先進熱動力測試技術AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目錄PAGEDIRECTORY緒論1測量技術的基本知識2誤差分析與測量不確定度3溫度測量4壓力測量5流量測量7液位測量8氣體成分及顆粒物測量9轉速、轉矩及功率測量10振動與噪聲測量11流速測量6先進測試技術發展12能源與動力學院第一部分振動測量振動測量概述振動測量傳感器振動測量儀器與振動測量模態測量振動測量應用實例11第十一章第一節振動測量概述一、機械振動的分類產生的原因：由于不平衡質量的存在，在運轉中會出現交變的不平衡慣性力和力矩，產生振動。1、產生振動的原因自由振動：系統僅受到初始條件（初始位移、初始速度）的激勵而引起的振動受迫振動：系統在持續的外作用力激勵下的振動自激振動：沒有外激勵作用的情況下，由系統自身激發所產生的一種振動，簡稱自振2、產生振動的規律簡諧振動：物體運動時，離開平衡位置的位移(或角位移)按余弦(或正弦)的規律隨時間變化復合周期振動：兩個或兩個以上的頻率之比為有理數的簡諧振動復合而成瞬態振動：在極短時間內僅持續幾個周期的振動隨機振動：沒有確定的周期，振動量與時間也無一定的關系，只能用統計的方法表示系統的響應第一節振動測量概述二、機械振動測試內容1、測量被測對象的振動動力學參量或動態性能，如固有頻率、阻尼、阻抗、傳遞率、響應和模態等。這時往往要采用某種特定形式的振動來激勵被測對象，使其產生受迫振動，然后測定輸入激勵和輸出響應。2、被測對象選定點的振動參量測試和后繼特征量的分析，目的是了解被測對象的振動狀態，評定振動量級和尋找振源，以及進行監測、診斷和預估。從測量觀點來看，測量機械振動的時域波形較合適，也就是研究振動的典型波形，以及其時域參數和頻域參數。描述振動的主要參量：頻率、振幅、相位振動測量的參量：位移、速度、加速度第一節振動測量概述三、簡諧振動振動量是隨時間按正弦或余弦規律變化的，簡諧振動的位移、速度、加速度表達式為式中，x(t)、v(t)、a(t)分別為位移、速度、加速度在時刻t時的瞬時值，單位分別為m、m/s、m/s2；xm、vm、am分別為位移、速度、加速度的最大值或幅值；

為振動角頻率，rad/s；

為初始相位角，rad。簡諧振動的位移、速度和加速度的波形和頻率都一致，其速度和加速度的幅值與頻率有關，在相位上，速度超前位移π/2，加速度超前速度π/2。只要測定出位移、速度、加速度和頻率這四個參數中的任意兩個，便可推算出其余兩個參數。第一節振動測量概述四、振動測量系統振動測量系統的構成完整的振動測量系統是由檢振（傳感器）、放大、處理、顯示或記錄等基本部分組成的。第一節振動測量概述四、振動測量系統測振系統通常由能夠感知振動參數并將其轉換成適當物理量的傳感器、信號處理和放大、記錄分析和顯示以及數據處理等設備組成。常用的測振系統有：機械測振系統、電子測振系統以及光學測振系統。1、電子測振系統將被測的振動量通過傳感器轉換成電量或電參量，經電測系統放大、處理、信號變換，將振動量顯示或記錄下來，或通過分析、計算、實時處理等，把衡量振級參數的時間歷程和頻率譜以數字或圖形的方式記錄和繪制出來。電子測振系統由于其靈敏度高、頻率范圍和動態線性范圍寬，便于分析和控制，是目前應用最廣泛的測振系統。但該系統易受電磁場的干擾。2、光學測振系統利用讀數顯微鏡、光杠桿和光干涉、激光多普勒效應等，記錄并放大振動量或拍攝反映振動全貌的振型，如激光全息照片。特點：不受電磁場的干擾，測量精度高，適用于對質量小及不易安裝傳感器的振動體作非接觸精密測量；還用于對傳感器、測振儀的標定或校驗。能源與動力學院第一部分振動測量振動測量概述振動測量傳感器振動測量儀器與振動測量模態測量振動測量應用實例11第十一章第二節振動測量傳感器一、振動測量的基本原理測振儀模型一般可簡化為由慣性元件質量m和彈性元件彈簧k組成，并懸掛在剛性的剛體上，框架安置在被測振動體上，并隨振動體振動。設振動體的振幅為x1，m的振幅為x2，則m相對于框架的振動為x2–x1。如忽略阻尼，質量m振動的微分方程為測振儀的固有頻率ω02=k/m，并設x1=X1sinωt，微分方程可寫為上述方程的解為測振儀簡化模型第二節振動測量傳感器一、振動測量的基本原理可以求得質量和框架間的相對運動幅值X為當ω/ω0遠大于1時，這時振動體的頻率ω遠大于測振儀的固有頻率ω0，則X約等于–X1，即質量和框架間的相對運動幅值，近似為框架的振動幅值。這樣就可以測出振動體的幅值，一般稱這類儀器為位移計。當ω/ω0極小時，則有X≈(1/ω02)X1ω2，式中X1ω2為被測振動體的加速度幅值，即測振儀所測得的讀數X和被測振動體的加速度成正比。故可利用這種測振儀作振動加速度的測量，一般稱這類儀器為加速度儀。測振儀簡化模型第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器測振傳感器，也稱拾振器，是指能夠感知振動參量（位移、速度和加速度）并將其轉換成適當物理量的傳感器。按測振參數可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。按傳感器與被測對象的聯系方式可分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩大類。在接觸式傳感器中，按其殼體的固定方式又分為相對式傳感器和絕對式傳感器兩種。相對式測振傳感器的殼體固定在基座上，僅將其活動件通過測桿與被測對象相連，它敏感于被測對象相對于基座的振動，主要用于無法或不允許將傳感器直接固定在試件上（如旋轉軸、輕小結構件等）的場合。絕對式測振傳感器是將其殼體固定在被測對象上，利用彈簧支撐一個慣性體（質量塊）來感受振動，故又稱為慣性式測振傳感器，如磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器。第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（電渦流式位移傳感器）根據電磁感應定律，當塊狀金屬置于變化著的磁場中或者在固定磁場中運動時，金屬體內會產生感應電流，這種電流在金屬體內自身閉合，稱為電渦流，此種現象稱為電渦流效應。因為電渦流效應與磁場變化特性有關，因此可以通過測量電渦流效應獲得引起磁場變化的外界非電量。根據電渦流效應制成的傳感器就稱為電渦流式傳感器。按電渦流在導體內貫穿情況，傳感器又可分為高頻反射式和低頻透射式兩種，二者原理基本相似。高頻反射式應用最為廣泛。高頻反射型渦流傳感器低頻反射型渦流傳感器第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（電渦流式位移傳感器）電渦流式位移傳感器就是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移和其幅值的。傳感器是由固定在聚四氟乙烯或陶瓷框架中的扁平線圈組成，結構簡單，線圈的厚度越小，其靈敏度越高。由于該傳感器為相對式測振傳感器，因此能方便地測量運動部件與靜止部件之間的間隙變化。這類傳感器已成功應用于汽輪機組、空氣壓縮機等回轉軸系的振動監測。同時也廣泛應用于各類位移測量、轉速測量以及材料無損探傷等方面和領域。電渦流式位移傳感器1–線圈；2–框架；3–框架襯套；4–支架；5–電纜；6–插頭第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（電渦流式位移傳感器）某大型燃氣輪機組運行狀態監測的傳感器布置示意圖電渦流式傳感器用于實現該機組的軸振動、軸向位移脹差、熱膨脹、轉速、偏心、鍵相等7種物理量的測量和監測。徑向振動測量軸心軌跡測量轉速測量穿透式測厚零件計數器表面裂紋測量第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（電容式位移傳感器）電容式位移傳感器分為非接觸式和接觸式兩類。非接觸式的電容式位移傳感器與電渦流式傳感器相近，接觸式的電容式位移傳感器重量輕，與地絕緣，適合測量10~500Hz范圍內的角位移和線位移（0.001~1mm），可實現超低頻測量，但受溫度、濕度以及電容介質等的影響較大。可見，為了提高dC，可以減小間隙δ0或增大dS。為此，可將傳感器截面制成齒形。電容式位移傳感器1–基座；2–平彈簧；3–慣性質量；4–定片；5–絕緣物將振動轉變為平彈簧和定片間的相對位移，從而實現電容量的變化。在振動時，電容兩級間的間隙不變，改變的是兩極間的重疊面積。第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（電感式位移傳感器）電感式位移傳感器的原理是：由于由彈簧支承的慣性質量和與被測對象相連殼體上的電磁體間的氣隙發生變化，導致線圈周圍的磁通發生變化而產生感應電動勢。優點是：無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且功耗低，壽命長，可在各種惡劣條件下使用。電感式傳感器原理圖及記錄波形第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器電位器式位移傳感器是通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加或減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，將電阻變化轉換為電壓輸出。電位器式位移傳感器結構簡單、輸出信號強、使用方便、價格低廉，其缺點是易磨損。第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器霍爾式位移傳感器的測量原理是保持霍爾元件的激勵電流不變，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比于輸出的霍爾電勢。磁場梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍爾電勢與位移的關系越接近于線性。霍爾式位移傳感器的優點是慣性小、頻響高、工作可靠、壽命長。第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（激光位移傳感器）激光與普通光相比，具有四項突出的優點：

