高速电主轴噪声分析及控制研究 毕业设计论文.doc

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）摘 要随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对各类机电产品和设备也提出了更高、更新的要求。为满足这种要求，目前许多机电系统正向复杂化、高速化及相对重载化的方向发展。伴随着这些发展，对高速加工的核心部件高速电主轴的噪声问题也提出了越来越高的要求。因此噪声已经成为了评价高速电主轴性能的一项重要指标。基于此，本文开展对高速电主轴噪声分析及控制研究主要内容有：对振动噪声基本理论特别是前人关于高速电主轴噪声的知识做了总结。对高速电主轴结构、工作原理进行分析的基础上，对高速电主轴各种噪声的产生机理和特征作了较为详细的阐述，讨论了各种噪声的影响因素及相应的控制措施；在噪声测试方面，介绍了常用的测量噪声的声压法、声强法。声强法方面主要做了理论上的探讨，研究了声强测量的原理及如何减小测量误差等，为进一步应用其开展噪声研究工作做了准备；讨论各种识别高速电主轴噪声源的方法及其原理。最后以型号为的高速电主轴为研究对象，对其声压进行了测量，测定了该电主轴的声功率级，并分析了所测信号的频谱结构，初步分析了噪声的产生原因和主要噪声源的位置。关键词：高速电主轴噪声，声压，噪声测试，频谱分析abstract as science and technology development and improvement of living standards , people of all kinds of mechanical and electrical products and equipment is also a higher, updated requirements. to meet this requirement, many current positive complex mechanical and electrical systems, high speed and relatively heavy in the direction of development. along with these developments, the core components of high-speed machining of high-speed electric spindle noise made ever-increasing demands,noise index is an important aspect in evaluating engines performance.carry out high-speed electric spindle analysis and control of noise is important.the main contents of this article as follow: fundamental theories about vibration and noise especially precedential research on high-speed electric spindle noise are summarized.on the basis of analyzing high-speed electric spindles structure and working principle, the origination, characteristics, influential factors and control measures of high-speed electric spindle noise are analyzed in this paper; with regard to noise testing,sound pressure and sound intensity are introduced. study of sound intensity is focused on testing principal,instruction and how to reduce error.the works will