機器設備噪聲測試的新方法--振動(dòng)法測噪聲

一.引言

對機器設備噪聲測量最通常的方法是用聲級計進(jìn)行聲壓級測量，然而在不少場(chǎng)合，這種人們十分熟悉的方法卻顯得無(wú)能為力。例如：在正在運行的多臺機器的機房里，需要測定各臺機器的噪聲時(shí)；或者要在生產(chǎn)成品的流水線(xiàn)上逐臺檢測每臺產(chǎn)品的噪聲時(shí)，都會(huì )由于其他聲源的影響以及反射聲的傳入使得聲級計無(wú)法顯示被測產(chǎn)品直接輻射的噪聲。隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們自然想到了聲強法。但是目前聲強法的測試儀器較貴，而且測試又較復雜，仍處于研究階段。于是，人們對聲波的測試開(kāi)展了振動(dòng)法的研究。希望通過(guò)測量機器表面振動(dòng)量的方法來(lái)確定機器所輻射的噪聲量，通常稱(chēng)為空氣噪聲的振動(dòng)測試法。多年理論分析和應用研究的結果表明，這是一種十分簡(jiǎn)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，用一種特殊計權的測振儀就可通過(guò)測定機器表面的振動(dòng)量，來(lái)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)現場(chǎng)測試產(chǎn)品的噪聲是在其他方法都無(wú)法簡(jiǎn)便、迅速、經(jīng)濟和準確的解決產(chǎn)品現場(chǎng)噪聲檢測的情況下而提出的。西德、美國等國家開(kāi)展此項技術(shù)研究已有多年了，德國B(niǎo)BC公司花費了十幾馬克研究振動(dòng)法，并成功地將此項技術(shù)用于接觸器的現場(chǎng)噪聲檢測上。美國經(jīng)過(guò)多年的研究，已在海軍MIL標準中規定用振動(dòng)法測定微電機的噪聲。國際ISO標準化組織已公布了測振法標準技術(shù)文件。

我國是在七十年代末期開(kāi)始探討測振法的。經(jīng)過(guò)十多年的試驗研究，明確了要得到振動(dòng)法的實(shí)際應用，必須解決如下6個(gè)方面得到技術(shù)問(wèn)題，即：
（1） 必須獲得各機電產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率指數曲線(xiàn)；
（2） 必須解決按聲源尺寸變化的輻射效率指數曲線(xiàn)制成儀器的計權網(wǎng)絡(luò )曲線(xiàn)；
（3） 必須解決儀器的校準及分貝量的基準值；
（4） 必須確定各機器表面振動(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(wèn)題；
（6） 對于"流水線(xiàn)"上的檢測還必須解決簡(jiǎn)化測點(diǎn)的問(wèn)題。

通過(guò)對電機、電器、電冰箱的試驗研究，解決了上述問(wèn)題，并研制成了相應儀器。

VIB-4電腦振動(dòng)噪聲測量?jì)x，就是屬于此種儀器。

二.基本原理

聲音是機械振動(dòng)的結果，當物體出現聲頻范圍內的機械振動(dòng)時(shí)，就會(huì )使周?chē)�介質(zhì)也發(fā)生相應振動(dòng)，從而以聲波的形式向外輻射聲音。聲波的輻射實(shí)質(zhì)上就是機械振動(dòng)波能量傳遞的過(guò)程，所以，對振動(dòng)聲輻射研究的前提，首先是波的形式問(wèn)題。

對于一個(gè)無(wú)限大平面板振動(dòng)時(shí)所輻射的聲波應該是平面波，在理想的平面波聲場(chǎng)中聲強是均勻的，任何一處的聲強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(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，即：

式中 I -- 聲強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(chǎng)聲強，或聲強級，從而算出聲功率級。

然而實(shí)際機器的振動(dòng)卻很少是平而波，從遠場(chǎng)來(lái)看，很多尺寸不大的機電產(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，除與振動(dòng)強度（V）有關(guān)外，還是波數（頻率和聲速的函數）、聲源尺寸的函數，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(wèn)題。實(shí)際機器的振動(dòng)情況是比較復雜的，但只要能找到輻射效率曲線(xiàn)。根據公式就可得到聲強級（LI），再按測得聲強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)機電產(chǎn)品運行后所輻射的噪聲都是來(lái)自于多個(gè)振源并具有較寬的頻率特征，絕大多數機電產(chǎn)品都是多個(gè)振源在各種頻率下振動(dòng)的綜合，整體振型很復雜，所以，使純理論的推導難以進(jìn)行。再加之機器表面近場(chǎng)又與遠場(chǎng)的噪聲會(huì )有較大差異，因而使理論上推導實(shí)際產(chǎn)品的輻射效率指數更為困難。

