【重庆大学机械工程测试技术】7机械振动与噪声检测

1、控制工程与机械装备振动与噪声检测,尹爱军 博士/副教授,2008.9,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 （

2、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,1 检测系统的组成 2 传感器 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 检测系统的组成,分析,简单检测系统(光电池),V,复杂检

3、测系统(轴承缺陷检测),加速度计 带通滤波器 包络检波器,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.

4、光： 亮度，色彩,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。,机械振动测试与分析,主要内容：,1.了解测振传感器的基本结构和原理 2.了解振动测量的工程应用 3.了解振动实验装置,一、 振动测量基础知识,（一）振动的基本参数,幅值：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,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：,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

5、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。,（二）振动测试的重要性与振动的评价,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； 为改善现成的机构或结构的抗振性能，也需测量振动。 风洞实验等(赛车机构设计,飞机),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 ISO 3945 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,振动评价,

6、2）不同的机械装备，其振动测量评价标准不同：,GB-T 11348.1-1999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） GB 6075 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/T 13441.1-2007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,（三）振动的分类,机械振动,按振动产生原因,自由振动 强迫振动 自

7、激振动,按振动系统结构参数分类,按振动的时间规律,按确定振动的独立坐标数分类,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,单自由度振动 多自由度振动 连续弹性体振动,（四）振动测试内容,振动基本参数的测量 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和相位，以判别振动的强度（振级），找出振动根源，加以克服或改进。 结构或部件动态特性的测定（激振实验）,输入,激振力,系统,响应,确定被测件的n、fn、,目的：通过动特性测定，以判定结构的抗振能力 这种试验称为频率响应试验或机械阻抗试验,（五）振动测量分类,测量原理,机械式 适用被测振动频率较低、振幅 较大和精度不高

8、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。,振动测量参考坐标,绝对式 选惯性空间（大地）作 测量时的参考坐标 相对式 选空间动点或不动点作 测量时的参考坐标,（六）一般振动测试系统的组成,振动参数测量系统,被测振动,传感器,中间变换器 预处理电路,振动 分析仪器,显示,频率响应实验测量系统,例：典型机床频响测试系统,在振动测试中要注意两个问题：,1,干扰 振动分析仪器应能在噪声背景下检测出有用的信息。 2,匹配 振动分析仪器中得到的各环节串联而成的整个系统的特征。最理想的各个环节应是 A()=A0 ()=0

9、,（一） 单自由度系统的受迫振动,质量块受力时产生的受迫振动,二、 振动基本模型,力平衡方程式,式中：c 阻尼系数 k 弹簧刚度 f (t) 系统输入 z 系统输出,受力激振时，以位移为响应时的频率响应特性,幅频特性,相频特性,式中 振动系统的阻尼比， 激振力的圆频率 n 振动系统的固有频率，,质量块受力时产生的受迫振动的加速度频响曲线,位移共振频率,位移共振频率 输入为力，输出为振动位移时，幅频特性上幅值最大处的频率rz；,响应是位移的幅频特性：,位移共振频率：,速度共振频率,速度共振频率 输入为力，输出为振动速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率rv。,响应是振动速度的幅频特性：,速度共

10、振频率：,加速度共振频率,加速度共振频率 输入为力，输出为振动加速度时，则系统幅频特性上幅值最大处的频率ra。,响应是振动加速度的幅频特性：,加速度共振频率：,相位共振,从幅频特性上看，当很小，即小阻尼时， rz n ， ra n ，故常采用r作为n的估计值。 从相频特性上看，不管系统的阻尼比时多少，在（/n）=1时位移始终落后于激振力900，这种现象称为相位共振，一般固有频率的估计用相频特性曲线比较准确，因为这段曲线比较陡峭，频率稍有偏移，相位就明显偏移900。,相位共振,（二）由基础运动所引起的受迫振动,力平衡方程式,Z1(t)基础的绝对位移 Z0(t)质量m的绝对位移 Z01(t)质量m

