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1、振动与噪声检测振动与噪声检测尹爱军 博士/副教授重庆大学.测试中心2009.3振动与噪声检测振动和噪声检测的意义：振动和噪声检测的意义： 各种类型的机器，由于多种不平衡力的作用，或大或小总会产生振动和噪声。（1）检测设备运行状态。对机器主要部位的振动值进行测定，与标准值进行比较，据此宏观的对机器的运行状态进行评估。（2）利用振动噪声信号对故障进行诊断。振动和噪声是大多数机器所共有的故障表现形式。这是设备故障诊断方法中最有效、最常用的方法。 统计资料表明，由于振动而引起的设备故障，在各种故障中占60%以上。据国内外报道，用振动的方法可以发现航空发动机故障的34%，可以节约70%的维修费用。 振动
2、与噪声检测（3）评判振动噪声对环境（人体等）的影响（4）对测得的振动量在时域、频域、时-频域进行特征分析： 1）用以确定机器各种故障的内容和性质。 2）为进行机械结构的振动分析或振动设计服务，以实现低振级、低噪声的要求； 3）改善现成的机构或结构的抗振性能振动与噪声检测1检测系统2振动检测与分析3噪声检测与分析4虚拟仪器检测分析系统振动与噪声检测1 检测系统1.1 检测系统的组成1.2 传感器1.3 调理器振动与噪声检测 一一般般说说来来，检检测测系系统统由由传传感感器器、中中间间变变换换装装置置和和显显示示记录装置三部分组成。记录装置三部分组成。 传感器传感器将被测物理量将被测物理量(如噪声
3、如噪声,温度温度) 检出并转换为电量，检出并转换为电量，中间变换装置中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经经A/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析，显示记录装置信号分析，显示记录装置则测量结则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 输入输入1.1 检测系统的组成分析分析振动与噪声检测简单检测系统简单检测系统( (光电池光电池) )V复杂检测系统复杂检测系统( (轴承缺陷检测轴承缺陷检测) ) 加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器振动与噪声检测1.2 传
4、感器 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。dV 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 振动与噪声检测常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移,
5、 ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩振动与噪声检测1.3 信号调理器 完成信号的放大、调制、解调、滤波、阻抗完成信号的放大、调制、解调、滤波、阻抗变换、量程变换等。变换、量程变换等。 将传感器输出的电信号变换成测试分析、记将传感器输出的电信号变换成测试分析、记录显示仪
6、器所需要的标准电压（或电流）信号。录显示仪器所需要的标准电压（或电流）信号。 振动与噪声检测2 振动检测与分析2.1 机械振动的分类2.2 振动的表示2.3 振动检测传感器2.4 振动评价2.5 振动测量与分析方法振动与噪声检测机械振动按振动产生原因按振动系统结构参数分类按振动的时间规律线性振动非线性振动确定性振动随机振动简谐振动周期振动非周期振动自由振动强迫振动自激振动2.1 机械振动的分类振动与噪声检测幅值幅值(A)：振动强度大小：振动强度大小频率频率( )：频谱分析寻找振源：频谱分析寻找振源相位相位( )：确定共振点、振型测量等：确定共振点、振型测量等机械振动一般简化为如下简谐振动：2.
