机器设备噪声测试的新方法--振动法测噪声

一.引言
　　对机器设备噪声测量最通常的方法是用声级计进行声压级测量，然而在不少场合，这种人们十分熟悉的方法却显得无能为力。例如：在正在运行的多台机器的机房里，需要测定各台机器的噪声时；或者要在生产成品的流水线上逐台检测每台产品的噪声时，都会由于其他声源的影响以及反射声的传入使得声级计无法显示被测产品直接辐射的噪声。随着科技的发展，人们自然想到了声强法。但是目前声强法的测试仪器较贵，而且测试又较复杂，仍处于研究阶段。于是，人们对声波的测试开展了振动法的研究。希望通过测量机器表面振动量的方法来确定机器所辐射的噪声量，通常称为空气噪声的振动测试法。多年理论分析和应用研究的结果表明，这是一种十分简便而有效的方法。在十分恶劣的环境条件下，几乎可以不受环境噪声和反射声的影响，用一种特殊计权的测振仪就可通过测定机器表面的振动量，来确定其噪声辐射值。目前这种方法已成功地用于生产实际。
　　采用测振法在生产现场测试产品的噪声是在其他方法都无法简便、迅速、经济和准确的解决产品现场噪声检测的情况下而提出的。西德、美国等国家开展此项技术研究已有多年了，德国BBC公司花费了十几马克研究振动法，并成功地将此项技术用于接触器的现场噪声检测上。美国经过多年的研究，已在海军MIL标准中规定用振动法测定微电机的噪声。国际ISO标准化组织已公布了测振法标准技术文件。
　　我国是在七十年代末期开始探讨测振法的。经过十多年的试验研究，明确了要得到振动法的实际应用，必须解决如下6个方面得到技术问题，即：
（1） 必须获得各机电产品的实际辐射效率指数曲线；
（2） 必须解决按声源尺寸变化的辐射效率指数曲线制成仪器的计权网络曲线；
（3） 必须解决仪器的校准及分贝量的基准值；
（4） 必须确定各机器表面振动的关键测点；
（5） 必须解决空气动力噪声叠加及修正问题；
（6） 对于"流水线"上的检测还必须解决简化测点的问题。
　　通过对电机、电器、电冰箱的试验研究，解决了上述问题，并研制成了相应仪器。
　　VIB-4电脑振动噪声测量仪，就是属于此种仪器。

二.基本原理
　　声音是机械振动的结果，当物体出现声频范围内的机械振动时，就会使周围介质也发生相应振动，从而以声波的形式向外辐射声音。声波的辐射实质上就是机械振动波能量传递的过程，所以，对振动声辐射研究的前提，首先是波的形式问题。
　　对于一个无限大平面板振动时所辐射的声波应该是平面波，在理想的平面波声场中声强是均匀的，任何一处的声强有效值与该处的声压有效值、振动速度有效值之间的关系是较为简单的线性关系，即：

式中 I -- 声强W/m2
　　 V -- 振动速度m m/s
　　 P -- 声压 Pa
　　 PC -- 声阻抗 瑞利（声欧）
　　如果临近平板介质与平板一起振动，则平面的振动速度可以看成临近介质的声波振动速度，由此可以直接得到近场声强，或声强级，从而算出声功率级。
　　然而实际机器的振动却很少是平而波，从远场来看，很多尺寸不大的机电产品可以近似地看成是按球面波的形式向外辐射噪声。所以对球面波的理论分析更接近实际。
　　显然，对一个脉动球所辐射声波的声强，除与振动强度（V）有关外，还是波数（频率和声速的函数）、声源尺寸的函数，也与脉动球的振动形式m有关，另外还反映了振动声的辐射效率问题。实际机器的振动情况是比较复杂的，但只要能找到辐射效率曲线。根据公式就可得到声强级（LI），再按测得声强级所在面的面积可算出声功率级Lw。

