这是噪声和振动的测量分析ppt，包括了振动测量传感器，常用振动测量仪器，动态特性测量系统，噪声测量基础，噪声测量仪器，声功率与声强测量技术等内容，欢迎点击下载。
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PPT内容
机械工程测试技术—— 振动与噪声测量（2）
内容
1、振动测量传感器
2、常用振动测量仪器
3、动态特性测量系统
4、噪声测量基础
5、噪声测量仪器
6、声功率与声强测量技术
重点:掌握振动、噪声的典型测量方法
振动测量标准
19项有关振动与冲击的国家标准，涉及到有关术语、测量仪器、测量方法等
振动测量目的
测量振级与频谱、寻找振源、研究结构的动态特性
研究各种减振理论与方法
振动强度——位移、速度和加速度
研究振动对机械加工精度的影响时，测量位移幅值大小
研究振动功率或振动引起的声辐射时，测量振动的速度
研究振动引起的机械损伤时，测量加速度
测量项目
位移、速度、加速度之间存在着固定的导数关系
位移、速度、加速度测量时有着自己的特殊性
振动传感器
位移传感器
速度传感器
加速度传感器
位移传感器结构：电容式、电感式及电涡流式
涡流式位移传感器
优点：线性范围大、灵敏度高、频率范围宽、抗干扰能力强、不受油污等介质影响以及非接触式测量
传感器测量范围：±0.5mm ～±10mm
速度传感器结构:磁电式速度计
绝对速度传感器
组成：磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼
线圈
壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势
感应电势E=kV，式中k为取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度
速度传感器结构
绝对速度传感器
动态特性
固有频率应该尽可能低，但实现有很大困难
由于结构上的原因，固有频率一般取10～15Hz
工作频率：15～1000Hz
阻尼比：阻尼环产生磁阻尼力（0.5~0.7）
速度传感器结构
相对速度传感器
芯轴——顶杆
壳体——顶杆：相对速度
输出电压：正比相对速度
测量频率：0～1kHz
速度传感器结构
OD9200系列振动速度传感器
频率响应： 5Hz～1KHz（-3dB）
灵敏度：20mV/mm/s ± 5%
幅值线性度：< 3%
使用温度范围：-30℃～200℃
输出极性：浮地输出
速度传感器结构
MTN/1185IC本安型振动速度传感器
速度范围：0－100mm/sec
输出电流：4-20mA
频响：2 Hz ~ 1 kHz ±10 %
绝缘：底座绝缘
速度传感器结构
瓦（壳）振信号调理器
内部积分器、滤波器
信号驱动
输入、输出隔离
输入信号：速度传感器输出
转换I/O精度：±1%,25℃
频响：5Hz-5000Hz
量程：125μm～1000μm
输出：标准信号：4～20mA、-5VDC～+5VDC
加速度传感器结构
加速度传感器有：应变式、压阻式、压电式
应变式
应变效应：外力作用下，金属材料的电阻发生变化
应变式加速度传感器
敏感元件：悬臂梁＋质量块 MaF 使梁弯曲
转换元件：在梁上贴有四个应变电阻，构成应变电桥
转换电路：电桥法测量应变电阻
优点：低频响应好；可测量直流信号（匀加速度）；液体阻尼可消除高频受激振动的影响。
缺点：固有频率大大低于压电式
加速度传感器结构
应变式
传感器
内装IC 应变加速度传感器
量程：±1g
灵敏度：1.4V/g
-0.5dB频响：DC-100Hz
电源：+5/3 （V/mA）
加速度传感器结构
压阻式
压阻效应：外力作用下，半导体材料的电阻发生变化
压阻式加速度传感器
敏感元件：硅梁（弹性元件）＋质量块MaF 使梁弯曲
转换元件：在硅梁的根部有四个扩散电阻，构成应变电桥
转换电路：电桥法测量应变电阻
频率响应高，可达1.5MHz；
体积微型化，外形可小于1mm、耗电少
灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度
无运动部件（敏感元件与转换元件一体）
加速度传感器结构
压电式：压电效应
敏感元件：弹簧、质量
转换元件：压电元件
转换电路：电荷放大器、阻抗变换器
加速度传感器结构
压电式
