汽车试验学第六章

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1、6 振动与噪声测量6.1 振动测量6.1.1 振动测量的内容和方法一、测量目的和内容 机械振动在许多情况下是有害的，它影响机器、车辆的性能和寿命。振动产生噪音，危害人体健康，严重时产生共振，使零、部件失效甚至破坏而造成事故。因此对车辆、机器，应将其振动量控制在允许范围内。在解决振动问题时，除了进行理论上的分析计算外，进行直接测量和试验具有重要意义。1. 振动测量的目的 检查机器运转时振动特性，检验产品质量，为设计零、部件提供依据。 分析查明产生振动原因，寻找根源，为减振和隔振措施提供材料。 考核机器设备承受振动和冲击的能力，对系统动态特性进行测量； 监视连续运转机器，在大型机器上，安装永久性拾

2、振器，可及时发现机器运转异常情况，以避免重大事故。2. 振动测量内容 振动量测量：通常所测振动量为振动体一点(或几点)的位移、速度、加速度和激振力。 测量内容有幅值(峰值、均方根值)、时间域特性(振动时间历程、频率、相位)和频域特性(富里叶频谱)。 对随机振动，则测量幅值要作概率密度、测量时域特性要测自相关和互相关函数，频域特性要测自功率谱，互谱等。 振动系统特性参数测量：系统特性有刚度、阻尼和固有频率。决定于系统本身特性和激振力的相应有振型、系统动态响应特性等。二. 振动测量方法 振动与冲击的测量方法，按其测量的力学原理，可分为： 相对测量法：选取空间的某一固定点或运动点作为参考坐标点，利用

3、振动体对参考点的相对运动，直接测量振动量的大小或记录时间历程。 惯性测量法：利用振动体对惯性质量系统激振所产生的响应，测得振动量或记录时间历程。 按振动量的转换方式可分为： 电测法：将被测量用传感器转换成电量或电参数，然后用电子测量仪器进行测量。它的优点是灵敏度高，频率范围和动态线性宽，便于分析和远距离测量，是目前广泛采用的方法。缺点是易受电磁场干扰。 光学测量法：利用光杠杆原理，激光多普勒效应等进行测量，它的特点是不受电磁场干扰，测量精度高，适用于质量小及不易安装传感器的构件作非接触测量，在精密测量和仪器标定中用得较多。 机械测量法：利用杠杆原理，将振动量放大后直接记录下来，优点是抗干扰能力

4、强，但测量频率范围和动态线性范围窄，主要用于低频大振幅及扭振测量。6.1.2. 惯性测量法： 测量系统的传感器是由惯性质量和弹簧组成的单自由度振动系统。惯性质量为m ，弹簧刚度为k ，阻尼为c ，测量时，传感器固定在振动体上，壳体随被测件而振动，质量块与壳体间产生相对运动和惯性力，再经机电转换为电信号。 设基础运动为x(t)，质量块的绝对运动为y，则xCKxKyyCym )()(txtyzxmKzzCzm txtxsin)(0txmKzzCzmsin02 )sin(0tzz222020)2()1 (xz212 arctg由上式可以看出：当频率比和阻尼比不同时，传感器所反应的振动情况也不一样。

5、其中：其稳态解为：设被测物体作简谐振动：代入上式得令相对运动a). 振幅计由幅频特性图可看出：当1，即/ n1，1时，A()d1，幅值误差较小。因此，当1，即/ n1，1时，用于测量位移。此时传感器的固有频率n应尽可能小，以获得较宽的可测频带，但受弹簧的强度和惯性块的尺寸重量的影响， n不能太小。 22220021xzAd 加速度计 22220200211naxzazA由幅频特性图可看出：当1，即/ n 1，1时，A()a1，幅值误差较小。因此，当 1，即/ n 1，1时，A()v1，幅值误差较小。因此，当 1，即/ n 1，1时，用于测量速度。此时传感器的阻尼比应尽可能大，以获得较宽的可测频