高相干性

高方向性

高單色性

高亮度激光被廣泛地應用于長距離、高準確度的位移測量。在工程測試中，激光還可以用于長度、位移、速度、轉速、振動和工件表面缺陷的檢測等。激光干涉法測距原理：根據光的干涉原理，兩列具有固定相位差，并且有相同頻率、相同振動方向或振動方向之、間夾角很小的光相互交疊，就會產生干涉現象。利用這個原理，使激光束產生明暗相間的干涉條數，這些條紋由光電轉換元件轉換為電信號，經處理后，由計數器計數，即可實現對位移量的檢測。光的干涉現象第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器（激光位移傳感器）雙頻激光干涉儀是一種新型的激光干涉儀，基本原理如圖所示，它利用光的干涉原理和多普勒效應（此處指由于振源相對運動而發生的頻率變化的現象）產生頻差的原理來進行位移測量。雙頻激光干涉儀第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器光纖傳感器的基本原理是：光源經光纖送入調制區，在調制區內，外界被測參數與進入調制區的光相互作用，使光的光學性質，如光的強度、波長（顏色）、頻率、相位、偏振態等發生變化而成為被調制的信號光，信號光再經過光纖送入光探測器、調節器而獲得被測參數。光纖傳感器的組成第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器1、振動位移傳感器在振動位移測量中，應用最廣的是振幅調制光纖式傳感器，其工作原理是：當光纖由于振動而導致變形時，傳輸特性也會發生變化。例如將光纖制成一個u形結構。光纖兩端固定，中部可感受振動運動量，當振動發生時，輸入光將受到振幅調制而在輸出光中反映出來，通過測量輸出光的變化可以檢測振動量。振幅調制光纖式傳感器第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器2、振動速度傳感器電磁式速度傳感器測振時，底座、支柱和線圈隨被測振動體振動。由于磁鐵質量很大，而平彈簧很軟，在振動過程中磁鐵幾乎保持原位置不動，因而線圈切割磁力線產生與速度成正比的電動勢（V），即e=BLdx/dt×10?4式中，B為磁感應強度（T）；L為線圈導線總長（m）；dx/dt為線圈和磁場的相對運動速度（m/s）。電動勢和振動速度成正比，因而此測振儀可用于測量振動體的速度。電磁式傳感器原理圖1–磁鐵；2–平彈簧；3–支柱；4–底座；5–框架第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器2、振動速度傳感器多普勒效應振動傳感器屬于光纖傳感器的一類，是一種非接觸式傳感器，它可以用來測量高頻小振幅的振動，當振動物體的振動方向與光纖的光線方向一致時，測知反射光的頻率變化，即可測知振動速度。多普勒效應振動傳感器第二節振動測量傳感器二、振動測量傳感器3、振動加速度傳感器壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電元件，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、石英晶體等。在振動時受到慣性質量對其施加交變的壓力而輸出交變電荷（稱為壓電效應）的原理來測量振動的，其電荷輸出量與振動加速度成正比。由于壓電式傳感器靈敏度高、頻率范圍寬，結構尺寸小和質量輕，目前這類傳感器應用最廣。但它受溫度、濕度等影響較大，需和高阻抗前置放大器配用。壓電式傳感器結構圖能源與動力學院第一部分振動測量振動測量概述振動測量傳感器振動測量儀器與振動測量模態測量振動測量應用實例11第十一章第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器1、測振放大器測振放大器為二次儀表，它不僅對信號有放大作用，一般還具有對信號進行積分、微分和濾波等功能，它的輸入特性必須滿足傳感器的輸出要求，而它的輸出特性又應符合記錄設備的要求。放大器的放大方式分為兩種主要類型：一類是輸入信號的直接放大形式，并具有積分、微分等運算網絡和濾波網絡，這類儀器配合壓電式和磁電式傳感器使用；微積分放大器電路框圖第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器1、測振放大器另一類是載波放大形式，它把輸入信號經過載波調制后再放大，然后經過檢波解調恢復原波形輸出，這類儀器配合參數變化型非接觸式傳感器使用。常用的放大器有微積分放大器、電壓放大器和電荷放大器、動態應變儀和差動變差放大器，以及調頻放大器等。調頻放大器系統框圖第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器1、測振放大器電壓放大器的作用是把壓電傳感器的電荷變成電壓，再進行放大，并將壓電加速度計的高輸出阻抗變成低輸出阻抗，以便于主放大器連接。目前，通用的電壓放大器的放大倍數甚小，主要起阻抗變換作用，故又稱為阻抗變換器。加速度計–電纜–電壓放大器電路等效電路第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器1、測振放大器實際上，Ri與Ra的阻值很大，相應的R值也較大。電壓放大器輸入電壓的最大值可寫為：式中，D—壓電晶體的壓電系數；F—作用于壓電體上的周期力F=F0sinωt。Cc隨著連接電纜的長度變化。若加長電纜，則靈敏度下降。加速度計–電纜–電壓放大器電路等效電路第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器1、測振放大器電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比例，它是一個具有電容負反饋的高輸入阻抗的高增益運算放大器。優點：①電荷放大器的輸出電壓與連接電纜的長度無關。②電荷放大器的低頻截止頻率取決于反饋網絡參數。實際設計中，為使運算放大器工作穩定，常跨接一電阻Rf。電荷放大器的下限頻率為，因此可以降低下限頻率，最低可達0.003Hz。缺點是對電路器件要求高、造價高。加速度計—電荷放大器等效電路第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器2、振動分析儀器最簡單的指示振動量的儀表是測振儀，它用位移、速度或加速度的單位來表示傳感器測得的振動信號的峰值、平均值或有效值。這類儀器只能獲得振動強度（振級）。為了得到更多的信息，將振動信息進行概率密度分析、相關分析和譜分析，采用的儀器為頻譜分析儀。恒定百分比帶寬頻譜分析儀此類頻譜分析儀的工作基礎為一系列帶通濾波器，根據濾波器的帶寬B（上限頻率與下限頻率之差，單位為Hz）和中心頻率fo的關系，通常將濾波器分為恒定帶寬和恒定百分比帶通濾波器兩類。前者帶寬B為恒定值，不隨中心頻率fo的變化而變化；后者的帶寬B與中心頻率fo的比值保持不變。