be helpful for the further noise studying through sound intensity; discussed the high-speed electric spindle various identification method and principle of noise. the testing object in this paper is an high-speed spindle (type:), sound pressure is measured to determine the sound power level of the spindle, and analyzed the spectral structure of the measured signal, a preliminary analysis of the causes of noise and the main noise source location.keywords:high-speed spindle noise,sound pressure,noise testing,frequency spectrum analysis目 录 第一章 绪论1 1.1 本课题研究的意义1 1.2 国内外研究现状2 1.2.1 噪声分析与控制的提出3 1.2.2 噪声分析与控制的发展5 1.2.3 高速电主轴噪声的研究现状6 1.3 本课题研究内容7第2章 高速电主轴振动与噪声的产生和特征92.1 高速电主轴的振动分析9 2.2.1 高速电主轴的基本结构9 2.2.2 高速电主轴工作原理11 2.2.3 高速电主轴振动产生的机理12 2.2 电主轴噪声产生的机理和特征13 2.2.1 电磁噪声产生的机理和特征13 2.2.2 机械噪声产生的机理和特征13 2.2 噪声分析与控制中的声学基础14 2.3.1 声波的产生与声压14 2.3.2 声学波动方程16 2.3.3 声波的能量、声强和声功率20 2.3.4 声级21 第3章 噪声测试技术24 3.1 概述 24 3.2 噪声测量系统25 3.3 声压测量26 3.3.1 声级计26 3.3.2 声压测量中的注意事项26 3.4 声强测量27 3.4.1 声强测量基本原理27 3.4.2 声强测量的误差分析30第4章 高速电主轴噪声的仿真分析344.1 labview 软件简介344.2 测量点的布置364.3 测量过程374.4 测量结果的仿真分析384.5 结论47 第5章 总结与展望48参考文献 49致谢 52 第一章 绪论 1.1 本课题的研究意义 随着现代工业的迅速发展和社会进步，人们逐步认识到，噪声已成为影响最广的一种公害，是四大环境污染之一。噪声是一种声学污染源，它不仅影响人们的身心健康，影响人们的工作休息，而且也是降低工作人员的劳动效率,导致各种事故发生的重要原因。时间久了，噪声除了对人的听觉系统有损伤以外，还对大脑的神经系统、心血管系统及消化系统等均有影响，这称之为噪声的生理效应。 噪声还严重影响工业产品的质量。一般来讲，产品的噪声越大，产品的质量就越低劣，因而其在市场上的占有率就越低。特别是产品的能够直接被用户所感觉到，因而其噪声往往产品生产和销售的关键因素。一般情况下，我们知道，一件产品其加工精度越高，噪声就越低，反之越高。例如，当今的硬盘市场竞争极其激烈，其竞争不仅仅表现在储存量、搜索速度荷稳定性上，在硬盘的噪声方面更是投入了更大的人力和物力。因为，一旦速度提高，随之而来的振动噪声就会增大，而这些烦人的“吱吱”声对于计算机用户来讲，是非常影响思绪和情绪的。所以，多数的顾客在选择计算机时都要求硬盘的噪声小。由于用户的高度重视，各硬盘生产厂家在噪声的控制上花的功夫相当大。而iso也很早就制定了噪声的标准，我国机械产业很多时候只是注意了功能的实现，往往忽视了噪声、外形等相关技术的发展，所以在国际市场上缺乏竞争力。高速加工于20世纪90年代初期进入工业制造领域，是制造工业史上继数控加工之后的又一项重大创新，它不仅可以获得更大的生产效率,而且还可获得很高的加工质量，而高速加工一个最根本最核心的特点和技术就是实现高速的切削速度，因此高速电主轴单元成为高速加工机床核心部件。高速电主轴作为高速机床的核心部件，也是该机床的主要噪声源。