機(jī)器設(shè)備噪聲測試的新方法--振動(dòng)法測噪聲

一.引言

　　對機(jī)器設(shè)備噪聲測量zui通常的方法是用聲級計(jì)進(jìn)行聲壓級測量，然而在不少場合，這種人們十分熟悉的方法卻顯得無能為力。例如：在正在運(yùn)行的多臺機(jī)器的機(jī)房里，需要測定各臺機(jī)器的噪聲時(shí)；或者要在生產(chǎn)成品的流水線上逐臺檢測每臺產(chǎn)品的噪聲時(shí)，都會由于其他聲源的影響以及反射聲的傳入使得聲級計(jì)無法顯示被測產(chǎn)品直接輻射的噪聲。隨著科技的發(fā)展，人們自然想到了聲強(qiáng)法。但是目前聲強(qiáng)法的測試儀器較貴，而且測試又較復(fù)雜，仍處于研究階段。于是，人們對聲波的測試開展了振動(dòng)法的研究。希望通過測量機(jī)器表面振動(dòng)量的方法來確定機(jī)器所輻射的噪聲量，通常稱為空氣噪聲的振動(dòng)測試法。多年理論分析和應(yīng)用研究的結(jié)果表明，這是一種十分簡便而有效的方法。在十分惡劣的環(huán)境條件下，幾乎可以不受環(huán)境噪聲和反射聲的影響，用一種特殊計(jì)權(quán)的測振儀就可通過測定機(jī)器表面的振動(dòng)量，來確定其噪聲輻射值。目前這種方法已成功地用于生產(chǎn)實(shí)際。

　　采用測振法在生產(chǎn)現(xiàn)場測試產(chǎn)品的噪聲是在其他方法都無法簡便、迅速、經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確的解決產(chǎn)品現(xiàn)場噪聲檢測的情況下而提出的。西德、美國等國家開展此項(xiàng)技術(shù)研究已有多年了，德國BBC公司花費(fèi)了十幾馬克研究振動(dòng)法，并成功地將此項(xiàng)技術(shù)用于接觸器的現(xiàn)場噪聲檢測上。美國經(jīng)過多年的研究，已在*MIL標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用振動(dòng)法測定微電機(jī)的噪聲。ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織已公布了測振法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件。

　　我國是在七十年代末期開始探討測振法的。經(jīng)過十多年的試驗(yàn)研究，明確了要得到振動(dòng)法的實(shí)際應(yīng)用，必須解決如下6個(gè)方面得到技術(shù)問題，即：（1） 必須獲得各機(jī)電產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率指數(shù)曲線；（2） 必須解決按聲源尺寸變化的輻射效率指數(shù)曲線制成儀器的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線；（3） 必須解決儀器的校準(zhǔn)及分貝量的基準(zhǔn)值；（4） 必須確定各機(jī)器表面振動(dòng)的關(guān)鍵測點(diǎn)；（5） 必須解決空氣動(dòng)力噪聲疊加及修正問題；（6） 對于"流水線"上的檢測還必須解決簡化測點(diǎn)的問題。

　　通過對電機(jī)、電器、電冰箱的試驗(yàn)研究，解決了上述問題，并研制成了相應(yīng)儀器。

　　VIB-4電腦振動(dòng)噪聲測量儀，就是屬于此種儀器。

二.基本原理

　　聲音是機(jī)械振動(dòng)的結(jié)果，當(dāng)物體出現(xiàn)聲頻范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，就會使周圍介質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)，從而以聲波的形式向外輻射聲音。聲波的輻射實(shí)質(zhì)上就是機(jī)械振動(dòng)波能量傳遞的過程，所以，對振動(dòng)聲輻射研究的前提，首先是波的形式問題。

　　對于一個(gè)無限大平面板振動(dòng)時(shí)所輻射的聲波應(yīng)該是平面波，在理想的平面波聲場中聲強(qiáng)是均勻的，任何一處的聲強(qiáng)有效值與該處的聲壓有效值、振動(dòng)速度有效值之間的關(guān)系是較為簡單的線性關(guān)系，即： 式中 I -- 聲強(qiáng)W/m2 　　 V -- 振動(dòng)速度m m/s 　　 P -- 聲壓 Pa 　　 PC -- 聲阻抗 瑞利（聲歐）