第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器恒定百分比帶寬頻譜分析儀一個n倍頻程的濾波器，它的上、下限頻率之間關系為式中，fhi和fLi分為第i頻帶的上限頻率和下限頻率，Hz；n為倍頻程數，常用n=1，1/2，1/3，1/4……頻帶中心頻率用foi（Hz）來表示，有帶寬：相對帶寬：為了在一個相當寬廣的頻域中進行頻譜分析，可以采用不同中心頻率的帶通濾波器來聯合工作。因各濾波器均具有相同的相對帶寬，故稱為恒定百分比帶寬頻譜分析儀。工作方式為順序濾波法，恒定百分比帶寬頻譜分析儀適用于分析平穩的離散的周期振動。順序濾波法原理框圖第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器恒帶寬頻譜分析儀所采用的濾波器中心頻率連續可調，可用于分析帶寬恒定不變并與中心頻率的變化無關的振動。目前使用最多的是基于外差式跟蹤濾波器的外差式頻譜分析儀。所謂“跟蹤”，是指濾波器的中心頻率能自動地跟隨參考信號的頻率的功能。可對信號作窄帶分析，但仍屬順序分析，它特別適用于含有諧波分量的噪聲信號的分析。由于分析帶寬不隨濾波器中心頻率的變化而變化，因而在整個頻率范圍內具有相同的頻率分辨力。外差式頻譜分析儀原理第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器實時頻譜分析儀對于那些頻率隨時間急劇變化的振動信號和瞬態振動信號，一般采用實時頻譜分析儀。工作原理是，輸入的振動信號通過前置放大器同時加到各個濾波器上。電子開關和邏輯線路的作用是保證高速地、依次地、反復地將各個通道和顯示單元瞬時接通，在顯示單元上顯示出每一個通道的輸出量。并聯濾波器實時頻譜分析儀中所能并聯的濾波器總是有限的，故不能用來進行窄帶分析。并聯濾波器實時頻譜分析儀第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器3、數字信號處理系統具有高速控制環節和運算環節的實時數字信號處理系統和信號處理器，具有多種功能，因此又稱為綜合分析儀。先由傳感器獲得模擬信號；然后對模擬信號進行抗混濾波（防止頻率混疊）波形采樣和模數轉換（計算機處理的需要）、加窗（減小對信號截斷和采樣所引起的泄漏）；再進行快速傅里葉變換（由時域到頻域的轉換和數據計算）；最后顯示分析結果。其主要優點是：1）處理速度快，具有實時分析的能力，可在數十毫秒內完成1024個點的快速傅里葉變換。頻率分辨力高，分析精度高。2）功能多，既可進行時域分析、頻域分析和模態分析，又可進行各種顯示。3）使用方便，數字信號分析處理由專門的分析儀或計算機完成，顯示、復制和存儲等各種功能的使用非常方便。第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器4、振動測量儀器的選擇首先要依據測量對象的振動類型（周期振動、隨機振動和沖擊振動）、振動的幅度，以及研究目的確定合適的測量項目（加速度、速度、位移、波形記錄和頻譜分析），選擇合適的振動測量方法或分析系統。例如，有的振動測量研究只需了解振動的位移值（如機械軸系的軸向和徑向振動），有的研究需了解振動的速度值（如機械底座、軸承座的振動），而且常常把振動烈度，即10Hz～1kHz頻率范圍內振動速度的有效值，作為評價機器振動的主要評價量。另外，振動測試儀的選擇還需考慮測量的頻率范圍、幅值的動態范圍以及儀器的最小分辨率等。對于沖擊測量還應考慮振動測量儀的相位特性，因為在沖擊振動頻譜分量所確定的頻率范圍內，不僅要求測量設備的頻率響應必須是線性的，而且要求設備的相位響應不能發生轉變。第三節振動測量儀器與振動測量一、振動測試儀器4、振動測量儀器的選擇儀器主要性能包括以下幾個方面：1）靈敏度2）頻率響應特性3）線性范圍4）穩定性5）精度6）自重和體積7）輸入、輸出阻抗第三節振動測量儀器與振動測量二、測頻系統汽輪機的葉片分為直葉片和扭葉片，可以看成是一個彈性梁，當有外界激振時，葉片就會來回振動。葉片振動時，葉片上各點產生擾度，它不僅是時間的函數，而且是位置的函數，葉片的振動形式近似于簡諧振動。描述葉片振動的基本物理參數主要有振動頻率和振型（模態）。葉片的振型根據葉頂端是否固定分為A、B兩種，其中最常見的引起葉片損壞的危險振型是切向基調（A0型）振動，它對應的共振應力最大，是目前事故最多、最危險的振型。因此，對于新投運的機組，都需要全面地測定各級葉片的振型和自振頻率。每次大修時，也需要對葉片的切向A0型的自振頻率進行測定、校核，以保證葉片運行的安全。常見的葉片自振頻率測量方法有3種：自振法、共振法和自激振動法。第三節振動測量儀器與振動測量二、測頻系統1、自振法測頻（1）傳統方法：根據李薩茹圖形（Lissajousfigure）來判斷的。用橡皮錘或者銅錘敲擊葉片，使葉片發生自由振動，然后用傳感器將葉片的振動轉換為電信號，送至檢測儀器以確定葉片的自振頻率。調整標準信號頻率，當其與葉片振動頻率成一定倍數關系時，合成圖像構成李薩茹圖形，由此判斷葉片振動的頻率。自振法測定葉片自振頻率原理圖第三節振動測量儀器與振動測量二、測頻系統1、自振法測頻（2）現代葉片振動頻率檢測采用頻譜方法。將錘擊激起的葉片振動信號送入頻譜分析系統，直接根據頻譜分析譜峰，判斷葉片自振頻率。還可采用帶有力傳感器的力錘敲擊葉片，將力錘敲擊信號作為采集觸發信號，也作為葉片振動信號的激勵信號，分析所采集振動信號與激勵信號的傳遞關系，判斷自振頻率。自振法是一種簡單、準確和能迅速測定自振頻率的方法，但因葉片的高頻自由振動不易激發，即使產生，也是振幅小、衰減快，故難以用自振法測定。另外，自振法難以區分振型，所以多用來測定中、長葉片的A0型振動頻率。第三節振動測量儀器與振動測量二、測頻系統2、共振法測頻由標準信號發生器產生的頻率信號，除輸到示波器及頻譜分析系統外，還送入功率放大器，將信號功率放大后送到激振器，在激振器內將電氣信號轉換成為機械振動，經拉桿拉動葉片，使葉片發生與信號發生器頻率一致的強迫振動。同時可將壓電晶體片貼在葉片根部作為激振葉片的換能器，將信號發生器發生的信號放大并轉變為機械振動，使葉片發生強迫振動。共振法可用來測定葉片及葉輪的各種振型和自振頻率。共振法測定葉片自振頻率原理圖能源與動力學院第一部分振動測量振動測量概述振動測量傳感器振動測量儀器與振動測量模態測量振動測量應用實例11第十一章第四節模態測量一、什么是模態及模態測量？第四節模態測量一、什么是模態及模態測量？大家都有蕩秋千的經歷，怎么樣才能蕩的最好？——用最小的力氣，蕩的最高？二維膜的前幾階振動模態第四節模態測量一、什么是模態及模態測量？在模態測量中，為了測得機械系統的動態特性及其參數，可以通過機械系統在正常工作狀態下的激勵與響應的測試而獲得。以某種激勵作用在被測對象上，使之產生受迫振動，測出輸入（激勵）和輸出（響應）的信息，從而確定出被測系統的固有頻率、阻尼比以及振動形態等動態特性參數，進而尋求系統的最優參數及其匹配。對于一般的線性振動結構，考慮阻尼作用和外激振力，運動方程可以描述為：第四節模態測量