电主轴中电磁噪声和机械噪声是不可避免的，它是反映电机设计和制造水平的重要指标，通过对其空载运转下产生的振动与噪声进行性能预测和实验评价，研究隔振与降噪技术，并依据噪声来辨别和排除机器故障,不仅能保证生产任务完成,还可防止安全事故发生。因此，噪声问题是一个具有极强实际意义的问题。1.2 国内外研究现状 从二十世纪五、六十年代开始，国外一些研究单位和高效就进行发动机噪声的研究工作。目前为止，抑制机构噪声的方法主要通过两种途径：一种是直接对噪声进行控制，一种是通过控制振动，实现对噪声的控制，前者的提出很自然，是最早使用的，它主要分为被动控制和主动控制两种。吸声、隔声等被动控制很早就应用在控制的实践中，1934年德国物理学家 paul lueg（18981979）分别向德国、美国提出名为“消除声音振荡过程（process of silencing sound oscillation）”，标志着噪声的主动控制研究的开端，有源消声（active noise control）开始被研究。1975年n. lalor 和 m. petyt 在sae上发表了作为噪声源的内燃机机构振动模态。1982年，m.f.russell在文章中对柴油机噪声控制技术进行了论述。于此同时，一些学校和企业也进行了大量的研究工作，英国的南安普顿大学（university of southampton）振动噪声研究所于上世纪七十年代在对一些主要内燃机制造公司生产内燃机噪声测试的基础上，提出了预测柴油机a计权声压级的经验公式，随着柴油机降噪工作的开展，英国的里卡多（ricardo）公司又对该公式进行了修改。1.2.1. 噪声分析与控制的提出 随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对各类机电产品和设备也提出了更高、更新的要求。为满足这种需要，目前许多机电系统正向复杂化、高速化及相对重载化的方向发展。伴随着这些发展，随之而来的噪声问题正日益突出。 噪声的危害是多方面的，其中最直接、最明显的表现在于对人的各种影响。噪声严重影响人们的工作效率，长时间的强噪声环境中工作会使听力受到损害，人在较强的噪声环境下暴露一定时间会出现听力下降的现象，但到安静的场所停留一段时间，听觉就会恢复，这种现象叫做暂时性听阀偏移，也叫做听觉疲劳。但是长年累月的在强噪声环境下工作，不断的接收强噪声的刺激，则听觉不能复原，造成永久性听阀偏移，即听力损失。有资料表明：在80db一下职业性噪声暴露时，一般不致引起噪声性耳聋（并不是指不造成听力损失）；在85db下可造成轻微的听力损失；在85db90db之间，会造成少数人的噪声性耳聋；在90db100db之间，造成一定数量人的噪声性耳聋；在100db以上，造成相当数量人的噪声性耳聋。 除了对人听力的影响外，听力还对人的健康有很大的危害。它直接作用于人的中枢神经系统，使人的基本生理过程失调，甚至还会引起神经系统、心血管系统、消化系统等方面的疾病。此外，噪声还会对建筑物造成损坏，干扰精密仪器的运转。 噪声的来源是很多方面的，其中电磁噪声和机械噪声是主要因素。电磁噪声是由气隙磁场产生的、作用在定子铁芯上的径向力波引起的。而机械噪声又称结构噪声，是在撞击、摩擦、交变应力等的作用下，机械构件由于振动产生的噪声。目前，在高速加工技术领域广域使用着以电主轴为主体的各种高速机构，它的电磁噪声以及振动噪声构成了机械设备总噪声的一个重要部分。因此，设备电磁噪声以及振动噪声的有效控制对实现机电产品整体降噪具有十分重要的意义。 目前，产品的噪声指标已经成为衡量其先进性和市场竞争力的主要因素之一。许多国家和国际组织如iso等都制定了相应的噪声标准。目前，如何对噪声进行有效的控制或如何基于噪声控制设计高性能产品，已成为急需进一步解决的关键问题之一。甚至，下一世纪对噪声的控制技术的研究与应用依然是重要的前沿性研究领域，是实现绿色设计应予以考虑的重要因素之一。1.2.2. 噪声分析与控制的发展由于理论和科技的限制,很早的时候人们就开始采用被动的方法来进行噪声的控制,即噪声的无源控制。主要有以下几种方法：1. 用吸声方法降低噪声用吸声方法降低噪声的方法是指利用吸声材料和吸声结构来吸收声能，从而控制噪声强度。吸声材料的吸声性能用吸声系数和声阻抗表示。