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1、2011-5-291噪声分析与控制噪声分析与控制吴九汇吴九汇机械工程学院振动与噪声控制工程研究所机械工程学院振动与噪声控制工程研究所第六章 噪声源识别技术第六章 噪声源识别技术2011-5-2932011-5-294噪声源识别 目的 判别噪声源、振动源 故障诊断、降噪处理 理解 噪声产生的根源 噪声的辐射机理 掌握主要噪声源的属性 位置 频谱成分 相对的声功率贡献2011-5-295蝙蝠的声纳系统蝙蝠的声纳系统蝙蝠的回声定位（红色为发出的音波、蓝色为反射波）2011-5-296物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?传统的分别运行法传统的分别运行法?频谱分析法频谱分析法?传递路径分析方法传递
2、路径分析方法2011-5-297物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术识别噪声源的常用工业方法包括铅包扎技术（整个机器被包上几层铅皮）和其它声吸收材料。然后对机器部件进行选择拆封并测量声压级，以这种方法识别噪声源。此方法有许多限制，而且非常耗时和昂贵。识别噪声源的常用工业方法包括铅包扎技术（整个机器被包上几层铅皮）和其它声吸收材料。然后对机器部件进行选择拆封并测量声压级，以这种方法识别噪声源。此方法有许多限制，而且非常耗时和昂贵。?传统的分别运行法传统的分别运行法2011-5-298物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?频谱分析法频谱分析法2011-5-299为何要做频率或谱分析为何要做
3、频率或谱分析机器上各个部件各自对机器总的振动和总的噪声辐射的贡献在时域上一般很难识别。但这在频域上变得非常容易，因为主要峰值频率能够容易地与诸如轴的转动频率、齿轮啮合频率等参数相联系。2011-5-2910常用的信号分析方法常用的信号分析方法2011-5-2911物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?频谱分析法频谱分析法在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为1）频率响应函数；）频率响应函数；2）互谱密度函数；）互谱密度函数；3）相干函数。）相干函数。2011-5-2912频响函数和脉冲响应函数=tdthFtx0)()()(dt)(tF一个线性系统对于任
4、意输入的输出响应为单位脉冲响应与输入信号的卷积单输入、单输出频率响应函数单输入、单输出频率响应函数2011-5-2913典型瞬态信号及其频谱典型瞬态信号及其频谱2011-5-2914锤击法识别结构振动模态锤击法识别结构振动模态锤击法不适于识别高频结构模态2011-5-2915锤击法的影响因素锤击法的影响因素在进行力锤激励时，需要根据实际响应的频率范围要求来调整激励力脉冲宽度，因而需要考虑多方面的因素，如：施力的大小，锤头硬度的选择，对输出响应加指数窗等。在激出频带内各阶模态的前题下，施力的大小应根据具体试件而定：对小试件，用力不能过大，否则会产生非线性；而对大试件不能用力太小，否则不足以激起各
5、阶模态。锤头的选择对于测量结果有重要影响。锤头的材料硬度决定了力脉冲宽度及其频谱宽度。锤头越坚硬，脉冲宽度越窄，频谱就越宽。因而实验中应选择合适的锤头以激出感兴趣频率范围内的所有模态。另一个要考虑的重要方面是：对输出响应加指数窗。通常，对于小阻尼结构，在采样时间范围内，力锤激出的结构响应不会很快衰减到零。这种情况下，泄漏问题就很突出。为减小泄漏，需要对测得的数据进行加窗。对于力锤激励这种情况，最常使用的窗函数是指数衰减窗。2011-5-2916物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?频谱分析法频谱分析法在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为1）频率响应函
6、数；）频率响应函数；2）互谱密度函数；）互谱密度函数；3）相干函数。）相干函数。2011-5-2917自相关函数自相关函数01()E()()lim()()TxxTRx t x tx t x tdtT=+=+2011-5-2918互相关函数两个不同的平稳随机信号（例如输入x(t)和输出y(t)）之间的互相关函数定义为dttytxTtytxRTTxy+=+=0)()(1lim)()(E)(一典型的稳态随机信号互相关函数一典型的稳态随机信号自相关函数互相关函数表示两信号之间的相似性为时间移位的函数。它在噪声和振动中有着广泛的应用，包括检测两信号之间的时间延迟，室内声学的传播路径延迟，噪声源识别，雷达