第四節模態測量

如圖，在節點2上施加外力，同時測量各個節點的位移響應，可以計算得到頻響函數的第二列。然后依次激勵各個節點的自由度，同時測量各個節點的位移響應，可以計算得到整個頻響函數矩陣。

第四節模態測量一、什么是模態及模態測量？整個頻響函數矩陣可以表示為：頻響函數和模態參數的關系由下式給出：式中，n為測點數。m為所取模態數，一般情況下n>m，高階模態做剩余影響處理。????、????、????為模態，[φ1r，φ2r，…，φnr]T為第r階模態振型。為了取得全部模態信息，僅需測量頻響函數矩陣中的一行或者一列就可以了。第四節模態測量二、激振設備激振設備是對被測系統施加某種預定要求的激振力，激起被測系統振動的裝置。激振設備應能在要求的頻率范圍內提供波形良好、強度足夠和穩定的交變力。某些情況下還需提供一恒力，以便使被激對象受到一個一定的預加載荷，以消除間隙或模擬某種恒定力。另外，為減小激振設備質量對被測對象的影響，激振器的體積和重量應小而輕。1、脈沖錘脈沖錘由錘頭（含錘頭蓋）、力傳感器、錘體、配重塊和錘柄等部件組成，并用一中心螺栓預緊。錘頭和錘頭蓋直接沖擊試件，它相當于力傳感器的頂部質量。脈沖錘結構第四節模態測量二、激振設備1、脈沖錘在振動測量中，可采取不同硬軟材料制成的錘頭蓋，以得到合適的持續時間τ及中心頻率f下的沖擊波形。如將沖擊力波形近似看做半正弦波，則其線性譜如圖（b）所示，頻譜中心頻率值約為3/(2τ)。在錘頭蓋材料不變的前提下，增加錘體質量，不僅可得到較大的沖擊力，而且持續時間也稍有延長。常用脈沖錘的錘體質量小至幾克，大到幾十千克，錘頭蓋可用鋼、銅、鋁、塑料、橡膠等材料制造，可用在激勵小至印制電路板，大到橋梁等物體，在現場試驗中使用尤為方便。脈沖錘激振力波形及其頻譜（a）激振力波形

（b）激振力頻譜第四節模態測量二、激振設備2、電動式激振器電動式激振器，又稱磁電式激振器，主要是利用帶電導體在磁場中受電磁力作用這一原理工作的。電動式激振器按其磁場形成方式分為永磁式和勵磁式兩種，前者一般用于小型的激振器，后者多用于較大型的激振臺。當驅動線圈4通過經功率放大后的交變電流i時，線圈將受到與電流成正比的電動力的作用，此力通過頂桿1傳到被激振對象上，產生激振力。拱形的彈簧片組2用于支撐激振器中的運動部分，并能在試件和頂桿之間保持一定的預壓力，防止它們在振動時脫離。電動式激振器的結構1–頂桿；2–彈簧片組；3–永久磁鐵；4–驅動線圈；5–接線頭；6–芯桿第四節模態測量二、激振設備3、電磁式激振器電磁式激振器直接利用電磁力作為激振力，常用于非接觸激振場合，特別適用對回轉件的激振。電磁式激振器的結構如圖11–21所示。當電流通過勵磁線圈3便產生相應的磁通，從而在鐵心2和銜鐵5之間產生電磁力，實現兩者之間無接觸的相對激振。用力檢測線圈4檢測激振力，位移傳感器6測量激振器與銜鐵之間的相對位移。電磁式激振器不與被激振對象接觸，因此沒有附加質量和剛度的影響，其頻率上限約為500~800Hz。電磁式激勵器的結構1–底座；2–鐵心；3–勵磁線圈；4–力檢測線圈；5–銜鐵；6–位移傳感器第四節模態測量二、激振設備4、液壓式激振臺液壓式激振臺，也稱電液式激振臺，一般都做成大型的。激振力在千牛以上，承載質量以噸計，主要用于建筑物的抗震試驗、飛行器的動力學試驗以及汽車的行駛模擬試驗等。整套設備結構復雜，價格昂貴。液壓式激振臺的工作介質主要是油，其工作原理是，利用電液閥控制高壓油流入工作液壓缸的流量和方向，從而使活塞帶動臺面和其上的試件相應的振動。電液控制閥的結構和原理類似于一個小型電動式振動臺，其可動系統與控制閥內的一個滑閥相連，控制閥有多個出入油孔，分別與振動臺的液壓缸、來自液壓泵的高壓油管（供油管）和去油箱的低壓油管（回油管）相連。第四節模態測量二、激振設備4、液壓式激振臺液壓式振動臺的工作原理（滑閥靜止）第四節模態測量二、激振設備4、液壓式激振臺滑閥向上運動