被吸收的声能对入射声能之比定义为吸声系数，即=吸收声能/入射声能 （1-1）吸声系数是衡量材料对声能的吸收量的标准，吸声系数大吸声效果越好，它与材料的物理性质、声波频率及声波射线的入射角有关。任何材料对声波都能吸收，但吸收的程度各有不同，一般密度越小，孔隙越多，吸声性能越好，但如孔隙过大，成为疏松稀薄材料，则吸声性能反而降低。2. 用隔声法降低噪声人们在听到巨大的声音时，就本能的用手捂住耳朵，这可能就是人类最早利用的隔声方法。隔声就是把发声的物体，或把需要控制噪声的场所封闭起来，使其与周围的环境隔绝开来，成为声学上的孤立系统。一般情况下，我们都是进行空气声的隔离，采用的方式通常有三种方法：a.单层隔声装置；b.双层隔声装置；c.带空气层的双层隔声装置。单层隔声装置中常用的隔声墙、专用隔声材料。对于单层隔声墙，隔声效果与墙的单位面积重量、噪声频率有关，单位面积重量越大，噪声频率越高，隔声的效果越理想，但是通常对其厚度要求较高。所以后来出现了带空气的双层 隔声装置，当噪声的频率高于空气层结构的固有频率时，比单层的要好。另外还有一种消声方式就是通过消声器来降低噪声，这种方式主要用在对环境噪声的控制，在我们的研究系统中不会涉及，这里不做过多的介绍。1.2.3. 高速电主轴噪声的研究现状高速加工技术作为一个新兴领域，而高速电主轴又是其核心部分，其噪声更是决定了电主轴的性能，反映了电主轴设计和制造水平的重要指标，因此，国内外对电主轴噪声的研究相当积极。目前噪声测试方法主要有声压法、声强法、声发射法（ae）和声振动测量法，趋向于各种方法的综合应用。更多地借助于声强法和模态测量法、能量流或功率流测量法来研究机械结构系统的噪声形成固体传播和辐射规律。mba d 等的研究结果表明,声发射方法比振动分析能更好地检测到元件早期失效,通过分析径向载荷、回转速度与高水平背景噪声对ae检测的可靠性影响,提出了滚动轴承声发射的门槛值,提出用能量均方根值与ae 技术来检测轴承、机器的缺陷。miettinen j 等研究了脂润滑轴承的声发射监测方法,分析了脂中污染物对轴承声发射的影响,结果表明小污染颗粒比大污染颗粒的声发射脉冲数水平高,ae 时域分析方法是分析污染物颗粒硬度的合理方法;ae 水平不是随污染物增多而线性增加,有时可观测到减少的现象。 美国的rorrer r a l 等分析了粘滑参数对摩擦振动的影响,结果表明静摩擦系数与动摩擦系数的差是决定噪声的最重要参数,速度的均方根值与静、动摩擦系数差之间有很好的相关性。 perls 提出高速电主轴中可能存在的电缆噪声：当电缆收缩、弯曲、被敲击、挤压或扭曲时都产生电荷，因为此时在电介质与外部保护壳或电介质与中间的导体之间都会产生摩擦。sanjay kumar jha 提出从噪声辐射点和噪声源入手，使用声学照相机监测到高频噪声辐射点，再通过振动的测量监测到低频的噪声源，对高速电主轴噪声研究奠定了良好的基础。随着计算机技术朝着大容量、高速度和小型廉价化方向迅速发展，各种分析软件和数值解析方法得到大量运用，有限元法（fem）是工程分析中最通用而强大的分析方法。近年来有学者用边界元法（bem）和雷利（rayleigh）积分法研究结构辐射噪声，比其他方法更加准确和简单省时。噪声控制由传统的消声、隔声、吸声和隔振等手段向结构动态特性改进声源直接控制和传统手段相结合的方向发展。人们逐步开始以系统的观点来看待噪声问题，从电主轴的图纸设计阶段就对其结构进行噪声预测，做出噪声评价，对电主轴零部件实施噪声优化设计。1.3 本课题研究内容本课题主要研究内容如下：（1） 系统研究振动和噪声理论，特别是有关电主轴振动产生机理、影响因素和传播途径等知识。（2） 研究各种现代信号处理技术如 labview 仿真分析、频谱分析、功率谱分析等在噪声分析中的应用。探讨点主轴噪声的噪声源识别方法和原理。（3） 仿真电主轴噪声的波形图和频谱图，根据频谱图进行声源识别、找出主噪声源，并初步分析其噪声产生的原因及影响因素，并尽可能地提出合理化的降噪措施。第2章 电主轴振动与噪声的产生和特征 2.1 高速电主轴的振动分析2.1.1. 高速电主轴的基本结构高速电主轴基本结构如图2.3所示： 图2.3 电主轴结构图 电主轴由主轴及主轴箱本体、内置式的交流伺服电机、轴承等组成。电机 的转子采用压配方法与主轴做成一体。主轴则由前后轴承支撑。转子和定子通 过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制。