压电加速度计：电荷发生器，其电荷与加速度成比例，它不能测量零频率振动
优点
尺寸小、重量轻、坚固性好
测量频率范围一般可达1Hz～22KHz
测量加速度范围为0～2000g
温度范围为－150～＋260℃
输出电平为5~72mv/g
缺点: 低频性能差、阻抗高、测量噪声大
加速度传感器结构
压电式
传感器的带宽上限受制于曲线上的共振峰频率限制，即传感器固有频率
传感器的固有频率应该是被测频率的5～10倍
紧固采用的固定件要产生寄生振荡，影响传感器的固有频率
加速度传感器结构
压电式
安装方式
钢柱螺栓连接法：安装频率高
绝缘螺栓加云母垫片
磁座安装：改变测点容易
（温度200℃、加速度200g以内）
粘接剂加粘接螺栓：高频响应差
薄蜡粘结：频响好、不耐高温
手持探针：测量频率低、巡检
加速度传感器结构
压电式
内装IC 压电加速度传感器
内装微型IC-集成电路放大器
低阻抗输出，抗干扰，噪声小
性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量
稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气
振动传感器校准
目的：振动测量的可靠性与精确度
传感器使用一段时间后灵敏度会有所改变(压电材料老化)
测试仪器修理后必须进行全面严格的定标和校准
常用的灵敏度校准方法
绝对法
相对法
振动传感器校准
绝对法
激光干涉仪绝对校准法
方法：将被校准的传感器固定在校准振动台上，用激光干涉测振仪直接测量振动台的振幅，再和被校准传感器的输出比较，以确定被校准传感器的灵敏度
用途：校准加速度计、测量频率响应特性
缺点: 设备复杂，操作和环境要求高，只适合计量单位和测振仪器制造厂使用
振动传感器校准
相对法 (背靠背比较校准法)
方法
振动台上背靠背地（或并排地）地安装：
待校准的传感器T
参考传感器R：经过国家计量部门严格校准过的传感器
承受相同的振动，比较两个传感器的输出，就可以计算出在该频率点待校准传感器的灵敏度
外界干扰影响高精度的校准工作，最好在隔振的基座上进行
2、常用振动测量仪器
测振仪
作用：测量振动信号的峰值、平均值及有效值
类型：在工程中常采用各种台式、袖珍式、数字式和单通道、多通道等各种规格测振仪
特点
配有积分微分电路进行被测量的转换
直接读出位移、速度、加速度等振动量的峰值、峰-峰值、平均值或均方根值
2、常用振动测量仪器
前置放大器
作用
压电式加速度计输出调理
（解决：加速度计的高阻抗输出，小信号输出）
类型：电压放大器和电荷放大器
电荷放大器：其特性基本不受电缆长度的影响
电压放大器：受电缆的影响较大
输入阻抗影响加速度计的低频
——振动测量中常用电荷放大器
2、常用振动测量仪器
频谱分析仪
振动传感器输出是一个复杂信号、多频信号——复杂振动
频谱分析仪是专门对信号频率分布进行分析处理
分析仪器
带通滤波器
频率分析仪: 模拟式、数字式
信号处理设备：A/D+软件
2、常用振动测量仪器
频谱分析仪
2、常用振动测量仪器
实例分析
电机振动测量
频谱图
振源分析
振动测量分类：
现场测量：对机械运行状态进行检测
振动信号仅仅反映出在正常工作状况下被测系统运行情况
实验室测量：了解机械动态特性
表征被测系统的对振动激励的响应程度
人为地给系统施加一定的振动激励
同时测量出激励和响应信号，可得到其间的相对大小及相位关系——系统的动态特性。
动态特性测量框图
激励方式
稳态正弦激励
随机激励
瞬态激励
激励生成
瞬态激励：往往是利用专用的脉冲锤产生激励力
稳态正弦激励与随机激励
信号发生器发出所需的信号
功率放大器放大
推动专用的激振器产生力信号
脉冲激励
脉冲锤：简单，方便，激励能量相对较小
锤头垫材料刚度越高，激励的脉宽就越窄，频带也就越宽，能量分布在较宽的频域上
锤体质量与力的大小有关
稳态正弦激励与随机激励
稳态正弦激振
对被测对象施加一个幅值稳定的单一频率的正弦激振力
优点：激振功率大，信噪比高，能保证测试精确度
缺点：需要很长的测试周期
随机激励
宽带激励的方法：信号源——白噪声或伪随机信号发生器。
激振力频谱只在一定频率范围内保持常数（功放和激振器通频带）
优点：可实现快速甚至“实时”测试；
缺点：设备复杂，价格昂贵
激振器：电动式、电磁式和电液式
稳态正弦激励与随机激励
