881-6882：噪声测量方法及适用的测试环境、声源体积和测量结果。无法在专用测试室进行测试的，可以用声强法进行现场测量：分布测点法和扫描法。

12.4噪声测量技术第12章噪声测量1.声压测量噪声测量中通常利用声-电效应进行声压测定。感应声压变化并实现电信号转换的元件称为传声器。（1）动圈式传声器

12.4噪声测量技术第12章噪声测量这种传声器精度较低，灵敏度也较低，体积大，其突出特点是输出阻抗小，所以接较长的电缆也不降低其灵敏度。磁铁磁铁阻尼罩壳体振膜线圈在声压的作用下，振膜和线圈移动并切割磁力线，产生感应电动势。同线圈移动速度成正比。（2）压电式传声器12.4噪声测量技术第12章噪声测量压电式传声器膜片较厚，其固有频率较低，灵敏度较高，频响曲线平坦，结构简单，价格便宜，广泛用于普通声级计中。壳体绝缘材料输出后板双压电晶体弯曲梁金属膜片静压力平衡管膜片受到声压作用而变位时双压电元件产生变形，在压电元件梁端面出现电荷（3）电容式传声器

12.4噪声测量技术第12章噪声测量振膜厚度在0.0025~0.05mm之间，它在声压的作用下发生变形位移，起着可变电容器动片的作用可变电容器的定片是背级,其上的阻尼孔抑制振膜的共振振幅etRet毛细孔内腔背级振膜阻尼孔绝缘体精密测量中最常用的一种传感器，其稳定性、可靠性、振性，以及频率特性均较好。

12.4噪声测量技术第12章噪声测量dxAB

12.4噪声测量技术第12章噪声测量p-u法声强测量原理1—超声波发射器2—超声波接受器3—传声器3.声功率测量通过测量声压或声强可以确定声源的声功率。声压法对测试环境有相应的要求，而声强法在理论上不受环境噪声的影响，具有更好的现场适应性。但测量过程和结果需结合具体情况进行处理和修正。12.4噪声测量技术第12章噪声测量（1）测量表面和测点布置①声压法测量声功率：②声强法测量声功率12.4噪声测量技术第12章噪声测量

12.4噪声测量技术第12章噪声测量总噪声声压级与背景噪声声压级的差值<3345678910>10修正值K1工程法测量无效1.01.01.00.50.50简测法测量无效3221.01.01.00.50.50

12.4噪声测量技术第12章噪声测量

12.4噪声测量技术第12章噪声测量

12.4噪声测量技术第12章噪声测量

12.4噪声测量技术第12章噪声测量

12.4噪声测量技术第12章噪声测量1.声级计作用：（1）测量噪声级（线性声级，A、B、C三种计权声级）；（2）输出噪声对应的模拟电信号，以便进行记录、采样和信号处理。组成：传声器、放大器、衰减（增益）器、计权网络、指示表头、（滤波器）。

12.5噪声测量仪器第12章噪声测量①传声器②放大器放大传声器的输出信号。③衰减（增益）器控制指示表头的显示量程，每档衰减10dB。④计权网络将噪声的各频率成分按一定特性用模拟电路进行衰减。⑤指示表头与衰减器配合读出噪声级。⑥滤波器按一定频程（一般为1倍频程）对噪声进行滤波。

12.5噪声测量仪器第12章噪声测量精密声级计外形图1—电容传声器2—衰减器3—放大器输出4—指示表头5—滤波器旋钮6—计权网络旋钮7—外接滤波器2.声强测量仪组成：声强探头、信号数字化仪、声强分析模块、

12.5噪声测量仪器第12章噪声测量声强测量仪的系统组成框图3.频率分析仪频率分析仪是用来分析噪声频谱的仪器，主要由带通滤波器和放大器组成，其工作方式是先利用一组带通滤波器将被测噪声中所含的不同频率分量逐一分离，再经内部放大器放大后进行测量。测量结果可从指示表头读出，也可外接信号记录仪直接获取频谱图。

12.5噪声测量仪器第12章噪声测量频率分析仪中的滤波器有1倍频程或1/3