而主 轴单元内的温升由冷却装置控制。在株洲的后面装有测速角编码器、送到油缸、旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安装刀具、刀具夹爪；中间有刀具拉杆、刀具夹紧弹簧。1. 轴承高速电主轴的核心支撑部件是高速精密轴承。因为电主轴的最高转速和轴承的大小、布置和润滑方式有很大的关系，所以这种轴承必须具有高速性能好、发热量小等优点。近年来，相继开发了陶瓷轴承、磁浮轴承、动静压轴承。轴承的装配将直接影响主轴的精度和寿命，因此轴承座尺寸精度、位置精度轴承内外圈衬套尺寸精度、轴承装配预加载负荷要求都非常高，加工中心电主轴内锥孔面跳动要求为：2，要求到电主轴如此高的精度，前后支承都采用成组角接触球轴承，承受轴向和径向负荷，前面一对，后面一对。轴承一般是厂家配好的或者是自由组合轴承，在维修装配时，要检查轴承内外圈衬套尺寸，经过测量，轴承内圈的宽度加上内圈衬套长度要大于轴承外圈的宽度加上外圈衬套长度。轴承内圈预加载负荷，也就是锁紧螺母的扭矩为120nm。2. 主轴主轴是高速电主轴的主要回转主体，其制造精度直接影响电主轴的最终精度。成品主轴的行位公差和尺寸精度要求都很高。当主轴轴高速运转时，由偏心质量引起的振动，严重影响其动态性能，因此，必须对转轴进行严格的动平衡，部分安装在主轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡。3. 主轴箱本体主轴箱本体又被称为轴壳，轴壳是高速电主轴的主要部件，轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座直接设计在轴壳上。电主轴为加装电动机定子，必须开放一端。大型或特种电主轴，为方便制造、节省材料，可将轴壳两端均设计成开放型、高速、大功率和超高速电主轴，应该严格控制整机装配精度。 4. 定子与转子高速电主轴的定子是由具有高导磁率的优质砂钢片迭压而成。迭压成型的定子内腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能。转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成。由于高速主轴的极限转速高，为了保证电主轴运行的稳定性，防止振动发生，电动机转子与主轴的联接也采用同主轴轴承紧固相似的结构。转子与机床主轴过盈配合量的大小是影响主轴性能的重要因素。由于主轴的转速高，在高速下，会产生很大的离心力，转子与主轴在径向上将产生不同程度的膨胀，这将会影响到主轴与转子的配合。过盈量太大，将会使得装配难度加大，影响装配精度，甚至破坏配合表面。因此，必须对电动机转子与机床主轴间的过盈量进行认真研究，以适应高速电主轴设计工作的需要。2.1.2. 高速电主轴的工作原理 电主轴作为加工中心的核心部件；它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，并经过精确的动平衡校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速电主轴单元，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带齿轮传动副，从而实现机电主轴系统的“零传动”，通电后转子直接带动主轴运转。 高速电主轴的工作原理是：高速电主轴的电动机部分由产生旋转磁场的定子绕组和把电能转换为机械能的转子组成。高速电主轴的定子和转子之间的空隙是形成功率输出有效部分的主要部位。电主轴持续工作功率主要取决于轴承高速化参数dn值，d为轴承中径，n为主轴转速。 电主轴的线圈相位互差120，安放在定子铁心的槽内，通以三相交流电，三相线圈各自形成一个正弦交变磁场，这三个对称的交变磁场互相叠加，合成一个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转速。异步电动机的同步转速n由输入电动机定子线圈电流的频率f和电动机定子的极对数p决定（n=60）。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和励磁电压来获得各种转速。