6、带，但相频特性的线性越差。6.1.3. 振动电测法用电测法测振动的测量原理如图。测振动加速度应变式：测振动位移电感式：测振动位移电容式：参数型测振动加速度和力压电式：测振动速度磁电式：发电型 为了获得高的测量精度，在不同频率，测量的振动量应加以选择，通常在低频时应测位移，在中频时应测速度，在高频时应测加速度。这是因为测量仪器的测量动态范围是一定的，为获得大信噪比应测量较大的信号值。例如，在频率很高时的位移极小，而加速度值很大，测量加速度可获得高精度。而在低频时，加速度很小，位移大，测量位移可得高精度。 当测量复杂的周期振动、冲击和随机振动时，要求对振动量作各种统计特性分析，在测量系统中应设有分

7、析仪器。这类分析仪有幅值概率分析仪、频谱分析仪等。6.1.4. 振动冲击测量 一. 周期振动测量 周期振动的振动量有：位移、速度、加速度和力。测量参数有幅值、频率、相位、时间历程和频谱。简谐振动时最简单的周期振动。 )sin( tAx)2sin(tAx )sin(2tAx AAA2,位移、速度、加速的地最大值分别为加速度速度位移 振动量的幅值是表示周期振动的重要参数。振动量幅值得表示有五种。名 称 幅 值 峰值 的最大值 峰峰值 的最大值和最小值之差 绝对平均值 均方值 均方根值 (有效值) fx)(txffxxmxrmsx)(txdttxTT0)(1TdttxT02)(1TdttxT02)(

8、1 振动频率也是表征周期振动的重要参数，可以用频率计和示波器利萨如图形测量。振动相位是表征周期振动的第三个参数，可以用相位计、示波器测得。 为了了解振动的波形，必须测量时间历程，同时从时间历程上波形与时标的对比可确定振动频率。通过波形对比可确定相位值。为了解振动幅值，通常用峰峰值。 为了了解振动能量一般用有效值。 对复杂的周期运动，除了测其幅值外，还要测量每个频率成分的幅值，即频谱。根据任何周期函数可用富里叶级数展开为诸简谐函数之和的原因，分析出各谐波成分。)()(nTtxtx10)2sin2cos()(kkkTktbTktaatx220)(1TTdttxTadtTkttxTaTTk222co

9、s)(1dtTkttxTbTTk222sin)(1这种时变函数具有基波的整倍数的波形，可以用富里叶级数展开：复杂周期振动的时间历程用周期性时变函数表示为： 二. 冲击测量 冲击是一种确定性的非周期振动。冲击的激振函数是突然变化的非周期振动量。如力、加速度、速度、位移。对冲击的测量主要是冲击峰值、波形、持续时间、冲击富里叶谱及冲击响应等。冲击信号，由于周期为，可由富里叶级数推广到富里叶积分，从而求得连续频谱。 dttBdttAtx)sin()(21cos)(21)(dtttxA)cos()()(dtttxB)sin()()(其中三. 随机振动测量 随机振动是不确定的振动，它的特点是以统计特性来表

10、征的，主要测量均方值或均方根值，同时也观察其瞬时加速度峰值的最大值、幅值、分布概率密度、相关函数、互相关函数、自功率谱和互谱。 设随机振动是平稳的各态历经的，则可用单个样本记录的时间平均来确定其特性。均值：样本时间历程记录x(t) 的时间平均值。TTdttxTx0)(1limdttxTTTx022)(1lim均方值：样本时间历程平方根取时间平均均方根值：是均方根的正平方根(RMS)方差：是x(t) 与均值的差，取时间均方值。TxTxdtmtxT0222)(1limdttxtxTRTTx)()(1)(0lim)(xRx)0(2xxRx自相关函数：标准差：是方差的正平方根( ) deRfSfjxx

11、2 dfefSRfjxx2dttytxTRTTxy0)()(1)(lim deRfSfjxyxy2 dfefSRfjxyxy2互功率谱密度函数互相关函数自功率谱密度函数6.2 噪声测量及其应用6.2.1 噪声分类 次声 指低于人们听觉范围的声波， 频率 20 Hz 可听声 人耳可以听到的声音， 频率为20 Hz20 kHz 超声 是频率超过人耳听觉范围极限的高 频波，频率为20 kHz300MHz 特超声 指频率高于超声上限的超高频波 声波可分为根据频率高低 噪声是一种不悦耳、扰乱听觉、破坏安静的声音，它是由许多频率和相位不同的复杂声波杂乱组合而成。车辆和机器噪声是由各种振动源产生的。噪声类型