7、和声纳应用等。2011-5-29192011-5-2920功率谱密度函数功率谱密度函数为相关函数的Fourier变换)()(xxxxSR)()(xyxySR自谱密度Sxx()和互谱密度Sxy()，一般称之为双边谱密度，即其范围从-至+。虽然双边谱密度便于解析研究，而实际上其频率范围为从0至+。因此必须把物理上可测量的单边谱G()定义为)(2)(SG=)()()(2xxyyGHG=)()()(xxxyGHG=2011-5-2921互功率谱的应用互功率谱的应用*Y()Y()X()H()X()X()X()YXXXGG=*Y()Y()Y()H()X()X()Y()YYXYGG=在本底随机噪声存在的情况
8、下，利用上式计算频响函数可以减小与输入或输出信号不相关的噪声。实际上还常用自功率谱和互功率谱的多次平均来估算出系统的频响函数。在本底随机噪声存在的情况下，利用上式计算频响函数可以减小与输入或输出信号不相关的噪声。实际上还常用自功率谱和互功率谱的多次平均来估算出系统的频响函数。用一台机器整体噪声信号与各部件的振动信号进行互谱密度分析可用于寻找机器噪声源。用一台机器整体噪声信号与各部件的振动信号进行互谱密度分析可用于寻找机器噪声源。2011-5-2922物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?频谱分析法频谱分析法在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为在频谱分析中，三个最常用的频域关系式为1）频率
9、响应函数；）频率响应函数；2）互谱密度函数；）互谱密度函数；3）相干函数）相干函数。2011-5-2923相干函数相干函数相干函数测量频域里信号间的相关程度，定义为：相干函数测量频域里信号间的相关程度，定义为：)(2xy)()()()(22yyxxxyxyGGG=相干函数给出在输出中由输入所引起的部分的估算。通常，因为（相干函数给出在输出中由输入所引起的部分的估算。通常，因为（1）在测量中出现外部噪声；（）在测量中出现外部噪声；（2）在谱估算中的偏置误差；（）在谱估算中的偏置误差；（3）联系）联系x(t)与与y(t)的系统为非线性的；（的系统为非线性的；（4）输出）输出y(t)是由于是由于x(
10、t)以外的附加输入引起的。以外的附加输入引起的。1)(2xy在输出段具有外部噪声的线性系统在输出段具有外部噪声的线性系统2011-5-2924相干函数应用于声振相干测试相干函数应用于声振相干测试相干函数的主要用途是测量两个信号之间频域的相关系数，反映了测量质量的好坏（噪声大小、泄露程度等）或所给模型的正确性（即信号之间的线性依赖性）。相干函数的主要用途是测量两个信号之间频域的相关系数，反映了测量质量的好坏（噪声大小、泄露程度等）或所给模型的正确性（即信号之间的线性依赖性）。2011-5-2925物理声源分离识别技术物理声源分离识别技术?传统的分别运行法传统的分别运行法?频谱分析法频谱分析法?传
11、递路径分析方法传递路径分析方法2011-5-2926传递路径分析方法传递路径分析方法6.2 声强测试技术6.2 声强测试技术2011-5-2928声强测量声强测量为什么要用声强测量为什么要用声强测量为什么要用声强测量为什么要用声强测量?声强具有方向性声强具有方向性声强具有方向性声强具有方向性?可削除背景噪声的影响可削除背景噪声的影响可削除背景噪声的影响可削除背景噪声的影响?用于对设备的用于对设备的用于对设备的现场用于对设备的现场现场现场声学测量声学测量声学测量声学测量 声强的定义：单位时间内，通过与声波前进方向声强的定义：单位时间内，通过与声波前进方向声强的定义：单位时间内，通过与声波前进方向
12、声强的定义：单位时间内，通过与声波前进方向垂直的单位面积上的声能，单位为垂直的单位面积上的声能，单位为垂直的单位面积上的声能，单位为垂直的单位面积上的声能，单位为W/m2W/m2W/m2W/m2。声强是矢量，可以简单地认为：某点的声强该声强是矢量，可以简单地认为：某点的声强该声强是矢量，可以简单地认为：某点的声强该声强是矢量，可以简单地认为：某点的声强该点的声压点的声压点的声压点的声压质点的速度。质点的速度。质点的速度。质点的速度。2011-5-2929声压 VS 声强声压 VS 声强声压测量的优缺点声压测量的优缺点声压测量的优缺点声压测量的优缺点：?在声学测量中，一般是测量声压在声学测量中，