在加速和制动过程中，通过提供相当于最大转矩的频率进行加减速，以免电动机温升过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序，故改变电主轴输入电流的相序，便可改变电主轴的旋转方向。电主轴运转中，将会产生如振动、轴承发热、精度低和寿命低等问题。所以通常从转速提出相应的功率参数、体积参数和刚度参数，作为定性评价高速电主轴的可比度： =kab （2-1） 式中 p功率参数， p= pn ； v体积参数， v= dln ; k常数， a单位线负荷； b空气隙磁密度。上式表明， p和 v值一经确定，电主轴的电磁负荷ab也就可以大致确定。增大p值必将导致v 或ab增大。提高v值要受到临界转速以及转子表面线速度的限制；ab的提高易导致电主轴的功率下降和温度升高； p值增大，使轴承的动载荷增大，振动加大，降低轴承的寿命。理论分析及实验表明：轴承是制约电主轴的功率输出和精度的主要部件。所以，高速主轴轴承是电主轴的核心部件，使用dn值高的主轴轴承可以有效地提高电主轴的性能。2.1.3. 高速电主轴振动产生的机理振动是声音的源泉，也就是说，声音是由物体的振动而产生的。机械振动是指物理或结构在平衡位置附近所做的往复运动。其最大的特点是具有周期性。现实生活中振动是普遍存在的，在动力机械中也存在着大量的振动问题，如电主轴由于转子不平衡、轴承摩擦力引起的主轴在高速旋转下产生的振动，发动机在工作时由于汽缸内压力和运动部件的惯性而引起的轴系振动、汽缸套油底壳等薄壁部件在工作中的振动等等。高速电主轴振动按来源可分为电磁振动和机械振动两类。 （1） 电磁振动电主轴是电机和主轴合为一体的传动形式，电机转动是通过定子和转子之间的磁场相互作用产生电磁力克服机械反作用力来实现的，由于隙磁密波作用在定子上的磁力会使定子局部受力变形产生振动，即为电磁振动。导致电磁振动的主要原因有两类，一类是电机转子形状偏心，又称动偏心，动偏心所产生的振动频率与主轴转动频率f相同，（f=n/60hz,n为主轴转速）；另一类是定子与转子不同轴，又称为静偏心10。由于定子、转子之间空气隙长度的不等，定子、转子之间在电磁场的作用下会产生单边电磁拉力。研究表明，此电磁拉力是电主轴产生电磁振荡的主要成因之一。因此，提高电主轴的电动机制造精度对削弱电磁振荡是十分必要的。驱动控制器的供电品质以及驱动控制器与电主轴的匹配是否合理，是产生电磁振荡的另一个重要原因。 （2） 机械振动 高速电主轴机械振动产生的原因比较复杂，主要有主轴偏角不对中、轴承动不平衡、轴承磨损以及加工过程中的自激振动等。主轴偏角不对中产生的原因：与轴承内孔配合的轴颈和轴肩加工不良或由于轴弯曲等原因，使轴承内圈装配后，其中心线与轴中心线不重合，轴承每转一周，轴承受一次交变的轴向力作用，使轴承产生振动。而轴承动不平衡则是因为生产时没有经过严格的动平衡检测，或加工精度、动平衡精度不够。 为避免经动平衡的高速轴系产生因附加质量偏心而导致的较大机械振动，轴系旋转体上应尽量减少动平衡精度容易产生变化的附加质量。部分附加质量必须安装在旋转体上，在装配后，主轴应以最高转速运行，同时进行整机动平衡，使之由附加质量造成的振动控制在最小范围之内。2.2 电主轴噪声产生机理和特征电主轴所产生的噪声，按其基本声源可分为电磁噪声、机械噪声两类。下面就这两类噪声的产生机理和特征作出说明。2.2.1 电磁噪声产生机理和特征 1. 产生机理前面介绍到高速电主轴电磁振动的产生机理，由于隙磁密波作用在定子上的磁力会使定子局部受力变形产生振动，即是电磁振动。电机内产生的电磁激振力作用于电机结构上，由于电机构件的传递特性使电机表面产生振动速度，再由电机表面的振声特性使电机产生一定的电磁噪声。电磁噪声具有一定的频谱特性和声功率级。 2. 特征电主轴在运行时，发出较细的“嗡嗡”声，没有忽高忽低的变化，是正常的声音。如果声音像用旧日光灯镇流器那样，发出粗大的“嗡嗡”声，就是故障的前兆，可考虑以下几个原因。 （1）气隙不均匀转子与定子之间的气隙不均匀所产生的噪声，其大小变化为周期性的。应当检查轴承是否磨损，轴承护网是否偏移。如果磨损和偏移，就会使转子外圆与定子内圆不同心，使气隙改变、噪声增大。（2） 铁芯松动电机在运行中的振动，温度忽高忽低的变化，都会使铁芯固定螺栓产生变形，造成铁芯硅钢片松动，在磁通与涡流的作用下，产生较大的电磁噪声。