滑閥向下運動能源與動力學院第一部分振動測量振動測量概述振動測量傳感器振動測量儀器與振動測量模態測量振動測量應用實例11第十一章第五節振動測量應用實例一、試件模態測量一般地說，基本測試系統應該包括以下三個方面內容：（1）激勵設備，如力錘或者激振器；（2）傳感系統，主要為加速度傳感器，用以測量激勵的響應；（3）信號采集和分析設備，用于采集激勵和響應的信號，并提取我們所需的信息。頻響函數測試系統示意圖第五節振動測量應用實例二、配氣機構振動測量配氣機構模擬測試試驗臺示意圖第五節振動測量應用實例二、配氣機構振動測量加速度、位移測量結果思考題1、試述振動測量的主要參數。2、從測振基本原理出發，說明位移計和加速度計的主要區別。3、測振系統分那幾類及其特點？4、試述電動式測振儀的類別及選擇原則和使用應考慮那些問題。5、常用的激振器有那些？它們的特點和應用場合是什么？6、什么是加速度傳感器的安裝諧振頻率？它與傳感器的固有頻率之間有何關系？能源與動力學院第二部分噪聲測量噪聲測量的基本概念聲級的計算噪聲測量儀器噪聲測量技術11第十一章第六節噪聲測量的基本概念一、噪聲的分類按照聲源的不同：機械噪聲：由于固體振動而產生的，在機械運轉中，由于機械撞擊、摩擦、交變的機械應力以及運轉中因動力不平均等原因，使機械的金屬板、齒輪、軸承等發生振動，從而輻射機械噪聲，如機床、織布機、球磨機等產生的噪聲，占比最高。空氣動力性噪聲：當氣體與氣體、氣體與其他物體（固體或液體）之間做高速相對運動時，由于黏滯作用引起了氣體擾動，就產生空氣動力性噪聲，如各類風機進排氣噪聲，噴氣式飛機的轟聲，內燃機排氣、儲氣罐排氣所產生的噪聲，爆炸引起周圍空氣急速膨脹也是一種空氣動力性噪聲電磁性噪聲：由于磁場脈動、磁致伸縮引起電磁部件振動而發生的噪聲，如變壓器產生的噪聲。第六節噪聲測量的基本概念一、噪聲的分類按照時間變化特性：穩定噪聲：噪聲的強度隨時間變化不顯著，如電機、織布機的噪聲。周期性變化噪聲：噪聲的強度隨時間有規律地起伏，周期性地時大時小的出現，如蒸汽機車的噪聲。無規則噪聲：隨時間起伏變化無一定的規律，如街道交通噪聲。脈沖噪聲：噪聲突然爆發又很快消失，持續時間不超過1s，并且兩個連續爆發聲之間間隔大于1s，則稱之為脈沖噪聲，如沖床噪聲、槍炮噪聲等。在極限情況下，如脈沖時間無限短而間隔時間無限長，這就是單個脈沖。第六節噪聲測量的基本概念一、噪聲的分類對設備機器進行噪聲測量的意義：①機器設備噪聲大小常被列為評價其質量優劣的指標；②比較同類機器設備所產生噪聲的差異以便改進設計和生產工藝；③監測設備噪聲及其變化，可據此實現對設備的工況監測和故障診斷；④對設備噪聲進行分析，找出原因，以便采取有效的降噪措施；⑤測量設備附近環境的噪聲，以確定環境噪聲是否符合工業企業衛生標準。第六節噪聲測量的基本概念二、聲學、聲信息與聲場聲學（Acoustics）：研究聲波的產生、傳播、接收和效應的科學,關于聲音的學問聲學的研究方法和物理其他分支有共同之處聲信息：未見其人，先聞其聲幾乎所有的物體可以用聲波探測語音是人與人之間交流最有效的手段聲信號是診斷機械運行狀態的有效手段第六節噪聲測量的基本概念二、聲學、聲信息與聲場聲場（Soundfield）：聲波傳播的空間自由聲場（邊界完全吸收聲波）：允許聲波在任何方向作無反射自由傳播的空間。半自由聲場：聲波除僅以地面作為反射面，在其他方向作無反射自由傳播的空間。混響聲場（邊界完全反射聲波）：允許聲波在任何方向作無吸收傳播的空間。半混響聲場：邊界既不完全反射聲波、又不完全吸收聲波的空間。第六節噪聲測量的基本概念

第六節噪聲測量的基本概念四、聲強與聲強級，聲功率與聲功率級聲強是在垂直于聲波傳播方向上，單位時間內通過單位面積表面的聲能，用I表示，單位為W/m2。聲強I是一個矢量，其方向是聲波傳播的方向。聲強的相對大小也可用“級”來度量，聲強級LI的定義為聲源在單位時間內以聲波的形式輻射出的總能量稱為聲功率，用W表示，單位為W，表示聲源發聲能量的大小。聲功率級LW的定義為W0為基準聲功率，W，空氣中基準聲功率W0=10–12W。I0為基準聲強，W/m2，空氣中基準聲強I0=10–12W/m2。第六節噪聲測量的基本概念四、聲強與聲強級，聲功率與聲功率級關于聲壓級、聲強級或聲功率級的討論：（1）對于聲壓級、聲強級或聲功率級的含義均指被度量的量與基準量之比或其平方比的常用對數，這個對數值就稱為被度量的級，因而“級”是相對量，分貝作為級的單位，是無量綱的。（2）在聲強級和聲功率級的定義中，其對數前面的常數均為10，而聲壓級前面的對數為20，這是因為聲能量正比于聲強和聲功率的一次方。聲壓增加1倍時，聲壓級和聲強級增加6dB；聲強增加1倍時，聲壓級和聲強級僅增加3dB。（3）聲功率是表示聲源特性的物理參量。對于一個確定的聲源，其聲功率級與聲波傳播的距離、環境無關，功率級不能直接測得，可在一定條件下利用聲壓級進行換算，而聲壓級和聲強級隨著測點的不同而變化，因此對于固定式機械設備ISO推薦以聲功率級作為噪聲的評價量。第六節噪聲測量的基本概念四、聲強與聲強級，聲功率與聲功率級點聲源的聲功率級與聲壓級的關系聲場類型適用環境關系式備注自由聲場全消聲室r–離聲源的距離(m)t–混響時間(s)t0=1sV–室容積(m3)V0=1(m3)S–室表面積(m2)λ–聲波長(m)p0–大氣壓(Pa)半自由聲場半消聲室、大房間戶外混響聲場全反射室第六節噪聲測量的基本概念四、聲強與聲強級，聲功率與聲功率級聲源聲功率聲功率級火箭發動機106W180dB渦輪噴射發動機104W160dB警笛103W150dB重卡發動機102W140dB機關槍10W130dB手持式風鉆1W120dB機械鋸0.1W110dB大聲講話10–3W90dB日常交談10–5W70dB冰箱10–7W50dB2.8m處的聽閾10–10W20dB28m處的聽閾10–12W0dB第六節噪聲測量的基本概念四、聲強與聲強級，聲功率與聲功率級聲級的評估：聲壓變化:10–5Pa—102Pa——范圍太大，用聲壓度量聲的大小不方便！人耳的感覺特征，即“響度感覺”不正比于強度，而是強度的對數。第六節噪聲測量的基本概念五、噪聲的頻譜分析1、頻程為分析噪聲的頻率特性和確定噪聲源，還需測量噪聲強度在頻域的分布規律。將聲頻范圍劃分為若干個區段，稱為頻程或頻帶。頻程（頻率區段）的劃分方法：（1）1倍頻程（10個頻程）：頻帶的上下限頻率之比為2:1（2）1/3倍頻程（10個頻程）：對1倍頻程三等分中心頻率31.563125250500100020004000800016000頻率范圍22

