产品振动和噪声检测

第四章产品的振动与噪声检测##•振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。•振动分析的基本任务是讨论系统的激励（即输入，指系统的外来扰动，又称干扰）、响应（即输出，指系统受激励后的反应）和系统动态特性（或物理参数）三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。•噪声（noise）即噪音。是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。•振级和噪声是评定机电产品质量的重要指标。第一节振动检测基础•一、振动描述;•振动(震动)vibration振动(又称振荡)是指一个状态改变的过程。即物体的往复运动。•分类：定义机械振动：物体(或物体的一部分)在平衡位置（物体静止时的位置）往复运动。---弹簧振子、单摆物理振动：物理量周期性变化。---电磁振荡广义振动：系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下交替变化的过程---基本粒子、政治振荡、经济振荡简谐振动:按正弦或余弦规律变化，最基本也最简单的机械振动。复杂振动：不能用简单正弦描写。任何复杂振动可以由简谐振动的叠加。描写振动描述;•自由振动：无阻尼力、无策动力，振幅不变。•阻尼振动：有阻尼力，无策动力，振幅逐渐减小，直至振动停止•受迫振动：有阻尼力、振动系统在周期性策动力作用下的振动。稳定时，系统的振动频率等于策动力的频率，跟系统的固有频率无关受力确定性振动：有规律性随机振动：无确定性规律如车辆行进中的颠簸、噪声规律简谐运动Simpleharmonicmotion﹝原名直译简单和谐运动﹞是最基本也最简单的机械振动。当某物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置。它是一种由自身系统性质决定的周期性运动。（运动和弹簧振子运动）简谐运动方程：位移)cos(tAX速度)sin(tAVX加速度)cos(2tAaX物理量：•振幅A;•周期T：T其中m为振子质•量，k为振动系统的回复力系数。•圆频率-----固有频率•频率f=•初相:φ是t=0时运动状态x,v,a•位相：•t=t时运动状态x,v,a•受迫振动:在外界驱动力作用下的简谐振动，频率•只与驱动力频率有关。•驱动力频率越接近固有频率，振幅越大。•驱动力频率与固有频率相等时，振幅随时间正比增大，发生共振。km2mkT2T1)cos(t受迫振动与共振•1）受迫振动：振动系统在周期性策动力作用下的振动。稳定时，系统的振动频率等于策动力的频率，跟系统的固有频率无关。•（2）共振：当策动力的频率等于系统的固有频率是振幅最大称为共振。•受迫振动方程：见PPT•振动量大小和形态可以用运动体运动量描述：位移、速度、加速度的时间函数描述，也可用频率，振动频率。园频率单位(HZ）每秒弧度(rad/s)另外还可以用位移、速度、加速度,相位关系。波动•波动：振动的传播•机械振动在介质中的传播称为机械波（mechanicalwave）。机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处，机械波由机械振动产生，电磁波由电磁振荡产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同，在真空中根本不能传播，而电磁波（例如光波）可以在真空中传播；机械波可以是横波和纵波，但电磁波只能是横波；机械波与电磁波的许多物理性质，如：折射、反射等是一致的，描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有：水波、声波、地震波•形成条件（机械波）•波源•波源也称振源，指能够维持振动的传播•，不间断的输入能量，并能发出波的物体或物体所在的初始位置。波源即是机械波形成的必要条件，也是电磁波形成的必要条件。•波源可以认为是第一个开始振动的质点，波源开始振动后，•介质中的其他质点就以波源的频率做受迫振动，波源的频率等于波的频率。水波介质:广义的介质可以是包含一种物质的另一种物质。波动•在机械波中，介质特指机械波借以传播的物质。仅有波源而没有介质时，机械波不会产生，例如，真空中的闹钟无法发出声音。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中，波速是不同的。•下表给出了0℃时，声波在不同介质的传播速度，数据取自《普通高中课程标准实验教科书-物理（选修3-4）》(2005年)[1]。单位v/m·s^-1介质空气纯水盐水橡胶软木铜铁波速3321490153130～5048038004900----动力学方程22dtxdm022xmkdtxdkxf:受力一、谐振动动力学方程xvv-AA弹簧振子弹簧振子FF1、弹簧振子：由物体和轻质弹簧组成系统§4-1简谐振动(理想模型）是某些实际振动的近似，可用来研究复杂振动二、谐振动的运动方程1。