三.实际辐射效率的确定
　　任何一个机电产品运行后所辐射的噪声都是来自于多个振源并具有较宽的频率特征，绝大多数机电产品都是多个振源在各种频率下振动的综合，整体振型很复杂，所以，使纯理论的推导难以进行。再加之机器表面近场又与远场的噪声会有较大差异，因而使理论上推导实际产品的辐射效率指数更为困难。
　　然而大量的试验结果也反映了机电产品的振动与声学特性确实有较强的规律性。首先是辐射声场的规律性，在一定远场（测试方法标准所规定的距离）条件下，小尺寸产品都具有球面声波辐射的特征，即使较大尺寸的产品所测结果都能与远场测试结果一致。所以。它们的噪声辐射规律可以归于脉动球的声辐射类型之中。对电机的模态分析结果可很清楚地看到，在单一模态频率下，电机的振动很近于脉动球，只是大多都按二阶和三阶振型振动。
　　对电机、电器、电冰箱进行大量试验研究，以求取这些产品的实际辐射效率指数，试验研究程序大致这样进行：
（1） 按不同尺寸结构选择系列的典型样机，如电机从80到280机座都有，冰箱几种容积结构　　　都有。
（2） 在样机（电机、电冰箱、电器）的表面上确定有代表的振动区和相应的典型测点，如电　　　机有6~7个点；电器有4~5个点；冰箱则是29个点，在每个测点上按1/3倍频程（有33个　　　频段）及A计权测定表面频带振动级及A计权振动级，同时，按国际和我国标准的消声室　　　精密法的标准测定各样机的1/3频带声功率级和A计权声功率级，一般称此为消声室的声　　　压级测定方法。
（3） 将表面振动测定结果与消声室内远场声压级方法测得的结果进行统计分析（按1/3倍频　　　带及A计权）以求取各种产品的实际辐射效率曲线。
　　经过对十多万数据的统计分析，我们得到了很有规律的10lgσ曲线，如图1所示。图中辐射效率指数曲线（曲线1、2、3）与大量实测值的相关性很强，相关系数三种产品都在0.9以上，电机为0.998，电器为0.989，电冰箱为0.903，充分显示了机电产品实际辐射效率的规律性。也证明了用测量机电产品表面振动来确定其噪声功率级的可行性。 几种电产品实际辐射效率指数曲线
图中：曲线0、1（实线）分别为脉动球0阶及1阶振动时的辐射效率指数曲线；
　　　曲线2（点划线），为电机的辐射效率指数曲线
　　　曲线3（双划线），为电器的辐射效率指数曲线
　　　曲线4（虚线），为电冰箱辐射效率指数曲线
　　比较几条曲线可见，电机最接近脉动球的曲线，几乎介于0阶与1阶理论曲线之间，从电机的模态振型分析也可以证实其相似性。

四.实际应用结果
　　按照图1的实际辐射效率指数曲线制成计权网络，加入测振仪的放大线路中，再增加声级计中规定的A计权网络。这样测振仪就可以直接测得各产品的噪声级了。由于在求取曲线时，是表面振动级与远场求得的噪声功率级之间关系得到的，所以曲线中已引入了对近场测试的修正。所以，由于这种加入计权网络的测振仪测得的表面振动速度平均值,加上表面积对数的十倍，就可以作为该产品远场噪声功率级，对应不同尺寸的声源，辐射效率指数计权网络是可按尺寸大小调节的。这样，振动噪声检测仪的应用范围更广了。
　　应用这种仪器，对几种产品验证测试：
　　对比测试基础是以在精密级半消声室内用相应产品的国标或国际标准进行声功率级测定计算结果为准。用振动法测定机器声功率级可以有两种状态，一种是在消声室内相同运行状态下对比测试，另一种则是生产线上现场振动法测定结果与消声室声压法测定结果比较。
　　实际验证结果的统计分析计算表明测振法测定机器声功率级与在消声室内用声压法的测定结果有很强的相关性和较高的精度。几种产品验证测试的统计分析计算结果列入表1
　　表1振动法与消声室声压法测定结果统计分析计算表

产品类别 两方法相关系数r 两方法平均差　 两方法差的标准偏差σn-1
电 机　　 0.999　　　　　 0.015dB　　　　 0.65dB
电 器　　 0.996　　　　　 -0.53dB　　　　 0.9dB
冰 箱　　 0.892　　　　　　0.67dB　　　　 0.98dB

　　实际验证的结果足以证明振动法的生命力和可推广性。如果其他各类产品都能得到相应的实际辐射效率指数曲线那么测振法的应用范围将会更加宽广。
　　从批量随机抽样的验证结果还证明，振动法的测试精度是可以保证的，而且还相当高。当然，主要决定于实际辐射效率曲线的求取规律性是否很强，是否准确。
　　振动法的优点在于可以避免空气噪声测试时由于背景声和反射声造成的影响，所以，对于现场噪声控制时，可以在几台机器同时运行的情况下，分别测定各台机器的噪声，并进行分析。因此，也适用于电机的负载噪声测量。特别是负载噪声的测试方法今后将以差值叠加法为发展方向，使振动法的应用更为有利。相信进一步的应用会更加证明这种方法的优越性。

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