然而大量的試驗結果也反映了機電產(chǎn)品的振動(dòng)與聲學(xué)特性確實(shí)有較強的規律性。首先是輻射聲場(chǎng)的規律性，在一定遠場(chǎng)（測試方法標準所規定的距離）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)品所測結果都能與遠場(chǎng)測試結果一致。所以。它們的噪聲輻射規律可以歸于脈動(dòng)球的聲輻射類(lèi)型之中。對電機的模態(tài)分析結果可很清楚地看到，在單一模態(tài)頻率下，電機的振動(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、電器、電冰箱進(jìn)行大量試驗研究，以求取這些產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率指數，試驗研究程序大致這樣進(jìn)行：
（1） 按不同尺寸結構選擇系列的典型樣機，如電機從80到280機座都有，冰箱幾種容積結構都有。
（2） 在樣機（電機、電冰箱、電器）的表面上確定有代表的振動(dòng)區和相應的典型測點(diǎn)，如電機有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計權測定表面頻帶振動(dòng)級及A計權振動(dòng)級，同時(shí)，按國際和我國標準的消聲室精密法的標準測定各樣機的1/3頻帶聲功率級和A計權聲功率級，一般稱(chēng)此為消聲室的聲壓級測定方法。
（3） 將表面振動(dòng)測定結果與消聲室內遠場(chǎng)聲壓級方法測得的結果進(jìn)行統計分析（按1/3倍頻　　　帶及A計權）以求取各種產(chǎn)品的實(shí)際輻射效率曲線(xiàn)。

經(jīng)過(guò)對十多萬(wàn)數據的統計分析，我們得到了很有規律的10lgσ曲線(xiàn)，如圖1所示。圖中輻射效率指數曲線(xiàn)（曲線(xiàn)1、2、3）與大量實(shí)測值的相關(guān)性很強，相關(guān)系數三種產(chǎn)品都在0.9以上，電機為0.998，電器為0.989，電冰箱為0.903，充分顯示了機電產(chǎn)品實(shí)際輻射效率的規律性。也證明了用測量機電產(chǎn)品表面振動(dòng)來(lái)確定其噪聲功率級的可行性。 幾種電產(chǎn)品實(shí)際輻射效率指數曲線(xiàn)
圖中：曲線(xiàn)0、1（實(shí)線(xiàn)）分別為脈動(dòng)球0階及1階振動(dòng)時(shí)的輻射效率指數曲線(xiàn)；
　　　曲線(xiàn)2（點(diǎn)劃線(xiàn)），為電機的輻射效率指數曲線(xiàn)
　　　曲線(xiàn)3（雙劃線(xiàn)），為電器的輻射效率指數曲線(xiàn)
　　　曲線(xiàn)4（虛線(xiàn)），為電冰箱輻射效率指數曲線(xiàn)

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

四.實(shí)際應用結果

按照實(shí)際輻射效率指數曲線(xiàn)制成計權網(wǎng)絡(luò )，加入測振儀的放大線(xiàn)路中，再增加聲級計中規定的A計權網(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(xiàn)時(shí)，是表面振動(dòng)級與遠場(chǎng)求得的噪聲功率級之間關(guān)系得到的，所以曲線(xiàn)中已引入了對近場(chǎng)測試的修正。所以，由于這種加入計權網(wǎng)絡(luò )的測振儀測得的表面振動(dòng)速度平均值,加上表面積對數的十倍，就可以作為該產(chǎn)品遠場(chǎng)噪聲功率級，對應不同尺寸的聲源，輻射效率指數計權網(wǎng)絡(luò )是可按尺寸大小調節的。這樣，振動(dòng)噪聲檢測儀的應用范圍更廣了。

應用這種儀器，對幾種產(chǎn)品驗證測試：

對比測試基礎是以在精密級半消聲室內用相應產(chǎn)品的國標或國際標準進(jìn)行聲功率級測定計算結果為準。用振動(dòng)法測定機器聲功率級可以有兩種狀態(tài)，一種是在消聲室內相同運行狀態(tài)下對比測試，另一種則是生產(chǎn)線(xiàn)上現場(chǎng)振動(dòng)法測定結果與消聲室聲壓法測定結果比較。

實(shí)際驗證結果的統計分析計算表明測振法測定機器聲功率級與在消聲室內用聲壓法的測定結果有很強的相關(guān)性和較高的精度。幾種產(chǎn)品驗證測試的統計分析計算結果列入表1

表1振動(dòng)法與消聲室聲壓法測定結果統計分析計算表

產(chǎn)品類(lèi)別 兩方法相關(guān)系數r 兩方法平均差　 兩方法差的標準偏差σn-1
電 機　　 0.999　　　　　 0.015dB　　　　 0.65dB
電 器　　 0.996　　　　　 -0.53dB　　　　 0.9dB
冰 箱　　 0.892　　　　　　0.67dB　　　　 0.98dB

實(shí)際驗證的結果足以證明振動(dòng)法的生命力和可推廣性。如果其他各類(lèi)產(chǎn)品都能得到相應的實(shí)際輻射效率指數曲線(xiàn)那么測振法的應用范圍將會(huì )更加寬廣。

從批量隨機抽樣的驗證結果還證明，振動(dòng)法的測試精度是可以保證的，而且還相當高。當然，主要決定于實(shí)際輻射效率曲線(xiàn)的求取規律性是否很強，是否準確。

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，對于現場(chǎng)噪聲控制時(shí)，可以在幾臺機器同時(shí)運行的情況下，分別測定各臺機器的噪聲，并進(jìn)行分析。因此，也適用于電機的負載噪聲測量。特別是負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)法的應用更為有利。相信進(jìn)一步的應用會(huì )更加證明這種方法的優(yōu)越性。