　　如果臨近平板介質(zhì)與平板一起振動(dòng)，則平面的振動(dòng)速度可以看成臨近介質(zhì)的聲波振動(dòng)速度，由此可以直接得到近場聲強(qiáng)，或聲強(qiáng)級，從而算出聲功率級。

　
然而實(shí)際機(jī)器的振動(dòng)卻很少是平而波，從遠(yuǎn)場來看，很多尺寸不大的機(jī)電產(chǎn)品可以近似地看成是按球面波的形式向外輻射噪聲。所以對球面波的理論分析更接近實(shí)際。

　　顯然，對一個(gè)脈動(dòng)球所輻射聲波的聲強(qiáng)，除與振動(dòng)強(qiáng)度（V）有關(guān)外，還是波數(shù)（頻率和聲速的函數(shù)）、聲源尺寸的函數(shù)，也與脈動(dòng)球的振動(dòng)形式m有關(guān)，另外還反映了振動(dòng)聲的輻射效率問題。實(shí)際機(jī)器的振動(dòng)情況是比較復(fù)雜的，但只要能找到輻射效率曲線。根據(jù)公式就可得到聲強(qiáng)級（LI），再按測得聲強(qiáng)級所在面的面積可算出聲功率級Lw。

三.實(shí)際輻射效率的確定

　　任何一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)行后所輻射的噪聲都是來自于多個(gè)振源并具有較寬的頻率特征，絕大多數(shù)機(jī)電產(chǎn)品都是多個(gè)振源在各種頻率下振動(dòng)的綜合，整體振型很復(fù)雜，所以，使純理論的推導(dǎo)難以進(jìn)行。再加之機(jī)器表面近場又與遠(yuǎn)場的噪聲會有較大差異，因而使理論上推導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品的輻射效率指數(shù)更為困難。

　　然而大量的試驗(yàn)結(jié)果也反映了機(jī)電產(chǎn)品的振動(dòng)與聲學(xué)特性確實(shí)有較強(qiáng)的規(guī)律性。首先是輻射聲場的規(guī)律性，在一定遠(yuǎn)場（測試方法標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的距離）條件下，小尺寸產(chǎn)品都具有球面聲波輻射的特征，即使較大尺寸的產(chǎn)品所測結(jié)果都能與遠(yuǎn)場測試結(jié)果一致。所以。它們的噪聲輻射規(guī)律可以歸于脈動(dòng)球的聲輻射類型之中。對電機(jī)的模態(tài)分析結(jié)果可很清楚地看到，在單一模態(tài)頻率下，電機(jī)的振動(dòng)很近于脈動(dòng)球，只是大多都按二階和三階振型振動(dòng)。

　　對電機(jī)、電器、電冰箱進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，以求取這些產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率指數(shù)，試驗(yàn)研究程序大致這樣進(jìn)行：（1） 按不同尺寸結(jié)構(gòu)選擇系列的典型樣機(jī)，如電機(jī)從80到280機(jī)座都有，冰箱幾種容積結(jié)構(gòu)都有。（2） 在樣機(jī)（電機(jī)、電冰箱、電器）的表面上確定有代表的振動(dòng)區(qū)和相應(yīng)的典型測點(diǎn)，如電機(jī)有6~7個(gè)點(diǎn)；電器有4~5個(gè)點(diǎn)；冰箱則是29個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)測點(diǎn)上按1/3倍頻程（有33個(gè)頻段）及A計(jì)權(quán)測定表面頻帶振動(dòng)級及A計(jì)權(quán)振動(dòng)級，同時(shí)，按和我國標(biāo)準(zhǔn)的消聲室精密法的標(biāo)準(zhǔn)測定各樣機(jī)的1/3頻帶聲功率級和A計(jì)權(quán)聲功率級，一般稱此為消聲室的聲壓級測定方法。（3） 將表面振動(dòng)測定結(jié)果與消聲室內(nèi)遠(yuǎn)場聲壓級方法測得的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（按1/3倍頻帶及A計(jì)權(quán)）以求取各種產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率曲線。

　　經(jīng)過對十多萬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，我們得到了很有規(guī)律的10lgσ曲線，如圖1所示。圖中輻射效率指數(shù)曲線（曲線1、2、3）與大量實(shí)測值的相關(guān)性很強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)三種產(chǎn)品都在0.9以上，電機(jī)為0.998，電器為0.989，電冰箱為0.903，充分顯示了機(jī)電產(chǎn)品實(shí)際輻射效率的規(guī)律性。也證明了用測量機(jī)電產(chǎn)品表面振動(dòng)來確定其噪聲功率級的可行性。