7、2 振动的表示振动与噪声检测描述振动的物理量有位移、速度、加速度等描述振动的物理量有位移、速度、加速度等位移：位移：速度：速度：加速度：加速度：三者之间波形相似，频率（周期）相同，幅值和相位发生变化，但有确定的关系。振动与噪声检测按照物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器。传感器的输出与对应的物理量成正比。 为了提高振动测试的灵敏度，在测试时应根据振动频率的高低来选用相应的传感器。低频振动时一般选用位移、中频振动时一般选用速度、高频一般选用加速度。 速度可说是二者的折中，这也是宽带测量中，国际标准2372以振动速度作为参变量的原因。 国标以速度有效值作为振动烈度的变量。 2.3 振动
8、检测传感器振动与噪声检测机械式 ： 适用被测振动频率较低、振幅较大和 精度不高的场合。光学式 ： 可实现无接触测量，但只能作相对测量， 故需良 好隔振。电气式 ： 是瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的 位移测量手段。根据测量原理：振动与噪声检测1）针对不同的影响对象，其振动测量评价标准不同：对机械设备运行状态的评价GB10068.1-88 旋转电机振动测定方法及限值振动测定方法ISO 3945 转速从10-200r/s大型旋转式机器的机械振动在运行地点对振动烈度的测量和评定对环境影响的评价GB10071-88 城市区域环境振动测量方法2.4 振动评价振动与噪声检测振动与噪声检测2）不同的机械装备
9、，其振动测量评价标准不同：GB-T 11348.1-1999旋转机械转轴径向振动的测量和评定（共5部，针对不同类型的旋转机械）GB 6075 在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动（共5部，针对不同类型的非旋转机械，包括大型压缩机的振动测量评价标准）Z振级：振动引起的人体Z方向加速度振动（有效值）的等级， 并对不同频率的振动进行了Z计权系数的修正。 20*log(Armp/1E-6)对人体影响的评价GB/T 13441.1-2007机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分: 一般要求振动与噪声检测（1）时域幅值分析周期周期T T，频率频率f=1/Tf=1/T峰值峰值PAtT PPp-
10、p双峰值双峰值Pp-p峰值、峰峰值、周期：2.5 振动测量分析方法振动与噪声检测(2)(2)均值均值 均值均值Ex(t)Ex(t)表示集合平均值或数学期望值。表示集合平均值或数学期望值。反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。均值：均值：振动与噪声检测均方值：均方值： 信号的均方值信号的均方值Ex2(t)Ex2(t)，表达了信号的强度；表达了信号的强度；其正平方根值，又称为有效值其正平方根值，又称为有效值(RMS)(RMS)，也是信号平也是信号平均能量的一种表达。均能量的一种表达。 振动与噪声检测方差：方差：方差：反映了信号绕均值的波动程度。方差
11、：反映了信号绕均值的波动程度。 信号信号x(t)x(t)的方差定义为：的方差定义为： 大方差大方差 小方差小方差 振动与噪声检测此外还有：峰值因数、峭度、歪度等。 有效值（均方根值，Xrms）与峰值判断 有效值是振动测量中用的最多的物理量，因其既考虑了振动的时间历程，同时又表征了机械振动能量的大小，国际ISO2372标准中对振动烈度采用有效值来表征振动量级。 由于这个值是对时间取平均值的，所以对读磨损这类无规则振动波形的异常，其测定值变动小，虽可给出恰当的评价，但不宜用于对剥落、压痕一类具有瞬变冲击振动异常的判别，此时峰值（=max|x（t）|） 比有效值适用 。 振动与噪声检测峰值因数 利用
12、峰值因数（C=max|x（t）| /Xrms）进行诊断的优点是不受轴承尺寸，转速，负荷的影响，也不受振动信号绝对水平的影响，但这种方法对磨损这类异常几乎无检出能力。峭度 轴承由于磨损、疲劳、腐蚀、断裂、压痕、胶合等因素会使轴承振幅增大，振动谐波增多，高密度区增高，而两旁的低密度区向外扩展。此时利用峭度（4阶距的平方之比，）作为诊断特征量将很有效。 振动与噪声检测案例：旅游索道钢缆检测案例：旅游索道钢缆检测超门限报警超门限报警 时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域频域分析分析（2 2）频谱分析）频谱分析振动与噪声检测 时域分析只能反映信号的