4545

9090

180180

355355

710710

14001400

28002800

56005600

1120011200~中心頻率506380100125160200250310400頻率范圍45

5656

7171

9090

112112

140140

180180

224224

280280

355355~450第六節噪聲測量的基本概念

第六節噪聲測量的基本概念五、噪聲的頻譜分析3、頻譜圖以選用的頻程中心頻率為橫坐標，以相應的頻程聲壓級（或聲功率級）為縱坐標，所繪制的曲線圖是分析噪聲來源及頻率特性的基本工具。在整機噪聲中，中、低頻部分以柴油機噪聲為主，而高頻部分則以廢氣渦輪增壓器的噪聲為主。增壓柴油機噪聲頻譜圖1–帶增壓器的柴油機整機噪聲頻譜2–增壓器的噪聲估算頻譜

3–不帶增壓器時的柴油機噪聲頻譜能源與動力學院第二部分噪聲測量噪聲測量的基本概念聲級的計算噪聲測量儀器噪聲測量技術11第十一章第七節聲級的計算一、聲級的合成當聲場中同時存在n個互相獨立的聲源時，聲場中某點處總聲壓的均方值等于各聲源在該點單獨引起的聲壓均方值之和，即式中，pt為聲場中某點處總聲壓，Pa；pi（i=1，2，···，n）為各聲源在該點單獨引起的聲壓，Pa。根據聲壓級的定義可知，它們同時作用時的總聲壓級為（1）假設各聲源單獨發聲時在聲場中測點引起的聲壓級分別為Lp1，Lp2，···，Lpn時，總聲壓級Lpt與各聲源聲壓級Lpi（i=1，2，···，n）之間的關系可表示為第七節聲級的計算一、聲級的合成（2）聲強級的合成公式為式中，LIt為各聲源合成的總聲強級，dB；LIi為第i個聲源的聲強級，dB。（3）聲功率級的合成公式為式中，LWt為各聲源合成的總聲功率級，dB；LWi為第i個聲源的聲功率級，dB。第七節聲級的計算一、聲級的合成當兩個獨立聲源的聲壓級分別為Lp1和Lp2，且Lp1≥Lp2，則它們共同產生的總聲壓級記Lpt=Lp1+ΔLp，在任何情況下，ΔLp≤10lg2dB=3.01dB。且隨著Lp1與Lp2之間差值的增加，ΔLp減小。若兩個聲源的聲壓級中的一個聲壓級超過另一個聲壓級的6~8dB，則較弱聲源的聲級可以不計，因為此時總聲級附加值小于1dB。當聲源多于兩個時，總聲壓級的求得可以采取兩兩合成辦法，且所得結果與合成順序無關。例：當兩個聲源聲壓級分別為如下時，合成后的總聲壓級Lpt為：10dB+10dB=?0dB+0dB=?100dB+100dB=?第七節聲級的計算二、聲級的分解噪聲測量中還經常會碰到這樣的問題：測量現場除待測聲源外，還存在其他聲源。例如，在實驗室中進行內燃機噪聲測量時，周圍還存在排風扇、測功器等設備的運轉噪聲。另外，為了判斷某一機器設備運轉時的主要噪聲源，需要從機器中逐一分解出單個運動部件產生的噪聲等。這就涉及到了從多聲源的環境中分解出某一聲源的問題。處理方法：首先測出合成噪聲的聲級，如總聲壓級Lpt。——對于前一種情況，Lpt是待測機器與其他設備一起運轉時總的噪聲聲壓級。——對于后一種情況，Lpt是待測部件與其他部件一起工作時的整機噪聲聲壓級。然后讓待測的機器停止運轉，或拆除待測的部件，再測量這時的噪聲聲壓級，記為Lpb，稱為待測噪聲的背景噪聲聲壓級。第七節聲級的計算二、聲級的分解Lpt與Lpb的差別即待測噪聲聲壓級Lpm，它們之間的關系為經代數運算，可得待測噪聲聲壓級：在工程上，常用查表或查圖的方法。當環境噪聲和測量所得噪聲二者的聲壓級差小于3dB，測量結果是不可信的，因而該測量是無效的。分貝扣除值圖第七節聲級的計算聲級平均值測量

三、聲級平均值定義：圍繞噪聲源在同一測量表面上多個測點。逐點測量噪聲級，進而獲得噪聲級的平均值。根據能量平均的方法，可得聲壓級平均值

Lp為式中，Lpi（i=1，2，…，n）為第i個測點測得的聲壓級；n為總的測點數目。簡便算法：當各測點聲壓級之間相差不大于5dB時，可按算術平均法計算，其誤差小與1dB。當各測點聲壓級之間相差在5~10dB時，可用平均值+1。第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）1、響度級（考慮人的聽覺特性的主觀評價值）聲壓和聲強都是客觀物理量，聲壓越高，聲音越強；聲壓越低，聲音越弱，但是它們不能完全反映人耳對聲音的“主觀的”感覺特性。——聲音的表現最終都得服務于人耳，是否靚聲與美聲，決定權依然由人耳說了算。人的聽覺特性：聲壓級相同但頻率不同的兩個聲源，人的主觀感覺是不同的，一般對高頻敏感，低頻遲鈍。考慮到人的上述聽覺特性后，響度級定義如下：選取1000Hz的純音為基準聲，如果所測聲音聽起來與某一聲壓級的基準聲一樣響，則該基準聲的聲壓級dB值就是所測聲音的響度級，單位為方（phon），用LN表示。例如，響度級為40phon聲音，指該聲音聽起來與聲壓級為40dB、頻率為1000Hz的純音一樣響。第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）1、響度級（考慮人的聽覺特性的主觀評價值）等響度曲線（Fletcher-Munsoncurves“弗萊徹-芒森曲線”）：以聲音頻率為橫坐標，聲壓級（或聲強、聲壓）為縱坐標，頻率與聲壓級不同，但響度級相同的曲線。該曲線描述了各頻率下，客觀的聲壓級與主觀的響度級之間的關系，可由聲音的頻率和聲壓級，查圖得到相應的響度級。例如：聲壓級為60dB、頻率為100Hz的聲音，查圖得到相應的響度級為50phon。