11、对基础的 相对位移 z01=z0-z1,幅频特性、相频特性：,基础受力时产生的受迫振动,基础受力时产生的受迫振动幅频曲线,三、振动的激励与激振器,a、激励方式,稳态正弦激振,瞬态激振,随机激振,（一）稳态正弦激振,逐点正弦激振,单一频率正弦力,系统,稳态响应,幅频特性、相频特性,将响应纪录下来，然后作图,慢速扫频激振,信号发生器采用无极或有极地改变正弦激振力的频率，即频率扫描，这样激振频率随时间而变化，严格讲这是一种瞬态的激振，但采用足够缓慢的扫描速度，使分析仪器有足够的响应时间，使被测对象处于稳定振动状态，这样可近似逐点正弦激振。,（二）随机激振1. 白噪声激振,白噪声的性质： 频谱相当于所

12、有频率成分均有； 自相关函数=0时为陡峭的峰，稍偏离0就很快衰减； 自功率谱密度函数接近于常数。,伪随机激振,用伪随机信号发生器或用计算机产生伪随机码来产生随机激振信号。伪随机信号具有一定的周期性，在一个周期内的信号是随机的，但各个周期内的信号又完全相同。,实际随机激振,（三）瞬态激振 1. 快速正弦扫描激振,式中 a=(fmax-fmin)/T，b=fmin fmax、fmin 信号发生器所供 信号的上、下截 止频率,脉冲激振（冲击激振）,用脉冲锤对被测对象进行敲击，脉冲力信号及各点响应信号经过电荷放大器放大，输入传递函数分析仪，从而得到传递函数的幅值、相位等特性。,阶跃（张弛）激振,激振器

13、对试件施加某种预定要求的激振力，激起试件振动的装置。,对激振器要求： 能在要求的一定频率范围内产生波形良好、幅值足够且稳定的交变力； 有时要求产生一个稳定力； 尽量要求体积小、重量轻。,b、激振器,电动式激振器,电动式激振器,电磁式激振器,电液式激振器,四、测振传感器,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

14、速度有效值作为振动烈度的变量。,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：,常用测振传感器,惯性式测振传感器力学模型,电涡流式位移传感器,电涡流式位移传感器,电涡流式位移传感器,磁电式相对速度传感器,磁电式绝对速度传感器,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器,测振传感器的合理选择,直接测量参数的选择,传感器的频率范围、量程、灵敏度等指标,使用的环境要求、价格、寿命、可靠性、维修、校准等,（一）. 相对式测振

15、,选择结构上的动点或不动点作为测量中的参考坐标。,直接式,接触式 非接触式,跟随式接触式,五、振动测量方法与原理,跟随式相对振动传感器使用条件：,测量过程中顶杆始终与被测对象接触,0预压缩量 n 固有频率 被测振动频率 xm被测振幅,（二）绝对式测振,（惯性式拾振器） 力学模型就是由基础运动引起的受迫振动的模型,当选择参数n、不同时，可以做成振幅计（位移计）、速度计和加速度计,构成振幅计的条件,其幅频、相频特性分别如下：,构成加速度计的条件,其幅频、相频特性分别如下：,构成速度计的条件,其幅频、相频特性分别如下：,C、振动量的测量（振动位移、速度、加速度）,正弦测量系统,动态应变测量系统,频谱

16、分析系统（模拟量、数字量）,D、机械振动参数的估计（固有频率、阻尼比、振型）,多自由度系统的频率特性,（一）自由振动法,的测定,很小时,较大时,n的测定,（二）共振法,系统,作出幅频、相频特性曲线,1.总幅值法从幅频曲线进行估计,（1）估计n,当很小时，,（2）的估计,2.相位共振法利用相频曲线进行估计,从相频曲线=n处的斜率可直接估计阻尼比。,3.分量法根据虚实部频率特性进行估计,六、振动测量分析方法,（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)均值,均值Ex(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。,