电动式激振器
使用时注意：最好使顶杆通过一只力传感器去激励试件
稳态正弦激励与随机激励
电动式激振器
使用：激振器的能量尽量用于试件上
高频激励时：激振器都用软弹簧或橡皮绳悬挂起来，应有足够的悬挂长度,并可加上必要的配重 ，使悬挂系统固有频率低于激振频率1/3以下。为了产生一定的预加载荷，需要斜挂一定角度
低频激振时：将激振器刚性地安装在地面或刚性很好的架子上，让安装的固有频率比激振频率高3倍以上
稳态正弦激励与随机激励
测量传感器
阻抗头：同时给出同一个点动态加速度和力的传感器
机械阻抗：响应加速度/激振力
8770A5型阻抗头
量程 灵敏度 频率范围
加速度 ±5g 1000 mV/g 1Hz ~ 4kHz
力 ±5Ib 1000 mV/Ib
4、噪声测量基础
噪声
物理定义——大量频率和相位各异的声音复合而成的无序合声
生理感受——一种与人体有害的声音，它已成为主要公害之一
（机械）振动体在弹性介质中传播的声波
频率范围：20Hz～20kHz
人的听觉
噪声测量目的
分析噪声产生的原因——降低或消除噪声
评估环境
4、噪声测量基础
主要物理参数
声压级
声压：声波在物体上产生压力p（单位帕Pa=1N/m2）
正常人耳：可听到的最弱声压为2x10－5 Pa——基准/听阀声压
感觉疼痛的声压为20 Pa——痛阀声压
听阀——痛阀声压数量相差甚远——100万倍
测量：声音器（电容、压电、电动），信号幅值变化巨大
声压合成：n个互不相关的声源
4、噪声测量基础
主要物理参数
声压级
声压级：噪声强弱采用声压的对数表示，即
基准声压po取听阀声压2x10－5 Pa
声压级单位：分贝（dB）
听阀——痛阀声压的噪声强弱为：0～120dB
环保控制噪声 60dB
合成：
4、噪声测量基础
主要物理参数
声强级
声强：声场中单位时间内通过单位面积的能量I（单位W/m2）
正常人耳：感受到声强范围10－12 ～ 1 W/m2
听阀——痛阀声强数量相差甚远
声强是个矢量：与指定方向垂直的单位面积的声能量
鉴别声源、判定它的方位
测量：传播方向上的声压和质点振动速度乘积的平均值
（T为声波周期）
4、噪声测量基础
主要物理参数
声强级
声强级：噪声强弱采用声强的对数表示，即
基准声强Io取听阀声强10－12 W/m2
声强级单位：分贝（dB）
听阀声强级为：0dB； 痛阀声强级为：120dB
普通谈话声的声强级 65dB
4、噪声测量基础
主要物理参数
声功率级
声功率：声源在单位时间内辐射出的总能量W（单位W）
注意：积分面不含声源时，结果为0
声功率级：相对于基准声功率W0的对数
基准声功率W0取10－12 W
声功率级是反映声源发射总能量的物理量，且与测量位置无关，因此它是声源特性的重要指标之一 。
4、噪声测量基础
主要物理参数
声功率级
测量：无法直接测量
通过间接测量声压级来得到
声场中半径为R的球面上多点声压pi的平均值为：
自由声场中，声功率级
仅半球方向传播的声功率级
（相当于开阔地面或半消声室）
4、噪声测量基础
噪声级的合成
声场中若有n个互不相关的声源，其声压各自为pi
总声压、总声压级
总声功率级
工程中，常利用两个噪声源的声压级之间差值来求得总声压级值
L=Lx+△L （ Lx噪声源中较大的一个声压级， △L为附加增值）
4、噪声测量基础
背景噪声的扣除
背景噪声：在噪声测量时，即使所测量的声源停止发声，环境也存在着一定的噪声，称之为背景噪声、本底噪声
工程意义：只有从测量结果L中扣除背景噪声△L后，才能得到所考察噪声的正确声压级值Lx
Lx=L-△L
由上表可以看出
若被测噪声源的声压级高于本底噪声的10dB，则可忽略其的影响
若两者相差小于３dB，则测量结果无效——被背景噪声淹没
4、噪声测量基础
噪声的频谱测量
为了找出噪声产生的原因，必须知道噪声的频率分布特性
机 床：电机噪声、齿轮啮合噪声、轴承噪声频率不同
内燃机：燃烧噪声、机械噪声、排气噪声频率不同
噪声频谱的测量技术
频谱分析仪:声压信号的谱分析
频带声压级:某频带(频程)中的声压级
常用带宽：倍频程、 1/3倍频程
倍频程：频带的上限频率比下限频率高一倍，简称倍频程
1/3倍频程：一个倍频程划分为3个频程，每个频程为1/3倍频程
4、噪声测量基础
4、噪声测量基础
噪声的主观评价——计权声压级——声级机
人耳对声音所感觉的强度取决于：