13、一般是测量声压在声学测量中，一般是测量声压在声学测量中，一般是测量声压(或声压级或声压级或声压级或声压级)；?声压测量的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟；声压测量的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟；声压测量的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟；声压测量的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟；?用声压或声压级可以计算得到声强用声压或声压级可以计算得到声强用声压或声压级可以计算得到声强用声压或声压级可以计算得到声强/声强级和声功率声强级和声功率声强级和声功率声强级和声功率/声功率级；声功率级；声功率级；声功率级；?声压测量受环境影响（背景噪声声压测量受环境影响（背景噪声声压测量受
14、环境影响（背景噪声声压测量受环境影响（背景噪声/反射等）较大，需要修正；反射等）较大，需要修正；反射等）较大，需要修正；反射等）较大，需要修正；?有时还需要特定的声学环境有时还需要特定的声学环境有时还需要特定的声学环境有时还需要特定的声学环境(如消声室、混响室如消声室、混响室如消声室、混响室如消声室、混响室)中进行测量。中进行测量。中进行测量。中进行测量。声强测量的特点声强测量的特点声强测量的特点声强测量的特点：?声强测量具有方向性，受现场影响比较小；声强测量具有方向性，受现场影响比较小；声强测量具有方向性，受现场影响比较小；声强测量具有方向性，受现场影响比较小；?声强测量及其频谱分析对噪声源
15、的研究有着独特的优越性；声强测量及其频谱分析对噪声源的研究有着独特的优越性；声强测量及其频谱分析对噪声源的研究有着独特的优越性；声强测量及其频谱分析对噪声源的研究有着独特的优越性；?能够有效地进行现场测量，解决许多现场声学测量问题；能够有效地进行现场测量，解决许多现场声学测量问题；能够有效地进行现场测量，解决许多现场声学测量问题；能够有效地进行现场测量，解决许多现场声学测量问题；?能够进行现场声功率测量。能够进行现场声功率测量。能够进行现场声功率测量。能够进行现场声功率测量。2011-5-2930声强测试方法声强测试方法声强是在给定方向上的声能通量声强是在给定方向上的声能通量它是矢量，既有量值
16、又有方向。声强测量适于在很高的本底噪声下测量机器产生的声功率。它是矢量，既有量值又有方向。声强测量适于在很高的本底噪声下测量机器产生的声功率。*0Re21),(),(1uPdttxutxPTIT?=微粒速度：微粒速度：=tPdu001?对于一维流动：对于一维流动：=txdxPu001实际上，沿实际上，沿x方向的压力梯度可由差分梯度来逼近，即用间隔很近的两个传声器测得的瞬时波动声压来近似。传声器间隔距离为x，方向的压力梯度可由差分梯度来逼近，即用间隔很近的两个传声器测得的瞬时波动声压来近似。传声器间隔距离为x，txdPPxu0120)(12)(21PPP+瞬时波动声压：在瞬时波动声压：在x方向的
17、声强矢量：方向的声强矢量：dtdPPPPTxITtx+=0012210)(212011-5-2931声强测试方法声强测试方法2011-5-2932声强传感器声强传感器INV9211对立式INV9211A并列式鼻锥用于高风速下测量2011-5-2933声强传感器的特点声强传感器的特点?传感器对，精心挑选，相位匹配传感器对，精心挑选，相位匹配传感器对，精心挑选，相位匹配传感器对，精心挑选，相位匹配?具有方向性，从具有方向性，从具有方向性，从具有方向性，从1#1#1#1#指向指向指向指向2#2#2#2#的方向的方向的方向的方向?传声器间距：传声器间距：传声器间距：传声器间距：?6mm 6mm 6mm
18、 6mm -适合高频适合高频适合高频适合高频?12mm12mm12mm12mm?25mm25mm25mm25mm?50mm 50mm 50mm 50mm-适合低频适合低频适合低频适合低频间距与频率范围间距与频率范围1.25k1.25k2.5k2.5k5k5k10k10k频率上限频率上限频率上限频率上限(Hz)(Hz)31.531.56363125125250250频率下限频率下限频率下限频率下限(Hz)(Hz)5050252512126 6间距间距间距间距(mm)(mm)2011-5-2934声强测量方法的图解说明声强测量方法的图解说明声强方法声强方法声强方法的主要优点声强方法的主要优点：因为
