導讀: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)濟和準確的解決產(chǎn)品現(xiàn)場噪聲檢測的情況下而提出的。
機器設(shè)備噪聲測試的新方法--振動法測噪聲
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)濟和準確的解決產(chǎn)品現(xiàn)場噪聲檢測的情況下而提出的。西德、美國等*開展此項技術(shù)研究已有多年了,德國BBC公司花費了十幾馬克研究振動法,并*地將此項技術(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,已在海軍MIL標準中規(guī)定用振動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始探討測振法的。經(jīng)過十多年的試驗研究,明確了要得到振動法的實際應(yīng)用,必須解決如下6個方面得到技術(shù)問題,即:
(1) 必須獲得各機電產(chǎn)品的實際輻射效率指數(shù)曲線;
(2) 必須解決按聲源尺寸變化的輻射效率指數(shù)曲線制成儀器的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線;
(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的關(guān)鍵測點;
(5) 必須解決空氣動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的問題。
通過對電機、電器、電冰箱的試驗研究,解決了上述問題,并研制成了相應(yīng)儀器。
VIB-4電腦振動噪聲測量儀,就是屬于此種儀器。
二.基本原理
聲音是機械振動的結(jié)果,當物體出現(xiàn)聲頻范圍內(nèi)的機械振動時,就會使周圍介質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)振動,從而以聲波的形式向外輻射聲音。聲波的輻射實質(zhì)上就是機械振動波能量傳遞的過程,所以,對振動聲輻射研究的前提,首先是波的形式問題。
對于一個無限大平面板振動時所輻射的聲波應(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W/m2
V -- 振動速度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,則平面的振動速度可以看成臨近介質(zhì)的聲波振動速度,由此可以直接得到近場聲強,或聲強級,從而算出聲功率級。
然而實際機器的振動卻很少是平而波,從遠場來看,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際。
顯然,對一個脈動球所輻射聲波的聲強,除與振動強度(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),也與脈動球的振動形式m有關(guān),另外還反映了振動聲的輻射效率問題。實際機器的振動情況是比較復雜的,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.實際輻射效率的確定
任何一個機電產(chǎn)品運行后所輻射的噪聲都是來自于多個振源并具有較寬的頻率特征,絕大多數(shù)機電產(chǎn)品都是多個振源在各種頻率下振動的綜合,整體振型很復雜,所以,使純理論的推導難以進行。再加之機器表面近場又與遠場的噪聲會有較大差異,因而使理論上推導實際產(chǎn)品的輻射效率指數(shù)更為困難。
然而大量的試驗結(jié)果也反映了機電產(chǎn)品的振動與聲學特性確實有較強的規(guī)律性。首先是輻射聲場的規(guī)律性,在一定遠場(測試方法標準所規(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)律可以歸于脈動球的聲輻射類型之中。對電機的模態(tài)分析結(jié)果可很清楚地看到,在單一模態(tài)頻率下,電機的振動很近于脈動球,只是大多都按二階和三階振型振動。
對電機、電器、電冰箱進行大量試驗研究,以求取這些產(chǎn)品的實際輻射效率指數(shù),試驗研究程序大致這樣進行:
(1) 按不同尺寸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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區(qū)和相應(yīng)的典型測點,如電機有6~7個點;電器有4~5個點;冰箱則是29個點,在每個測點上按1/3倍頻程(有33個頻段)及A計權(quán)測定表面頻帶振動級及A計權(quán)振動級,同時,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(quán)聲功率級,一般稱此為消聲室的聲壓級測定方法。
(3) 將表面振動測定結(jié)果與消聲室內(nèi)遠場聲壓級方法測得的結(jié)果進行統(tǒng)計分析(按1/3倍頻 帶及A計權(quán))以求取各種產(chǎn)品的實際輻射效率曲線。
經(jīng)過對十多萬數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,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)與大量實測值的相關(guān)性很強,相關(guān)系數(shù)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)品實際輻射效率的規(guī)律性。也證明了用測量機電產(chǎn)品表面振動來確定其噪聲功率級的可行性。 幾種電產(chǎn)品實際輻射效率指數(shù)曲線
圖中:曲線0、1(實線)分別為脈動球0階及1階振動時的輻射效率指數(shù)曲線;
曲線2(點劃線),為電機的輻射效率指數(shù)曲線
曲線3(雙劃線),為電器的輻射效率指數(shù)曲
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*接近脈動球的曲線,幾乎介于0階與1階理論曲線之間,從電機的模態(tài)振型分析也可以證實其相似性。
四.實際應(yīng)用結(jié)果
按照實際輻射效率指數(shù)曲線制成計權(quán)網(wǎng)絡(luò),加入測振儀的放大線路中,再增加聲級計中規(guī)定的A計權(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,是表面振動級與遠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,由于這種加入計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的測振儀測得的表面振動速度平均值,加上表面積對數(shù)的十倍,就可以作為該產(chǎn)品遠場噪聲功率級,對應(yīng)不同尺寸的聲源,輻射效率指數(shù)計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是可按尺寸大小調(diào)節(jié)的。這樣,振動噪聲檢測儀的應(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)品的國標或國際標準進行聲功率級測定計算結(jié)果為準。用振動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(nèi)相同運行狀態(tài)下對比測試,另一種則是生產(chǎn)線上現(xiàn)場振動法測定結(jié)果與消聲室聲壓法測定結(jié)果比較。
實際驗證結(jié)果的統(tǒng)計分析計算表明測振法測定機器聲功率級與在消聲室內(nèi)用聲壓法的測定結(jié)果有很強的相關(guān)性和較高的精度。幾種產(chǎn)品驗證測試的統(tǒng)計分析計算結(jié)果列入表1
表1振動法與消聲室聲壓法測定結(jié)果統(tǒng)計分析計算表
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
實際驗證的結(jié)果足以證明振動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。
從批量隨機抽樣的驗證結(jié)果還證明,振動法的測試精度是可以保證的,而且還相當高。當然,主要決定于實際輻射效率曲線的求取規(guī)律性是否很強,是否準確。
振動法的優(yōu)點在于可以避免空氣噪聲測試時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,可以在幾臺機器同時運行的情況下,分別測定各臺機器的噪聲,并進行分析。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,使振動法的應(yīng)用更為有利。相信進一步的應(yīng)用會更加證明這種方法的優(yōu)越性。
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