谐振动的特征量(1)周期、频率、圆频率周期T：完成一全振动所需的时间)sin(tAdtdxv)cos(2tAdtdvaAx+=cos()tωA+=cos()tωT+一个周期后位移相等，x=Acos(t+)0222xdtxdωT=π2所以频率：单位时间完成振动次数T/1数学式：园频率：2秒内振动次数2:数学式2T数学式(2)振幅A：物体最大位移的绝对值)/(22020vxA消去sincos00AvAx由初始条件确定Axt=0=x0vt=0=v0k/mT2弹簧振子g/lT2摆单mghJT/2复摆)(mk)(lg)(Jmgh(3)位相（相位、周相）时刻物体的振动状态：位相tt状态物体的初始　初位相0:tsincos00AvAx)(001xvtgA消去约定：初位相(-，])sin(tAvx=Acos(t+).,)(,,时刻的运动状态即确定了谐振子　位置和速度时刻振动物的就可确定由确定时当tttA谐振动的位移、速度及加速度位相关系)cos(tAx)2/cos()sin(tAtAv)cos()cos(22tAtAa2/超前比xv2/超前比va反相与xavaxTto•••平面波：波面为平面的波波面波线球面波：波面为球面的波波面波线一、波的几何描述（1）波面：由振动相位相同的点所组成的面（2）波前（波阵面）：最前面的波面（3）波线(波射线)：表示波传播方向的直线各向同性介质中波线波面§5-2波的基本概念*波动是振动的传播过程。····t=T/4·····················t=T/2································t=3T/4·······················t=T····················t=00481620············12·············24“上游”的质元依次带动“下游”的质元振动。某时刻某质元的振动状态将在较晚的时刻于“下游”某处出现。纵波按波线与振动方向关系横波二、机械波的分类按波面形状平面波球面波柱面波按复杂程度简谐波复波按持续时间连续波脉冲波按波形是否传播行波驻波xy横波的波动过程振动方向波的传播方向横波：质点的振动方向和波的传播方向垂直传播媒质：具有剪切弹性或产生张力机械横波只能在固体或柔软绳索中传播纵波的波动过程波的传播方向质点振动方向疏密疏密疏纵波：质点的振动方向和波的传播方向平行传播媒质：具有拉压弹性或容变弹性机械纵波可在固体、液体或气体中传播弹性媒质中u密度模量波速波速仅仅取决于媒质的弹性和惯性模量密度横波Gu固体：Tu柔绳：线密度绳张力::T纵波Yu固体：Bu液气：三.波的特征量1.波速u概念：振动状态传播的速度由媒质的性质决定与波源情况无关。2.周期T：一个完整的波通过波线上的某点所需的时间。由波源决定（波源、观测者均不动时）角频率:频率:T1π23.波长：波线上相邻的振动状态相同的两质元间的距离。xuuT由波源和媒质共同决定。波长反映波的“空间周期”。时间周期反映了波的、、T四、波动的传播特征：2Ttx····t=T/4·····················t=T/2································t=3T/4·······················t=T····················t=00481620············12·············24各质元振动的周期（T）与波源相同，各质元的振动状态不同（即相位不同），沿波的传播方向，各质元相位依次落后§5-3平面简谐波一、平面简谐波概念所有质点作谐振且波面为平面的波二、平面简谐波的波动方程：y=f(x,t)描述媒质中各质点位移y随各点平衡位置x和时间t变化的函数关系xxuyoBCx沿x轴正向传播1、参考点O振动方程)cos(ootAyx0点B振动方程ooBuxtAuxtyty）（cos)()(波动方程：])(cos[0xouxxtAy结论：确定波动方程的二个条件u　已知.1程　波线上一点的振动方.2])([02cosxoxxTtAy])t([02cosxoxxAy}-t[{o0](2cosxxxuAy）波动方程其它形式22TuTx=x1y=Acos[(t-x1/u)+]波动方程x1处质点的振动方程t=t1y=Acos[(t1-x/u)+]yxo波动方程t1时刻各质点位移与其坐标方程(t1时刻波形图照片)三、波动方程物理意义(正向传播波为例)])([uxtAycos表明相应于位移y1的相位向前传播了uΔt行波t与x都发生变化(一般情形)y|t=t1+t=Acos[(t1+t-/u)+]x|t=t1=Acos[(t1-x/u)+]1y1yy且　.t1+tyyx.xot11yxtuxx华东理工大学物理实验中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology弹性摆轮的受迫振动方程tMdtdbkdtdJcos022根据转动定理受迫振动方程tmdtddtdcos22022摆轮转动惯量弹性力矩空气阻尼力矩强迫阻尼力矩)(,)(2),(020强迫力矩阻尼系数固有频率JMmJbJk华东理工大学物理实验中心EastChinaUniversityofScienceandTechnology实验装置电磁阻尼部分电机部分电机转动频率调节器*电机转速、振幅、摆轮周期测量：光电门*相位差测量：闪光灯、角度读数盘上指示杆波的干涉•频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。•产生干涉的一个必要条件是，两列波的频率必须相同或者有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波源没有固定的相位差（相差），相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的，没有振动总是加强或减弱的区域，因而不能产生稳定的干涉现象，•不能形成干涉图样。•两列波的相干条件是：•①频率相同•②振动方向相同•③相位相同或相位差恒定二、振动量峰值、有效值、平均值:。•振动一般以机械波形式存在，因此在描述波动，可用正弦波。•⑴峰值：在给定区间内，某一量的最大值。•峰峰值是代数差的最大值。对于简谐振动峰峰值是代数差的最大值。对于简谐振动振幅用峰值表示振动的程度具有一定的价值，强度性破坏直接与峰值有关。•⑵有效值:•设振动信号，它的有效值定义为：•如果有周期振动•则有效值