19、声强是在垂直于测量表面的各位置上的平均值，具有方向性，而背景噪声在测量表面的两侧都存在，所以任何与附近背景噪声有关的声强就被消去了，这样就只检测到由声源方向传来的声强大小。声强方法除用于测量声功率外，主要是用来识别发动机和机器上的声源。近场声强测量适用于声强：因为声强是在垂直于测量表面的各位置上的平均值，具有方向性，而背景噪声在测量表面的两侧都存在，所以任何与附近背景噪声有关的声强就被消去了，这样就只检测到由声源方向传来的声强大小。声强方法除用于测量声功率外，主要是用来识别发动机和机器上的声源。近场声强测量适用于声强“热点热点”以及声功率流方向的快速识别上。以及声功率流方向的快速识别上。201
20、1-5-2935声强测试实例声强测试实例三维声强测量，可以逐个测点测量每个面的声强分布图，采用等高线方式绘制三维声强测量结果，从而反映结构各部位的噪声强弱，定位噪声源。三维声强测量，可以逐个测点测量每个面的声强分布图，采用等高线方式绘制三维声强测量结果，从而反映结构各部位的噪声强弱，定位噪声源。2011-5-2936表面声强方法和振强方法表面声强方法和振强方法6.3 基于声学成像的噪声源识别技术基于声学成像的噪声源识别技术2011-5-2938“声学照相机声学照相机”2011-5-2939相控阵列示意图相控阵列示意图2011-5-2940声学照相机的主要组成声学照相机的主要组成2011-5-2
21、941直线均匀点源阵列的波束形成原理直线均匀点源阵列的波束形成原理2011-5-2942基于声学成像的噪声源识别技术基于声学成像的噪声源识别技术?平面相控阵列技术?球型相控阵列技术2011-5-2943平面相控阵列技术平面相控阵列技术2011-5-2944平面相控阵列限制平面相控阵列限制2011-5-2945平面相控阵列技术的原理平面相控阵列技术的原理2011-5-2946平面相控阵列技术的原理平面相控阵列技术的原理2011-5-2947这个影响会造成怎么样的结果呢？这个影响会造成怎么样的结果呢？2011-5-2948典型的平面相控阵列形式典型的平面相控阵列形式2011-5-2949真实声源和
22、真实声源和“鬼影鬼影”虚像虚像2011-5-2950基于声学成像的表面噪声源识别技术基于声学成像的表面噪声源识别技术?平面相控阵列技术?球型相控阵列技术球型相控阵列技术2011-5-2951球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2952球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2953球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2954球面谐函数球面谐函数：),1,0(e)(cosP)!()!(412),(Ynmmnmnnimmnnm=+=?球面谐函数的完备性球面谐函数的完备性：任何一个在球面上连续的函数f(,)都可用展开为收敛级数正交归一关系正交归一关系：=020*sinnnmmmnnmddYYmnm
23、nmYY=,*)1(),(Ynm=0),(Y),(nnnmnmnmAfddfAnmnmsin),(),(Y020*=球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2955球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2956球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2957球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2958球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2959球型相控阵列球型相控阵列2011-5-2960球型相控阵列球型相控阵列唯一的能够在所有方向进行声源定位的技术.能够被用于任意的声场环境(消声室或者非消声室)基于缝合图片很容易识别声源能够和其他成像系统相组合是一个相控系统:稳定、快速!2011-5-2961球型阵列技术的精度限制球型阵列技术的精度限制2011-5-2962球型阵列技术的精度限制球型阵列技术的精度限制2011-5-2963球型阵列技术的精度限制球型阵列技术的精度限制2011-5-2964球型阵列技术的应用实例球型阵列技术的应用实例2011-5-2965球型阵列技术的应用实例球型阵列技术的应用实例