等響度曲線第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）1、響度級（考慮人的聽覺特性的主觀評價值）響度級是個相對量，有時需要用絕對量來表示，需引出響度的感念，用N表示，單位為“宋（sone）”，并以40phon為1sone。響度也是一個主觀指標，是人們對聲音強度的一種心理感知量。響度級每增加10方，響度即增加一倍，如50phon時為2sone，60phon時為4sone，70phon時為8sone等。其換算關系可由下式決定等響度曲線第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）2、感覺噪聲級與噪度在噪聲的主觀評價中，對于飛機噪聲，人們引進了一個新的參數——感覺噪聲級和噪度，分別用LPN和Nn表示，感覺噪聲級LPN的單位為dB，與響度級相對應；噪度Nn的單位為吶（noy），與響度相對應。感覺噪聲級是指根據噪聲的煩惱度，而不是根據響度，主觀分析而作出的對噪聲的評價數值。某一噪聲的感覺噪聲級，是在吵鬧上與該聲音相同的中心頻率為1000赫茲的窄帶噪聲的聲壓級。人們對于頻帶寬度較窄的、斷斷續續的和突發的噪聲特別感到煩躁。等感覺噪度曲線第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）2、感覺噪聲級與噪度第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）3、計權聲級任一等響度曲線，對各頻率f顯然有如下關系：響度級(f)=聲壓級(f)+修正值(f)當噪聲不是單一頻率，需用計權聲級。計權聲級：將噪聲的各頻率成分按某等響度曲線進行衰減后，測得的噪聲值。常用有A、B、C三種計權聲級，單位為dB。相應的計權聲級分別記為LA、LB和LC。A計權聲級：將噪聲的各頻率成分按40phon等響度曲線進行衰減后，測得的噪聲值。特點是主要衰減低頻段聲音，對中頻段也有一定衰減。第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）3、計權聲級B計權聲級：將噪聲的各頻率成分按70phon等響度曲線進行衰減后，測得的噪聲值。特點是僅對低頻段聲音有一定的衰減。C計權聲級：將噪聲的各頻率成分按100phon等響度曲線進行衰減后，測得的噪聲值。特點是對整個可聽頻率范圍內的聲音基本上無衰減。在上述三種計權聲級中，A聲級能夠最好地反映人耳的聽覺特性，是目前最常用的噪聲表示值。A、B、C計權網絡的衰減特性第七節聲級的計算

