1第8章 声与声发射测量

昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 工程测试技术 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 第八章 声与声发射测量 声的物理性质及度量 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 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 概述 „声形成的物理条件 „声波形成必须具有声源及传播介质两个基本条件。 空气、固体及液体 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 概述 „声形成的听觉条件 „频率条件 „人耳能敏感的最低声波频率为20Hz（低于20Hz的声波称为 次声） „人耳能敏感的最高声波频率为20KHz（高于20KHz的声波 称为超声） „强度条件 „人耳可听到的最小声压强度为 20μPa „人耳感到疼痛的最小声压强度为 20Pa „人类语言的频率范围约为100Hz～5000 Hz；交 响乐的频率范围比较宽，约为50Hz～18000Hz。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声测量基础 „声的强弱可采用声压、声强和声功率来度量。 „声压是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，声场中某点的声压定义为该点瞬时 压强的均方根值或有效值，简称声压。 „当声频为1000Hz 时，正常人耳刚刚听到的声压为 2×10-5 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。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声测量基础 „ 声强是声波在传播方向上单位时间内通过与指 定方向垂直的单位面积的能量，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1W/m2 。 „ 声功率是声源在单位时间内发射出的总能量， 单位是瓦（W）。 „听阈声压的声功率为10-12W ，并以此作为声功率 的基准；而对应于痛阈声压的声功率为1W。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 引入“级”的度量 „因为 „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。 „人耳对声音强弱的主观感觉与其声压变化的对数比 值相关。 „所以 „引入“级”（对数标度/分贝/dB）来描述声的强弱。昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声压级、声强级、声功率级 „声压级LP： „听阈声压级Lp ：0 dB „痛阈声压级Lp ：120 dB „声强级LI： „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 dB „痛阈声功率级LW ：120 dB ( )dB p p p pLp 2 0 2 0 lg10lg20 == ( )dB I ILI 0 lg10= ( )dB W WLW 0 lg10=昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声压与声压级的对比 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 不相关声波的叠加 „两不相关声波的叠加 „声能量是可以代数相加的，假设两不相关声源的声功 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+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（Lp1>Lp2）。则它们共同作用时的声压级 LP为： [ ] pp p ppp pp p pp LL101lg1010lg10 )1010lg(10lg10L 1 )LL(1.0L1.0 10 L 10 L 2 0 2 2 2 1 211 21 Δ+=++= +=+= −− 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 不相关声波的叠加 „多个不相关声波的叠加 „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关 声源叠加声压级的计算；多个 不相关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： 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 人耳的听觉特性 „纯音等响曲线 „ 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。 „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/80dB、 20Hz/112dB、 4000Hz/70dB三个纯音听起 来一样响，所以它们响度 级相同。 各等响曲线标识值称为 响度级，单位为”phon” 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声音的计权声级 „基于纯音等响曲线，人们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。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声音的计权声级 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声测量系统 „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，声级计系统的组成见下图： 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 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声级计及其分类 9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： 监测用声级计±1.5dBⅢ型 工程测量用普通声级计±1.0dBⅡ型 实验室用精密声级计±0.7dBⅠ型 标准声级计±0.4dB0型 适用测量场合计测精度声级计等级 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声强测量系统 z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）。 A B PA PB PA 输出 PB 输出 定距柱 传声器A 传声器B 前置放大器器 声强正向 手柄 BK声强探头 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声强测量系统 z声强测量系统通过声强探头及分析装置可以测 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 0=Δ⋅∑ sIs WsIs =Δ⋅∑ 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声强测量系统 „基于现代声强测量系统（LMS Test.Lab），利用声强 云纹分析图可以直观、准确地识别和定位声源。 0.00 5200.00Hz 20.00 90.00 d B ( W / m 2 ) -100.00 0.00 d B 901.85 62.95 0.00 1000.00Hz 10.0e-12 0.10 L o g ( W / m 2 ) -100.00 0.00 d B 99.69 3.52e-6 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声强测量系统 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 工业噪声测量技术 „ 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，以及获取噪声控制的有用信息和防止 噪声污染等方面的内容。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 机器噪声现场测量的目的及内容 „现场测量是指在工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。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 机器噪声测量的技术规范 „测点设置 „测点数目：无指向性声源 n=1；指向性声源 n>4。 „要求：相邻测点声压级差不超过5dB 。 „测点与机器表面的距离 „机器尺寸 <0.3m : d= 0.3m „机器尺寸 0.3m～0.5m : d= 0.5m „机器尺寸 >1m : d= 1m 测点 1米 测量回线 机器外形轮廓昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 机器噪声测量的技术规范 „测点高度 h „人操作设备：h=1.5m „普通机器：h取机器半高或水平轴线高 „测点方向 „一般设备：正向 „排气噪声：轴线45° 排气口 0.5m 或 1m 450 0.5m或1m 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 机器噪声测量的技术规范 „ 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 排气口 0.5m 或 1m 450 0.5m或1m 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声发射（Acoustic Emission）简介 „ AE定义：指或结构在外界条件 (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 弹性波现象。 „ 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 陷的发生、发展规律和寻找缺陷位置的技术。 „ AET优点：实时、动态、方便、覆盖面广…… „ AET存在的问题：缺陷识别易受声波传播模态、衰减 快慢、传感器灵敏度和门槛值设置等因素影响；不易 反映静态缺陷位置…… „现代声发射技术以1950’s Kaiser的研究工作为标志。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 AET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、性能稳定等。 „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。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 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 „ 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。 表面波 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 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。 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 超声测量的工程应用 „超声波测量应用有两种基本类型 „超声发射器与接收器分别置于被测物两侧，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 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 声发射测量技术 预应力混凝土梁声发射检测 桥梁声发射检测 氢烃球罐声发射检测 旋转机械声发射检测 昆 明 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院