（3） 电流不平衡三相异步电动机电流不平衡，与气隙不均匀情况相同，发出周期性的电磁噪声。电流不平衡的原因，有电压不平衡，绕组接地、短路、断路，转子回路阻抗不平衡，接触不良等。要针对情况作具体检查。2.2.2 机械噪声的产生机理和特征 1. 产生机理机械噪声产生的原因很多，最主要的原因是转子不平衡和轴承两方面的问题。电主轴高速运转下转子不平衡和各部件存在间隙而发生撞击及部件受内部力作用产生弹性变形导致电主轴表面振动而发出的噪声。2. 特征电机在运行中，必须注意轴承声音的变化。监听声音的方法是：将起子或金属棒的一端触及电机轴承安装部位，另一端贴近耳朵，便可听到轴承运转的声音。（1） 正常声音连续均匀的细小“沙沙”声，没有忽高忽低的变化，没有金属摩擦声，便是轴承正常运转声音。（2） 不正常声音“咝咝”、“嘎吱”等声音都是不正常的，“咝咝”声是金属摩擦声，一般是轴承缺油与摩擦所致，应拆开轴承添加润滑油。“嘎吱”声是轴承内滚珠的不规则运动产生的声音，它与轴承的间隙、润滑脂的状态有关。长期闲置不用的电主轴重新启动时会有这种声音。 （3）转子噪声转子正常旋转发出的声音是一种“呜呜”的声音，偶尔会有敲鼓一样的“咚咚”声，这是由于电主轴的骤然启动、停止、反接制动等变速情况下，加速度力矩使转子铁芯与轴的配合松动造成的，轻者无多大妨碍，可继续工作；重者应拆开检查和修理。 电主轴在运转中，由于摩擦、振动、绝缘老化等因素，难免会发生故障，出现异常的噪声。如果熟练依据噪声来辨别和排除机械设备的各种故障，不仅能保证生产任务的完成，还可防止事故的发生。2.3 噪声分析与控制中的声学基础2.3.1. 声波的产生与声压 振动产生声音，发出声音大的振动系统成为声源。在弹性媒质中，依靠弹性力来传播振动的波包括纵波和横波。在空气和液体媒质中，因没有切变弹性，所以其内部技能传播纵波；而对于固体来讲，因其兼有容变弹性和切变弹性，固固体中技能传播纵波，也能传播横波。 声波的频率与物体的振动频率密切相关，一般来讲，物体振动频率越高，由此产生的声波频率越高。在实际声场中，声波的频率分布是非常广泛的，其中既有听得见的噪声，也有听不见的次声波和超声波，在噪声分析与控制中，最终控制的噪声一般是频率在听觉范围内的。媒质在无声扰动的声学状态，可用压强、密度及温度等状态参数来描述。这时，给一声扰动，在组成媒质的分子的杂乱运动中就附加了一个有规律的运动，使得媒质不再均匀。无声扰动时，媒质体内的压强称为静压强；假设受到声扰动后，媒质的压强为，则有声扰动时，媒质中的压强与静压强的差值称为声压，即 （2-2） 因为声传播过程中，在同一时刻，媒质内不同微元体积内的压力都不同；对于同一微元体，起微元体内的压力又随时间而变化，所以声压（sound pressure）是空间和时间的函数，即 （2-3）同样，由声扰动引起的密度增量为，也是空间和时间的函数，即 （2-4） 媒质质点的振动速度作为衡量声波的物理量无疑是可行的，但是它的测量是很难实现的。而声压的测量可以直接方便的由声强计等仪器得出，并且质点的速度也可以由声压间接的求出，所以人们普遍采用声压这个物理量来描述声波的性质。 声场中某空间点的声压随时间 的变化成为瞬时声压。但是当声音传入耳朵后，由于鼓膜的惯性作用，人耳实际上并不能辨别出声压的起伏，即人耳听不出瞬时声压，而是一段时间内瞬时声压的均方根值，人们称之为有效声压，有效声压的定义为： （2-5） 式中， 为周期的整数倍，对于正、余弦声波，有效声压，其中为声压幅值。 正常人耳刚刚能听到的声压叫听阀声压，其值为pa；刚刚使人耳产生疼痛感觉的声压叫痛阀声压，其值为20pa。2.3.2. 声学波动方程声压随空间、时间的变化的函数关系便是声学波动方程。声波作为一种宏观物理现象，必然遵守牛顿三定律。声波方程就是基于此导出的。在推导声波方程时为了使问题简化，做了一系列的假定，这些假定并不影响整个推导过程，这里不再赘述。1. 声波运动方程 假设一平面波沿 方向传播，媒质中一微元体（圆柱体）（为垂直于 轴的横截面积），如图2.1所示。由于声压 随位置 而异，因此作用于左右端面的力是不平衡的，又牛顿第二定律有： （2-6）由于， ，将其代入（2-5）式，得 （2-7）式中，。媒质的加速度分为两部分：一部分是时间 内空间某定点上的速度变化率，即定点加速度；另一部分是同一瞬时在声场内相距 的两点上的速度变化率 ， 即定时加速度。