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1、基于LabVIEW的压缩机噪声性能在线监测系统设计1.绪论 1.1压缩机噪声在线监测研究的意义和应用价值大气污染、水污染、国体废弃物污染和噪声污染被认为是环境污染四个主要领域。噪声污染属于一种物理污染，和其他污染不同，它随着声波发生而开始出现，停止发声而消失，不存在累积现象。机械噪声对人体的影响是多方面的。概括起来，强烈的噪声可引起耳聋、诱发出各种疾病，影响人的休息和工作，干扰语言交流和通讯，掩蔽安全信号，造成生产事故，降低生产效率，影响设备的正常工作，并且直接影响其经济价值，甚至造成破坏。随着科学技术的发展和人类对生存环境要求的不断提高，其噪声越来越受到人们的重视。对于压缩机机构的振动、噪声
2、的研究和在此基础上的缩机性能分析投入较小，研究力量也相对薄弱。当前形势下对压缩机振动噪声特性分析变得尤为重要，并且通过该特性的研究可深入探讨压缩机性能的改进措施。那么，压缩机作为多种机械设备的心脏，必然成为主要噪声源，也是对该类设备减振降噪的主要对象。通过LabVIEW的语言设计，用户只需键入相应参数即可对被测信号进行分析，为信号分析和处理的学习、实践提供一种新工具。与传统仪器相比，具有以下优点：仪器面板布置简捷, 设计灵活；以软件实现硬件功能, 物美价廉；仪器性能的改进和功能的扩展只需更新软件而无需购买硬件设备；研制周期大为缩短；随着计算机技术同步发展, 可利用网络技术实现。目前，虚拟仪器已
3、经逐渐走进大学实验室，开始为实验教学和科研服务，并且可以应用于多个领域，具有较为深远的理论意义和应用价值。1.2压缩机噪声在线监测的研究现状和发展趋势我国的科技工作者从五十年代末已开始着手对制冷设备的主要噪声源压缩机的降噪开展研究，如压缩机壳体的隔声，悬挂系统的减振以及吸排气系统的声学特性，提出了多种压缩机阀片和消声器的设计原则。压缩机噪声来源于内部的各类机械振动、电磁噪声及空气声等。通常采用的噪声测试方法有声强测试法、声功率测试法及声压测试法等。不过由于噪声的测量受环境的影响较大，实际应用中大部分局限于涡旋压缩机整体噪声的测量，而较深层次的研究和振动信号分析方法相比具有一定的差距。用振动测量
4、方法实现噪声的测量（即“以振代噪”）是多年来振动噪声理论分析和应用研究的结果。以涡旋压缩机为例，近些年来，从有关涡旋压缩机研究的公开发表和会议论文统计来看，论文的研究内容大都集中在几何特性、工作原理、密封、可靠性、加工工艺及材料、型线修正与通用型线等方面，而对于涡旋压缩机振动和噪声特性、动力学特性的研究较少。随着涡旋压缩机技术的飞速发展，作为涡旋压缩机性能的重要指标之一的振动和噪声，成为许多学者研究的课题。国外的研究者对空调压缩机的噪声与振动也进行了大量的研究。研究者对压缩机噪声的发声机理、传播途径，分析和试验手段以及控制措施都有研究。Takao Yoshimura等认为，全封闭活塞式空调压缩
5、机噪声谱中500Hz(1/3倍频程)处的噪声是由于压缩机声腔共振和排气管的振动引起的。他们用边界元(BEM)方法，找到声腔共振模态的节面，将吸气口移到该节面上:并且改变了排气管的布置，降低了振动的传递，通过这两种措施，降低了500Hz处的噪声。Edmar Baars等在治理全封闭活塞式空调压缩机500Hz处的噪声时，用模态试验和有限元分析的方法，通过修改吸气消音器的中间裂缝，成功地将500Hz处的声压级降低了6dB。要实现在线实时监测，必须首先获取信号。例如：声音信号可以通过麦克风将声信号转变为电信号。这些信号都是模拟信号。模拟信号在任意时刻取值，并具有无限多个电平，不适合计算机处理。在处理前
6、，必须将它们转化成适合计算机处理的数字信号。现存的在线监测系统可以实现：四通道实时显示和单通道实时显示；实时监测用户设定的压缩机噪声参数的目标和报警限值，若出现超限情况，即可发出相应情况的报警；实时地采集压缩机运行状态的样本，并根据采集的数据实时地显示各监测参数的数值，这包括时域信号、频域信号、声压级，用户根据实际需要选择所要监测的信号；用户在监测过程中能够方便的设置各种系统参数，包括采集卡的有关参数，传感器的有关参数，信号调理和预处理的有关参数，与监测参数显示有关的参数，各项监测参数的限值，通道的选择等等。1.3基于LabVIEW的测试系统的发展状况1.3.1图形化编程软件LabVIEW的介
7、绍虚拟仪器系统运用软件编程实现传统的硬件仪器、控制器功能。在搭建好了变频涡旋压缩机硬件测控平台后，我们需要编制相应的软件来完成测控系统的试验过程控制、试验数据采集、处理和输出。变频涡旋压缩机性能测控虚拟仪器系统内部职能划分如图1所示，主要分为采集处理、数据分析、结果表达三部分。采集处理主要指与计算机相连接的各类智能仪器系统、传感器系统以及软件中的硬件参数设置，各类信号的采集等部分。数据分析主要指软件中对信号的处理、分析、计算等部分。这三个模块是一个有机的整体，它们之间互相交流数据和指令，最终实现整个系统的功能。本系统中采用图形化编程软件LabVIEW来进行软件平台的搭建。 图1-1 变频涡旋压
8、缩机测控虚拟仪器系统内部职能划分LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化编程软件。1.3.2 LabVIEW的组成及功能LabVIEW编写的程序称为虚拟仪器 VI(Virtual Instrument)，因为它的界面和功能与真实的仪器十分相像，在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.VI后缀，以表示虚拟仪器的含义。各部分的功能如下:第一，Vl的交互式用户接口。因为与真实物理仪器面板相似，又称作前面板