13、幅值随时间的变化情况，除单频时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。量大小。信号频谱代表了信号在不同频率分量成分的大小，能信号频谱代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。 图例：受噪声干扰的多频率成分信号图例：受噪声干扰的多频率成分信号 振动与噪声检测空气压缩机传动装置分析空气压缩机传动装置分析振动与噪声检测左图是一台电机地脚螺栓松动后的谱图。右图是更换正常后的谱图。 振动与噪声检测此外还有：
14、概率密度，概率分布分析法自相关法/互相关法包络解调分析倒谱分析时频分析 时域幅值波形分析简单明了，但分析范围有限，反映的信息量少，一般用于将测量值与标准值做对比。频谱分析可深入分析振动信号的结构、幅度、相位等信息，反映的信息量大，但要求较高。在很多场合，往往是多种分析方法的综合应用。振动与噪声检测3 噪声检测与分析3.1 机械噪声3.2 噪声检测传感器3.3 计权与声级3.4 噪声频谱分析振动与噪声检测 当振动作用于易于辐射噪声的物体上，如机壳或金属板上时，则激发这些结构产生振动，并发出强烈的噪声。声波的频率f、周期T、波长和声速c的关系是： 声频范围： 2020kHz，3.1 机械噪声振动与
15、噪声检测 在机械工程范围内，按照噪声起因的不同，可将其分为以下三类： 机械性噪声。因弹性体机械振动而产生的噪声，如齿轮，轴承和壳体振动时发出的噪声。 气体动力性噪声。因气体振动而产生的噪声，如风机、内燃机、各种排气口等产生的噪声。 电磁性噪声。因电磁振动而引起的噪声，如电动机、变压器等产生的噪声。 振动与噪声检测示波器磁带记录仪信号分析仪 声级计声压级 声级倍频程声压级传声器线性输出以声压测量为基础的噪声测量系统 传声器（专用的声学传感器）将瞬时声压信号转换为电压信号，声级计将此电压信号放大（或衰减）、加权（A、B或C，也可不加权）、倍频程滤波（附加）、均方根检波和对数转换，最后给出噪声的声压
16、级、计权声级或倍频程声压级；还可以输出与成比例的电压信号供监测、存储和频谱等分析之用。 3.2 噪声检测传感器振动与噪声检测 测量传声器是一种专门用于声学测量的传感器，它能在很宽的频率范围内不失真地将瞬时声压信号转换为电压信号。由于传声器在声学测量系统中是拾取噪声信号的第一个环节。故其性能的好坏，将对声测量起着十分重要的作用。 理想的测量传声器应该满足以下条件： 1) 与声波波长相比，传声器的尺寸应当很小，不会对声场产生干扰； 2) 在声频范围内具有具有良好的频率响应特性，即平坦的幅频特性和零相移的相频特性； 3) 动态范围宽。传声器应在很宽的动态范围内具有恒定的声压电压转换灵敏度； 4) 性
17、能稳定。 5) 高灵敏度和低的电噪声。 根据声压电压转换原理的不同，传声器分为磁电式（动圈式）、压电式和电容式三种。 振动与噪声检测3.3 计权与声级 为了模拟人耳的听觉特性（高频声音感觉比较灵敏，低频迟钝，即声压相等而频率不同的声音，听起来是不一样响的），在声测量系统中设置了一种特殊的滤波网络频率计权网络，噪声信号在通过网络时其频率成分受到加权，使得测量输出能近似表达人耳对声音响度的感觉。这样测量出的声压级称为计权声压级（声级）。通常采用A、B和C三种计权网络。 级：噪声测量中是采用测量值与基准值之比的对数来表示噪声的强弱。声压级、声强级、声功率级。(dB)声压级：振动与噪声检测010100
18、10001000020502005005000200020000-101020-20-30-40-50-60-70AB,C频率 Hz相对响应 dBABCA、B、C计权网络幅频特性 A A计权网络计权网络，当信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）有较大的衰减； B B计权网络计权网络，对信号的低频段有一定的衰减； C C计权网络计权网络，在整个频率范围内有近乎平直的响应。 振动与噪声检测在实际测量时到底用哪一种计权网络呢？以前：声级小于70dB时用A网络测量，声级大于70dB但小于90dB时用B网络测量，声级大于90dB时用C网络测量。现在：（1）A声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉
19、和人耳听力损伤的影响。因此，现在基本上都用A声级来作为噪声评价的基本量，而且如果不另作说明，都是指的A声级。（2）C声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用。有时为了判断噪声的频率特性，附带测量C声级。如果A、C两种声级基本相同，该噪声特性是高频特性；如果C声级小于A声级，该噪声为中频特性；如果C声级大于A声级，则该噪声为低频特性。（3）B声级基本上不用了。 在有些声学测量仪器中还具有D计权网络。它主要用于航空噪声的测量。目前，D计权也已不使用。L（Z）计权称为不计权。振动与噪声检测时间平均声级或等效连续声级Leq:昼夜等效声级:声暴露级LAE:振动与噪声检测3.4 频谱分析 噪声的主要特点
20、是：具备一定强度，用声压表示；具有不同频率成分，用频谱表示。机器噪声之所以可以区分就是它们具备了这两个特点的缘故。 因噪声的频率范围很宽（1000倍），把每一部机器的所有频率成分的声音的声压一一分析出来，虽然技术上可以办得到（还是比较困难），但并没有太大必要。为了方便，并根据人耳对声音频率变化的反应，人们把可听到的频率范围分成数段，按每段内的声音强度进行分析。 可以使用滤波器把一段一段的频率成分选出来进行测量，这种滤波器只能允许一定范围的频率成分通过，其它频率成分被衰减掉。带通滤波器振动与噪声检测1）频程分析频程：带通滤波器的上限频率与下限频率按某个倍数增加。式中 第i个带通滤波器频带的上限频
21、率； 第i个带通滤波器频带的下限频率； m倍频程数，常用的是m=1，1/3，1/12等。 各个频带以中心频率表示： 频程滤波器是常用的恒百分比带宽滤波器，对低频有高分辨率（窄频带），高频低分辨率（宽频带）。适合噪声频率（20Hz-20000Hz）范围的特点。振动与噪声检测1）频程分析频程：带通滤波器的上限频率与下限频率按某个倍数增加。式中 第i个带通滤波器频带的上限频率； 第i个带通滤波器频带的下限频率； m倍频程数，常用的是m=1，1/3，1/12等。 各个频带以中心频率表示： 频程滤波器是常用的恒百分比带宽滤波器，对低频有高分辨率（窄频带），高频低分辨率（宽频带）。适合噪声频率（20Hz-
22、20000Hz）范围的特点。振动与噪声检测GB/T3241-1998（等同IEC61260-1995）倍频程和分数倍频程滤波器标准规定了滤波器的中心频率、频带宽度和衰减特性等要求.倍频程频率范围振动与噪声检测203040506070809031.563125250500100020004000800016000风机噪声 1倍频程频谱（中心频率Hz）频带声压级 dB31.563125250500100020004000800016000405080 100160 200315 400630 80012501600250031505000630001000012500203040506070809
23、0风机噪声 1/3倍频程频谱（中心频率 Hz)频带声压级 dB振动与噪声检测2）窄带频谱分析0500100015002000 Hz10dB风机噪声的窄带频谱 一般只用于对噪声进行分析（频谱的分布、各分量幅值的相对大小），而不做幅值的绝对测量。振动与噪声检测信号调理器、信号采集器、信号分析仪偏航角、浆距角、电功率、风速、风向、温度、气压传感器噪声传感器谐波分析仪风力发电机噪声监测风力发电机噪声监测振动与噪声检测4 虚拟仪器检测系统4.1 虚拟仪器检测系统的构成4.2 优点振动与噪声检测4.1 虚拟仪器检测系统的构成传感器数据采集器振动与噪声检测虚拟仪器系统的构成测控对象信号调理器GPIB仪器数据
24、采集卡GPIB接口卡VXI总线仪器串行接口仪器并行接口仪器现场总线设备振动传感器力传感器声学传感器温度传感器扭矩传感器压力传感器计算机虚拟仪器软件虚拟仪器系统的构成振动与噪声检测4.2 虚拟仪器检测系统的优点高度集成：可以在仪器软件中开发集成更多的测量、测试分析功能；可以在计算机内集成各种用途的测试仪器。更新（维护）快：可以方便的调整仪器功能，仪器系统的维护非常简便（重新安装仪器软件，或更换传感器等前端设备）。扩展性好：扩展应用范围、增加新的测试功能非常简便，与其他系统的连接简单。 用软件功能取代了硬件仪器功能，以计算机为统一的硬件平台，因此：振动与噪声检测便于自动化：便于实现检测系统365天，24小时全程检测，多点位同步检测。操作简便：数据保存、报表打印用户参与性强经济实用振动与噪声检测谢谢欢迎交流合作