幾種電產(chǎn)品實(shí)際輻射效率指數(shù)曲線圖中：

曲線0、1（實(shí)線）分別為脈動(dòng)球0階及1階振動(dòng)時(shí)的輻射效率指數(shù)曲線；

　　　曲線2（點(diǎn)劃線），為電機(jī)的輻射效率指數(shù)曲線

　　　曲線3（雙劃線），為電器的輻射效率指數(shù)曲線

　　　曲線4（虛線），為電冰箱輻射效率指數(shù)曲線

比較幾條曲線可見，電機(jī)zui接近脈動(dòng)球的曲線，幾乎介于0階與1階理論曲線之間，從電機(jī)的模態(tài)振型分析也可以證實(shí)其相似性。

四.實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

　　按照圖1的實(shí)際輻射效率指數(shù)曲線制成計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，加入測振儀的放大線路中，再增加聲級計(jì)中規(guī)定的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。這樣測振儀就可以直接測得各產(chǎn)品的噪聲級了。由于在求取曲線時(shí)，是表面振動(dòng)級與遠(yuǎn)場求得的噪聲功率級之間關(guān)系得到的，所以曲線中已引入了對近場測試的修正。所以，由于這種加入計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的測振儀測得的表面振動(dòng)速度平均值,加上表面積對數(shù)的十倍，就可以作為該產(chǎn)品遠(yuǎn)場噪聲功率級，對應(yīng)不同尺寸的聲源，輻射效率指數(shù)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是可按尺寸大小調(diào)節(jié)的。這樣，振動(dòng)噪聲檢測儀的應(yīng)用范圍更廣了。

　　應(yīng)用這種儀器，對幾種產(chǎn)品驗(yàn)證測試：

　　對比測試基礎(chǔ)是以在精密級半消聲室內(nèi)用相應(yīng)產(chǎn)品的國標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行聲功率級測定計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。用振動(dòng)法測定機(jī)器聲功率級可以有兩種狀態(tài)，一種是在消聲室內(nèi)相同運(yùn)行狀態(tài)下對比測試，另一種則是生產(chǎn)線上現(xiàn)場振動(dòng)法測定結(jié)果與消聲室聲壓法測定結(jié)果比較。

　　實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算表明測振法測定機(jī)器聲功率級與在消聲室內(nèi)用聲壓法的測定結(jié)果有很強(qiáng)的相關(guān)性和較高的精度。幾種產(chǎn)品驗(yàn)證測試的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算結(jié)果列入表1，表1振動(dòng)法與消聲室聲壓法測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算表 產(chǎn)品類別 兩方法相關(guān)系數(shù)r 兩方法平均差 兩方法差的標(biāo)準(zhǔn)偏差σn-1 電 機(jī) 0.999 0.015dB 0.65dB 電 器 0.996 -0.53dB 0.9dB 冰 箱 0.892 0.67dB 0.98dB

　　實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)果足以證明振動(dòng)法的生命力和可推廣性。如果其他各類產(chǎn)品都能得到相應(yīng)的實(shí)際輻射效率指數(shù)曲線那么測振法的應(yīng)用范圍將會更加寬廣。

　　從批量隨機(jī)抽樣的驗(yàn)證結(jié)果還證明，振動(dòng)法的測試精度是可以保證的，而且還相當(dāng)高。當(dāng)然，主要決定于實(shí)際輻射效率曲線的求取規(guī)律性是否很強(qiáng)，是否準(zhǔn)確。

　　振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免空氣噪聲測試時(shí)由于背景聲和反射聲造成的影響，所以，對于現(xiàn)場噪聲控制時(shí)，可以在幾臺機(jī)器同時(shí)運(yùn)行的情況下，分別測定各臺機(jī)器的噪聲，并進(jìn)行分析。因此，也適用于電機(jī)的負(fù)載噪聲測量。特別是負(fù)載噪聲的測試方法今后將以差值疊加法為發(fā)展方向，使振動(dòng)法的應(yīng)用更為有利。相信進(jìn)一步的應(yīng)用會更加證明這種方法的*性。