声压大小
声音的频率
响度/响度级：将频率和声压级统一起来的可以反映主观感觉的量
响度S ：人耳判别声音强度大小的量，单位宋（sone）
1 sone:频率1000Hz、声压级40dB的平面行波的强度
响度级LS：单位是方（phon）
4、噪声测量基础
噪声的主观评价
等响度曲线——人耳
不同频率对应不同声压级
低频区：需要强度大
中频区：需要强度小些
计权声压级
从等响度曲线出发，在声测量仪器中添加频率计权网络，使得仪器的输出能近似地表达人耳对声音响度的感觉
4、噪声测量基础
噪声的主观评价
A、B、C计权网络
A计权较好地模仿了人耳对低频段(500Hz以下)不敏感、对1000～5000Hz敏感的特点
在噪声测量中，使用最广泛的是A声级，国际上已把A声级作为评价噪声的主要指标
C计权已淘汰
B计权平值——总声压级
常用噪声测量仪器
是以声级计（计权声压级）为核心的噪声测量系统
主要组成设备
传声器
声级计
频谱分析仪
校准仪
传声器
传声器是将声信号转换为相应的电信号的传感器
类型：电容、压电、驻极体等
电容传声器——最常用的传声器
声压金属膜片振动后极板可变电容＋直流极化电压＝电信号
优点：灵敏度高，频率响应平直、固有噪声低
缺点：在较大湿度下，极板间容易放电并产生电噪声
声级计
测量声级
配合多种辅助仪器，进行频谱分析、记录噪声的时间特性等
特点：体积小，重量轻、操作简单等特点，适用于现场测量
组成
声级计
SL-5858多功能声级计（多功能噪音计）
标准：GB/T3785，IEC651 2型，ANSI S1.4 2型
功能：SL, Leq(等效声级)
计权：A, C, Linear, Filter
测量范围：
A计权: 30～130dB
C计权: 35～130dB
线 性: 35～130dB
时间特征：快,慢
直流输出：0～2V
分辨率：0.1dB
准确度：1dB
电源：1节9V 6F22电池
声级计
分类
以测量精度区分
Ο型声级计:实验室标准
Ⅰ型声级计:精密型声级计
Ⅱ型作为普通声级计
Ⅲ型则为一般调查用
以测量信号的性质区分
一般声级计：测量平稳噪声，如持续行的
脉冲声级计：测量脉冲噪声，如枪炮、冲压机械、锤打声
积分声级计：测量在一定时间内的等效连续声级
校准
活塞发声器法
能产生一种标准声源，指标为：
频率为250Hz±2%， 声压级为124dB的声音，声压级精度为±0.2%
声级校准器法——精度较活塞发声器低
一种标准声源 ，指标为：
频率为1000Hz±2%，声压级为94dB的声音，声压级精度为±0.3dB
噪声的常规测量——声级计
以测量噪声的声压或声压级为基础的——最大缺点是测量结果深受环境的影响和限制
噪声的其它测量
80年代起，国际上倾向于用声功率来描述声源
新的噪声测量方法——声强测量法
声功率测量
噪声源声功率的测量
自由场法：可忽略边界影响、均匀的各向同向的媒介中的声场
混响室法：声传输中遇到边界要反射，与发射声在能量上要重叠
现场测量法
现场测量——工业上的测试
绝对法/包络法：在假想的测量表面的若干个传声器位置上，根据需要测得声压级，再算成声功率级
比较法：把被测声源和标准声源相比较
当产品附近有许多反射面，本底噪声有时不能忽略时，这种方法也就不合适
声功率测量——现场测量绝对法
声强测量
声强：矢量——声传播方向
数值——单位面积上的声功率
测量：声压p容易测量，质点振动速度v无法直接测量
质点振动速度与传播方向上声压梯度的积分成正比
声场R处的声强为：
Im{Gab（f）}为声压信号Pa（t）和Pb（t）间的单边互功率谱的虚部，ρ为空气密度，ω为角频率
声强测量
声强测量仪：带有一个专用的声强探头
声强的用途
声强的测量可用来鉴别声源和判定它的方位，可以画出声源附近声能流动的路线
利用声强的测量在有背景噪声的情况下测量声源的声功率
作业
作业汇总
1-3，1-5，1-6，1-7；2-4，2-7(1)，2-8，2-9；3-1，3-2，3-4，3-6，3-10；4-1，4-4，4-7，4-9；5-1，5-5，5-7，5-11，5-12，5-13；6-1，6-5，6-8，6-10，6-12，6-13
综合大作业
结合工程实际或生活所见必须独立完成一个工程测试系统的自主设计，其中测试对象和测试方法不限，并鼓励有创新性的设计
设计作业的完整性和创新性
