机械工程测试技术基础：第6章 声与声发射

1、机械工程测试技术基础-声与声发射测量C.6 声与声发射-2/29第六章 声与声发射本章学习要求声的物理特性及度量声学传感器及测量系统声强测量与噪声源识别声发射测量技术质量检查机械手定位声发射装置C.6 声与声发射-3/296.1 概述6.11 声形成的物理条件声波形成必须具有声源及传播媒介两个基本条件，以及具备正常听觉功能人耳受者的必要条件。噪声具有声音的一切物理性质！空气、固体及液体C.6 声与声发射-4/296.1.2声形成的听觉条件强度条件人耳可听到的最小声压强度20Pa（听阈声压）人耳感到疼痛的最小声压强度20Pa（痛阈声压）频率条件人耳能敏感的最低声波频率20Hz，低于20Hz的声波

2、为次声人耳能敏感的最高声波频率20KHz，高于20KHz的声波为超声人类语言的频率范围约为100Hz5000 Hz;交响乐的频率范围比较宽，约为50Hz18000 Hz。C.6 声与声发射-5/296.2声测量基础6.2.1声压、声强、声功率 声的强弱可采用声压、声强和声功率来度量。声压：由声波引起的声场压强的变化，记为p(t)；单位为Pa（N/m2）在声学测量中，声场中某点声压定义为该点瞬时声压的均方根值或有效值声压，简称声压。当声频为1000Hz 时，正常人耳刚刚听到的声压为210-5 Pa，称为听阈声压，记为p0；当声压为20Pa 时，能使人耳开始疼痛，称为痛阈声压。C.6 声与声发射-

3、6/296.2.1声压、声强、声功率声强：声波在传播方向上单位时间内通过与指定方向垂直单位面积的能量；单位为W/m2。对应于听阈声压的声强为10-12 W/m2 ，并以此作为声强的基准；对应于痛阈声压的声强为1 W/m2 声功率：声源在单位时间内发射出的总能量，单位是瓦（W）。听阈声压的声强为10-12W ，并以此作为声功率的基准；对应于痛阈声压的声功率为1W。C.6 声与声发射-7/296.2.3不相干声波的叠加 两不相干声波的叠加 声能量是可以代数相加的，假设两不相干声源的声功率分别为W1和W2，那么总声功率W总=W1+W2；若两个声源在某点的声强为I1和I2时，叠加后的总声强I总=I1+

4、I2。但是，声压级却不能直接进行代数相加。若两无关声源分别作用时在某点处声压级分别为LP1、LP2（Lp1Lp2）。则它们共同作用时的声压级LP为：PP212-217C.6 声与声发射-8/296.2.2声压级、声强级、声功率级可听声的声压从听阈到痛阈相差百万倍，测量分析极不方便。人耳对声强弱的主观感觉与其声压变化的对数比值相关。引入“级”（对数标度/分贝/dB ）来描述声的强弱C.6 声与声发射-9/29(dB)听阈声压级Lp ： 0 dB痛阈声压级Lp ： 120 dB 声强级LI：(dB)听阈声强级LI ： 0 dB痛阈声强级LI ： 120 dB 声功率级LW：听阈声功率级LW ： 0

5、 dB痛阈声功率级LW ：120 dB(dB)6.2.2声压级、声强级、声功率级C.6 声与声发射-10/296.2.3不相干声波的叠加 多个不相干声波的叠加两声源合成声压级叠加计算方法可以推广到任意多个不相干声源叠加声压级的计算；多不相干声源叠加合成声压级可以通过两两叠加方法获得，结果与叠加次序无关。假设有8个声源作用于一点，其声压级分别为 70、70、75、82、90、93、95、100dB，它们合成总声压级可以由任意两两声源叠加方法求出，例如：C.6 声与声发射-11/29 纯音等响曲线 （P217）1958年，国际标准化组织ISO组织了18-25岁的青年进行了大量以1000Hz、不同声

6、压级纯音为响度基准的对比试听实验，绘制了不同频率、相同响度等级的纯音等响曲线。低频不敏感区人耳声响敏感区高频不敏感区6.2.4人耳的听觉特性各等响曲线标识值称为响度级,单位为”phon”等响曲线反映了人耳对各种不同频率纯音的敏感程度，例如： 1000Hz/80dB20Hz/112dB4000Hz/70dB三个纯音听起来一样响，所以它们响度级相同。C.6 声与声发射-12/29基于纯音等响曲线，人们设计了一组频率计权网络来测量噪声，以模拟人耳对不同频率主观响度的听觉特性。A计权网络 dB(A): 40phon等响曲线的反转曲线 （低声级测量网络）B计权网络 dB(B): 70phon等响曲线的反

7、转曲线 （中等声级计权测量网络）C计权网络 dB(C): 100phon等响曲线的反转曲线 （高声级计权测量网络）D计权网络 dB(D): 120phon等响曲线的反转曲线 （航空声级计权测量网络）实验表明：A计权声级与人耳的听力损伤等有较好的相关性；C计权声级近似表示总声级，B计权较少用。6.2.5声音的计权声级C.6 声与声发射-13/296.3.1声级计及其分类以声压级为测量内容的系统为声学测量系统。典型的声学测量系统是声级计，声级计系统组成参见下图：分贝指示前置放大器输入衰减器输入放大器计权网络输出衰减器输出放大器倍频程滤波器器RMS检波器外接滤波器器电压输出传声器组合测量放大器传声器