第七節聲級的計算

第七節聲級的計算四、噪聲的評定（人對噪聲的主觀量度）5、噪聲評價曲線為了確定噪聲的容許標準，還可以采用國際標準化組織推薦的噪聲評價曲線，圖中每一條曲線均以一定的噪聲評價數NR來表征，在這一曲線族上，1kHz聲音的聲壓級即為噪聲評價數NR，在數值上與A聲級的關系可近似為：根據容許標準規定的A聲級可確定容許的噪聲評價數NR。聲壓級超過該容許評價數對應的評價曲線，則認為不符合噪聲標準要求。噪聲評價曲線能源與動力學院第二部分噪聲測量噪聲測量的基本概念聲級的計算噪聲測量儀器噪聲測量技術11第十一章第八節噪聲測量儀器一、傳聲器傳聲器是將聲信號轉換成相應的電信號的一種聲電換能器。在噪聲測試儀中，傳聲器處于首環的位置，擔負著感受與傳送“第一手信息”的重任，其性能的好壞將直接影響到測量結果。1、傳聲器的種類和結構傳聲器按其變換原理不同，可分成電容式、壓電式和電動式等型式。磁鐵磁鐵阻尼罩殼體振膜線圈電動式傳聲器結構簡圖這種傳聲器精度較低，靈敏度也較低，體積大，其突出特點是輸出阻抗小，所以接較長的電纜也不降低其靈敏度。在聲壓的作用下，振膜和線圈移動并切割磁力線，產生感應電動勢，與線圈移動速度成正比。第八節噪聲測量儀器一、傳聲器1、傳聲器的種類和結構壓電式傳聲器結構簡圖壓電式傳聲器膜片較厚，其固有頻率較低，靈敏度較高，頻響曲線平坦，結構簡單，價格便宜，廣泛用于普通聲級計中。膜片受到聲壓作用而變位時雙壓電元件產生變形，在壓電元件梁端面出現電荷。殼體絕緣材料輸出后板雙壓電晶體彎曲梁金屬膜片靜壓力平衡管第八節噪聲測量儀器一、傳聲器1、傳聲器的種類和結構電容式傳聲器結構簡圖電容式傳聲器精密測量中最常用的一種傳感器，其穩定性、可靠性、振性，以及頻率特性均較好。振膜厚度在0.0025~0.05mm之間，它在聲壓的作用下發生變形位移，起著可變電容器動片的作用。可變電容器的定片是背級,其上的阻尼孔抑制振膜的共振振幅。etRet毛細孔內腔背級振膜阻尼孔絕緣體第八節噪聲測量儀器一、傳聲器2、傳聲器的參數靈敏度：式中，Ls為傳聲器的靈敏度，dB；u為傳聲器的輸出電壓，V；p為作用在傳聲器上的有效聲壓，Pa；u0、p0分別為基準電壓和基準聲壓，常取u0/p0=1V/Pa。靈敏度又分聲場靈敏度和聲壓靈敏度兩種。聲壓靈敏度是輸出電壓與傳聲器放入聲場后實際作用于膜片上的聲壓之比；聲場靈敏度是指輸出電壓與傳聲器放入聲場前所在位置的聲壓之比。當傳聲器的直徑D遠遠小于聲波波長λ（低頻）時，兩者基本相同；當D>>λ（高頻）時，聲場靈敏度值將大于聲壓靈敏度值。第八節噪聲測量儀器一、傳聲器2、傳聲器的參數頻率響應特性：傳聲器的頻率響應特性是指傳聲器靈敏度對被測噪聲的頻率響應。傳聲器的理想頻響特性是在20Hz～20kHz聲頻范圍內保持恒定。動態范圍：傳聲器的過載聲壓級與等效噪聲聲壓級之間的范圍稱為動態范圍。指向性：傳聲器的響應隨聲波入射方向變化的特性稱為傳聲器的指向性。非線性失真：當被測聲壓超出傳聲器正常使用的動態范圍時，輸出特性將呈非線性，產生非線性失直。輸出阻抗：傳聲器種類不同，其輸出阻抗也不同，這就要求后接電路有相應的處理方式。如電容式傳聲器輸出阻抗很高，應經阻抗變換或用高輸入阻抗的前置放大電路來匹配；而電動式傳聲器的輸出阻抗較低，可直接與一般電壓放大器連用。第八節噪聲測量儀器二、聲級計1、聲級計的作用聲級計是聲學測量中最常用的噪聲測量儀器，不僅可進行聲級測量，而且還可和相應的儀器配套進行頻譜分析和振動測量等。聲級計在把噪聲信號轉換成電信號時，可以模擬人耳對聲波反應速度的時間特性，對不同頻率及不同響度的噪聲作出相應的特性反應，描述出不同的反應曲線。聲級計的種類有多種，按用途可分為一般聲級計、積分聲級計、脈沖聲級計、噪聲暴露計（又稱噪聲劑量計）、統計聲級計、頻譜聲級計等；按電路組成方式可分為模擬聲級計和數字聲級計兩種；按其體積大小可分為臺式聲級計、便攜式聲級計和袖珍式聲級計；按其指示方式可分為模擬指示（電表、聲級燈）和數字指示聲級計。第八節噪聲測量儀器二、聲級計IEC651標準，把聲級計分為0型、1型、2型和3型聲級計。0型聲級計作為標準聲級計，1型聲級計作為實驗室用精密聲級計，2型聲級計作為一般用途的普通聲級計，3型聲級計作為噪聲監測的普查型聲級計，4種類型的聲級計的各種性能指標具有相同的中心值，僅僅是容許誤差不同。2、聲級計工作原理聲級計工作原理圖第八節噪聲測量儀器二、聲級計2、聲級計工作原理聲信號通過傳聲器轉換成交變的電壓信號，經輸入衰減器、輸入放大器的適當處理進入計權網絡，以模擬人耳對聲音的響應，然后進入輸出衰減器和輸出放大器，最后通過均方根值檢波器檢波輸出一直流信號驅動指示表頭，由此顯示出聲級的分貝值。輸入級是一個阻抗變換器，用來使高內阻抗的電容傳聲器與后級放大器匹配。要求輸入級的輸入電容小和輸入電阻高。電容傳聲器把聲音變成電壓，此電壓一般是很微弱的，不足以驅動電表指示。為了測量微弱信號，需將信號進行放大。但當輸入信號較大時，又需要對信號進行衰減，使電表指針得到適當的偏轉。為了插入濾波器和計權網絡，衰減器和放大器分成兩級，即輸入衰減器、輸入放大器和輸出衰減器、輸出放大器等。第八節噪聲測量儀器二、聲級計3、精密聲級計①傳聲器②放大器：放大傳聲器的輸出信號。③衰減（增益）器：控制指示表頭的顯示量程，每檔衰減10dB。④計權網絡：將噪聲的各頻率成分按一定特性用模擬電路進行衰減。⑤指示表頭：與衰減器配合讀出噪聲級。⑥濾波器：按一定頻程（一般為1倍頻程）對噪聲進行濾波。精密聲級計外形圖1—電容傳聲器；2—衰減器；3—放大器輸出；4—指示表頭；5—濾波器旋鈕；6—計權網絡旋鈕；7—外接濾波器第八節噪聲測量儀器二、聲級計4、聲級計的使用：聲級計的讀數用聲級計測量噪聲，測量值應取輸入衰減器、輸出衰減器的衰減值與電表讀數之和。一般情況下，為獲得較大的信噪比，盡量減小輸入衰減器的衰減，使輸出衰減器處于盡可能大的衰減位置，并使電表指針在0～10dB的指示范圍內。有的聲級計具有輸入與輸出過載指示器，指示器一亮就表示信號過強，此信號進入相應的放大器后將產生削波而失真。為避免失真，必須適當調節相應的衰減器，有時為避免輸出過載，電表指針不得不在負數范圍內指示讀數。為了獲得較小的測量誤差，避免失真放大，有時可采取犧牲信噪比的權宜措施第八節噪聲測量儀器二、聲級計4、聲級計的使用：傳聲器的取向通常將傳聲器直接連到聲級計上，聲級計的取向也決定了傳聲器的取向。一般噪聲測量中常用的是場型傳聲器。這種傳聲器在高頻端的方向性較強，在0°入射時具有最佳頻率響應。若使用壓力型傳聲器進行測量，在室外，應使傳聲器側向聲源，即傳聲器膜片與入射聲波平行，以減小由于膜片反射聲波而產生的壓力增量。在混響場，使用壓力型傳聲器則沒有任何約束，它最適于測量這種無規入射的噪聲。場型與壓力型傳聲器在自由場中測量時的取向1–場型傳聲器2–壓力型傳聲器第八節噪聲測量儀器三、聲強測量儀組成：聲強探頭、信號數字化儀、聲強分析模塊。聲強測量儀的系統組成框圖第八節噪聲測量儀器四、頻率分析儀頻率分析儀是用來分析噪聲頻譜的儀器，主要由帶通濾波器和放大器組成，其工作方式是先利用一組帶通濾波器將被測噪聲中所含的不同頻率分量逐一分離，再經內部放大器放大后進行測量。測量結果可從指示表頭讀出，也可外接信號記錄儀直接獲取頻譜圖。頻率分析儀中的濾波器有1倍頻程或1/3倍頻程的帶通濾波器和恒定窄帶寬帶通濾波器。減窄頻帶，就可以更詳細地測定噪聲的頻率分布，有利于觀察頻譜的峰值。不同帶通濾波器的測量結果比較1倍頻程1/3倍頻程某恒定帶寬第八節噪聲測量儀器五、麥克風陣列聲音定位系統–聲音照相機麥克風陣列（MicrophoneArray）也稱為傳聲器陣列。多個傳聲器按照一定的規律排布，即可形成麥克風陣列。陣列可以是一維陣、二維平面陣、也可以是球狀等三維陣。聲成像方法可分為常規聲成像、掃描聲成像和聲全息。麥克風陣列示意圖第八節噪聲測量儀器五、麥克風陣列聲音定位系統–聲音照相機1、常規聲成像用聲源均勻照射物體，物體的散射聲信號或透射聲信號，經聲透鏡聚焦在像平面上形成物體的聲像，它實質上是與物體聲學特性相應的聲強分布。用適當的暫時性或永久性記錄介質，將此聲強分布轉換成光學分布，或先轉換成電信號分布，再轉換為熒光屏上的亮度分布。如此即可獲得人眼能觀察到的可見圖像。第八節噪聲測量儀器五、麥克風陣列聲音定位系統–聲音照相機2、掃描聲成像通過掃描，用聲波從不同位置照射物體，隨后接收含有物體信息的聲信號。經過相應的處理，獲得物體聲像，并在熒光屏上顯示成可見圖像。可分為：B型聲像、C型聲像、多普勒成像、計算機超聲斷層成像、合成孔徑成像、三維圖像顯示。通用簡單B型掃描系統框圖簡單的機械驅動的C型掃描系統框圖第八節噪聲測量儀器五、麥克風陣列聲音定位系統3、聲全息DenisGabor于1948年發明了全息攝影術。全息攝影術通過在目標光束之外增加一個參考光的方法保留相位信息，實現了三維成像。20世紀60年代激光誕生了，它作為一種相干光源極大地促進了全息攝影術的發展，由此也促使很多人研究應用其他形式的輻射來獲得全息圖像。1965年，PalGreguss開創了聲學全息術。Mueller和Sheridon發明的全息術方案液面聲學全息系統在液面產生傅里葉變換全息圖第八節噪聲測量儀器五、麥克風陣列聲音定位系統–聲音照相機3、聲全息1）激光重現聲全息：用一聲源照射物體，物體的散射信號被換能器陣列接收并轉換成電信號，再加上模擬從某個方向入射聲波的電參考信號，于是在熒光屏上形成全息圖并拍照。然后，用激光照射全息圖，即可獲得重現像。2）計算機重現聲全息：用上述方法記錄換能器陣列各單元接收信號的幅度和相位，用計算機進行空間傅里葉變換，即可重現物體聲像。汽車車身聲成像測量結果能源與動力學院第二部分噪聲測量噪聲測量的基本概念聲級的計算噪聲測量儀器噪聲測量技術11第十一章第九節噪聲測量技術一、測試環境對噪聲的影響ISO3741–3748：聲功率測量必須在消聲室、半消聲室或滿足要求的混響室內進行，用傳聲器在不同的位置測量聲壓，用規定的公式進行聲功率換算：GB/T6881–6