17、均方值：,信号的均方值Ex2(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（=m

18、ax|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

19、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,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。,七、 振动测试实例,脉动法桥梁模态测试技术 强迫振动时桥梁振动测试技术 桥梁动挠度信号恢复技术,现场桥梁动态测试技术,桥梁动态

20、测试系统,桥梁动态测试系统硬件组成,桥梁测试数据的分析处理和显示模块的流程图,工字钢梁实验现场测点布置 工字钢梁实验现场仪器设备,三峡覃家沱大桥实验,纵截面图 垂直振动模态检测的测点分布图,覃家沱大桥竖向一阶、二阶模态振型,一阶： 模态频率：1.16Hz 阻尼比：0.00962 二阶： 模态频率：1.962Hz 阻尼比：0.00656,深圳梅林2#、3#人行过街桥实验,振动筛振动测试实验,GW型振动筛动态测试,M1420A万能外圆磨床振动测试与分析（上海）,测点布置,1：砂轮主轴箱上部 2：砂轮主轴箱侧面 3：砂轮架侧面 4：砂轮架上部 5：导轨电机座 6：导轨电机外壳上部,1,2,3,4,5

21、,6,测试现场,现场测试,CKA6136数控车床振动测试与分析（上海）,测试现场,1:主轴,2:导轨,3:刀架,测点布置,现场测试,CM6140普通车床振动测试与分析（上海）,机箱,主轴,导轨,刀架,测试现场与测点布置,现场测试,变速器封闭实验全貌,该实验台主要由液压泵站、冷却系统、调速电机、加载器、传感器、离合器、主试箱和陪试箱等部分组成。,汽车齿轮箱测试分析与故障诊断,16T-180同步器型变速箱封闭实验台现场测试,变速箱封闭实验台油路系统现场测试,石油机械动态测试与分析,测试现场,现场测试,噪声检测与分析,1 机械噪声 2 噪声检测传感器 3 计权与声级 4 噪声频谱分析,当振动作用于易

22、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： 2020kHz，,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

23、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。,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

24、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 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。

25、,(dB),声压级：,0,10,100,1000,10000,20,50,200,500,5000,2000,20000,-10,10,20,-20,-30,-40,-50,-60,-70,A,B,C,频率 Hz,相对响应 dB,A,B,C,A、B、C计权网络幅频特性,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： （

26、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: ,

27、稳态噪声:声压随时间的变化小于5分贝,听阈声压：频率为1000Hz，声压为 Pa（ ,0dB）的纯音 痛阈声压：120分贝,（1）级的叠加,当声场中有两个或两个以上的声源(不相干)存在时，任何一点的声压是所有声源共同作用的结果。,根据声波的线性叠加性，声场中某一点（观测点）的合成瞬时声压pt(t)等于各个声源（不相干）单独作用时该点瞬时声压pi(t)之和。,因为各声源发出的声波是互不相干的，所以有 ：,于是总声压级的均方值为：,从而得到总声压级Lpt为：,式中 Lpi第个声源单独发声时测得的声压级。,当 且 时，总声压级等于较高的声压级加上一个增量,因为：,所以：,于是得到：,（2）级的扣除,

28、在现场进行噪声声压级测量时，测量结果不可避免的会受到周围测量环境的影响。因环境有它的本底噪声（背景噪声），所以，测量所得的结果，实际是本底噪声和声源噪声声压级叠加的结果。为了得到声源声压级的实际大小，必须从测量结果中扣除本底噪声的影响，进行分贝扣除运算。扣除运算可由叠加运算演变而来。,设测得的总声压计为,即,本底噪声的声压级为,即,于是所求声源的声压级为：,（2）级的平均,当需要通过测量声压级来确定声源的声功率或需要确定声场的平均声压级时，就涉及级的平均问题。平均声压级是声场中各测点的均方声压的平均值对应的声压级，即 ：,因为：,所以：,于是得到：,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