8、eyC.6 声与声发射-14/296.3.1声级计及其分类按照国际电工委员会（IEC）有关声级计的标准，工程测量中的声级计共分为四个等级，即：声级计等级计测精度适用测量场合0型型型型0.4dB0.7dB1.0dB1.5dB标准声级计实验室用精密声级计工程测量用普通声级计监测用声级计C.6 声与声发射-15/296.3.2声强测量系统声强测量系统可以实现对声强度及声流向的测量。声强测量系统的核心是声强探头（一对测量传声器）。ABPAPBPA 输出PB 输出定距柱传声器A传声器B前置放大器声强正向手柄BK声强探头C.6 声与声发射-16/296.3.2声强测量系统声强测量系统通过声强探头及分析装置

9、可以测量机电设备等的辐射声流向，利用此法可以鉴别及定位声源。被测声源外界噪声源包围面C.6 声与声发射-17/296.3声测量系统7-3-2 声强测量系统基于现代声强测量系统，利用声强云纹分析图可以直观、准确地识别和定位声源。C.6 声与声发射-18/29噪声具有声的一切物理性质，但它与水、空气和固体污染一样已被列为人类社会的四大污染之一。工业噪声测量包含评价机器设备或产品噪声影响水平、识别机器设备或产品噪声源，以及获取噪声控制有用信息和防止噪声污染等方面的内容。（对于复杂噪声测量与控制技术等内容，请参阅有关专著）。6.4工业噪声测量技术6.4.1 机器噪声现场测量的目的及内容现场测量是指在工

10、厂车间的工作现场条件下，对机械设备噪声进行测量，其目的为： 对现场设备的噪声作出评价； 对不同类型机械设备的噪声进行比较； 对设备噪声进行控制。现场噪声测量内容：主要是A声级测量和倍频程频谱分析；有条件时应将噪声测量信号记录下来，以备后续分析。C.6 声与声发射-19/296.4.2机器噪声测量的技术规范a) 测点数目n无指向性声源：n=1指向性声源： n4 要求：相邻测点声压级差不超过5dBb) 测点与机器 表面的距离d测点1米测量回线机器外形轮廓机器尺寸 1m : d= 1m 测点设置C.6 声与声发射-20/296.4.2机器噪声测量的技术规范c) 测点高度h人操作设备：h=1.5m普通

11、机器： h取机器半高或水平轴线高d) 测点方向一般设备： 正向排气噪声: 轴线45排气口0.5m或1m4500.5m或1m 测点设置C.6 声与声发射-21/29对空气动力机械，如通风机、压缩机等，若要测量进、排气噪声，则进气噪声测点应在进气口轴向，距管口平面最小距离为1倍管口直径，通常选在距管口平面0.5或1米处。排气噪声测点则应取在与排气管轴线成45方向上或管口平面上，距管口中心0.5米、1米或2米处。进气口0.5m或 1m进、排气口噪声测点选择6.4工业噪声测量技术排气口0.5或1m4500.5m或1mC.6 声与声发射-22/296.5.1声发射(Acoustic Emission)简

12、介1) AE定义： 是指材料或结构在外界条件 (应力、温度、磁场等) 的作用下，其内部缺陷或异常部位因应力集中而产生变形或断裂，并伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性应力波现象。(频率可达MHz) 2) AET（Acoustic Emission Technique）：用声发射系统采集应力波，并对采集信号进行处理和分析以评价缺陷发生发展规律和寻找缺陷位置的技术。3) AET优点: 实时、动态、方便、覆盖面广4) AET存在的问题: 缺陷识别易受波传播模态、衰减快慢、传感器灵敏度和阈值设置等因素影响 ;不易反演静态缺陷位置现代声发射技术以1950s Kaiser的研究工作为标志C.6 声与声发射-2

13、3/296.5.2AET声发射测量传感器 压电陶瓷传感器 (PZT)优点：响应速度快、频带宽、测量精度高、性能稳定缺点：平面横观各向同性、脆性大、极限应变小。 电容传感器具有宽频响应特性，可用于声发射测量及传感器标定。 非接触光纤声发射传感器基于光栅自干涉效应的声发射光纤传感器具有测量频带宽、稳定性高等优点。C.6 声与声发射-24/296.5.3超声测量技术 超声波物理基础 频率高于20kHz的机械振动波称为超声波；它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板且能量损失小。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。 超声波的波型分类 超声

14、波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 表面波C.6 声与声发射-25/296.5.3超声测量技术 超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。 超声脉冲电压输入端接地端将数百伏超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波；当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。C.6 声与声发射-26/296.5.3超声测量技术 超声测量的工程应用 超声波测量应用有两种基本类型：当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 木材测厚超声探伤超声测量液位C.6 声与声发射-27/29预应力混凝土梁声发射检测桥梁声发射检测6.5声发射测量技术氢烃球罐声发射检测旋转机械声发射检测C.6 声与声发射-28/29参考文献何岭