式（2-6）又表示如下 （2-8）此即为声波运动方程。 图2.1 声场中的微元体 2. 声波连续性方程仍取声场中一微元体（圆柱体） 如图 2.2 所示。单位时间内从左端面流入该圆柱体的媒质质量为；与此同时，从右端面流出的媒质质量为 ， 取其一阶泰勒展开为 ，故由质量守恒可得 图2.2 柱形微元体 （2-9）与运动方程相同，代入（2-9）式，略去二阶量，可得 （2-10）此即为声波的连续性方程。3. 声波物态方程声波过程是一个绝热过程。对于一般的流体物质，普遍的物态方程为压强和密度的关系，可写为 （2-11）式中， 为温度。考虑绝热条件， (2-12)微分得 （2-13）其中， 代表绝热过程， 用 表示，则（2-13）表示为 （2-14）次即为理想流体媒质中的声扰动物态方程。但是，对于小振幅声波，式（2-14）中的压强的微分 可以近似为声压 ，密度的微分 可以近似为 ，因此，媒质的物态方程可简化为 （2-15）4. 声波方程利用上面所推导的三个方程可以消去、其中的任意两个，从而得到声波方程。例如将（2-15）式对 求导后代入（2-10）式得 （2-16）将（2-16）对 求导，得 （2-17）再将（2-8）式代入（2-17）式，即得 （2-18）此即为一维声学波动方程。2.3.3. 声波的能量、声强和声功率 1. 声波的能量同样，声场中的一微元体，原来体积为 ，压力为 ,密度 ，由于受声扰动，其得到的动能为 （2-19）由于声扰动，该微元体压力从升高为，体积由变为，从而其具有一定的位能，即 （2-20）由物态方程（2-15）式两边微分，得 （2-21）又密度和体积有如下关系 （2-22）将（2-24）式代入（2-23），再对积分，有 （2-23） 微元体的声能量为动能与位能之和，即 （2-24） 单位体积的声能量成为声能密度（sound energy density），即 （2-25） 2. 声强和声功率 声波的传播过程实际上是声能量的传播过程。声源在单位时间内辐射出的总声能量称为声功率（sound power），单位时间内荣国垂直于声传播方向上面积为s的平均声能量，称为平均声能量流或平均声功率（average sound power）。因为声能量是以声速传播，所以，平均声功率等于声窗中面积， 高度为圆柱体内所包括的平均声功率，即 （2-26）式中，为平均声功率，单位为瓦。而声强（sound intensity）是指在垂直于传播方向的单位面积上通过的平均声能量流，即 (2-27)式中，为声强，也称为平均声能量流密度。声强是有方向和正负的。 (2-28)式中，表示正向声强，表示负向声强，如果前进波与反射波相等，那么，这就是主动消声的机理。如果声源辐射的面积为，通过此面积的声强为，则声功率为 （2-29）2.3.4. 声级由于人耳能听到的声强的范围非常大，用声压或声强的绝对值来衡量声音的强弱很不方便。所以，人们普遍采用对数标度来度量声压、声强和声功率，分别称为声压级、声强级和声功率级。声压级（sound pressure level）定义为有效声压与基准声压之比的常用对数的20倍，即 （2-30）式中，为声压级（db）； 为有效声压（pa）；为参考声 压（pa）。声强级（sound intensity level）定义为声强和基准声强之比的常用对数的10倍，即 （2-31）式中，基准声强，其中为单位瓦。声功率级（sound power level）定义为声功率与基准声功率之比的常用对数的10倍，即 （2-32）式中，基准声功率，其中为单位瓦。声压级、声强级和声功率级三者之间是有相关联的，基本关系如下： （2-33） （2-34） （2-35）另外，需要注意的一点是，声级的计算同普通运算不同，它是对数运算。为了便于在声级计上直接读出噪声评价的主观量，可使测量仪器接收的声音按不同的程度滤波，其方法是在声级计的放大电路中插入a、b、c三个计权网络。a网络是模拟人耳对40phon（phon 为响度级单位，一个声音的响度级定义为与1000hz纯音等响的声压级）纯音的响应，与40phon 的等响曲线倒立后的形状相接近，它使接收、通过的低频段的声音（500hz以下）有较大的衰减。b网络是模拟人耳对70phon 纯音的响应，与70phon 的等响应曲线倒立后的形状相接近，它使接收、通过的低频段的声音有一定衰减。c