9、。当在启动屏幕上选择 New VI时，屏幕上出现一个无标题的面板窗口。面板窗口显示Vl的前面板，框图程序窗口用来创建Vl的框图程序。前面板是用户接口，用于设置各种控件，并向程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果。第二，Vl从数据框图接受指令。框图是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是Vl程序代码。前面板和框图程序由一些图形化对象组成，这些对象是LabVIEW编程元素。框图程序含有与前面板控件和指示器对应的连线端子、常数、函数、子VI、结构和把数据从一个对象传送到另一个对象的连线。程序框图是程序的源代码，类似于传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。第三，Vl模块化特性。
10、一个Vl既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序(或子程序)的子程序。当一个Vl作为子程序时，称作SubVI，Vl图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在Vl与SubVI之间传递数据。用户可以将一个应用分解为一系列任务，再将每个任务细分，将一个复杂的应用分解为一系列简单的子任务，为每个子任务建立一个Vl，然后，把这些Vl组合在一起完成最终的应用程序。图1-2 LabVIEW启动界面G语言是LabVIEW的核心，熟练掌握G语言的编程要素和语法规则，是开发高水平LabVIEW应用程序最重要的基础。换句话说，要真正掌握LabVIEW开发工具，必须把它作为编程语言而不仅仅是编程环境。在压缩机
11、噪声在线监测系统软件的编程中，监测系统主要依赖数据采集卡(DAQ)以及相关的LabVIEW软件。LabVIEW的数据采集程序库包括了许多NI公司数据采集(DAQ)卡的驱动控制程序。通常，一块片可以完成多种功能模/数转换、数/模转换、数字量输入/输出以及计数器/定时器操作等。DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号(电压或者电流信号)。有时不能把被测量信号直接连接到DAQ卡上，而必须使用信号调理辅助电路，现将信号进行一定的处理。1.4 本文研究的内容和方法1.4.1研究内容： （1）论述压缩机噪声特性分析的意义及研究的
12、目的；（2）阐述压缩机噪声信号产生的根源和产生机理，论述噪声测试方法；（3）利用LabVIEW测试系统软件设计测试系统，进行数据分析和运算；1.4.2研究方法：（1）利用工业麦克采集压缩机噪声信号；（2）运用LabVIEW测试系统软件，编制监测测试程序；（3）实现压缩机噪声性能的在线监测及其性能的声压级评估。2.声学理论基础及其测量方法2.1噪声的基本概念与性质2.1.2噪声及其相关概念1、噪声和声音的基本概念各种频率和声强杂乱无序组合的声音叫做噪声。声音是由物体振动引起的，物体振动通过在媒质中传播所引起人耳或其它接受器的反应，就是声音。振动的物体是声音的声源，产生噪声的物体或机械设备等称为噪
13、声源。声源发出的声音必须通过媒质才能传播。除了空气以外，其它气体、液体和固体物质都可以作为声音传播的媒质。由于在真空中没有物质存在，因也就听不到声音。当声源在媒质中振动时，必须依靠媒质的弹性和惯性才能将这种振动传播出去，媒质的弹性和惯性是声音传播的必要条件。声音在媒质之中向四面八方传播，只是媒质振动的传播。振动在弹性介质中以波的形是传播，这种弹性波叫做声波。当振源频率在20-20000Hz之间时，人的耳朵可以感受到它。当振源频率低于20Hz或高于20000Hz时，人耳无法听到。低于20Hz的波动叫次声波，高于20000Hz的波动叫超声波。人们日常听到的声音，通常来自空气所传播频率在20-200
14、00Hz之间的声波。 2、声波的分类 声波的类型，按波的传播方向、介质质点的振动方向、波的形状，有不同的划分，分述如下： （1）纵波和横波 根据媒质质点振动的方向与声波传播方向的关系，声波又可以分为横波和纵波。所谓纵波，是指介质质点的振动方向与波的传播方向相同。所谓横波，是指介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。声波在气体和液体中传播时，一般为纵波。 （2）连续波和脉冲波波在介质中传播时，介质的各质点均作连续不断地振动的波称为连续波。 不论脉冲波或非简谐的连续波，均可按照傅里叶级数展开，看成是许多不同频率的简谐波的合成。因此，简谐波是各种波中最基本的波形。 （3）平面波、球面波和柱面波 波传播
15、到的面称为波阵面。波阵面可能是平面、球面、柱形面或它们的组合。如果振动的声源是一个平面，振动时波的传播方向又垂直于该平面，则波阵面也是平面，且平面的面积不因波的传播距离而改变，这种波就称为平面波。 如果振动的声源是在无限空间中的一个点，则声波同时向所有方向传播，其波阵面为球面，这种波称为球面波。当圆柱作纯横向振动时，声波将向与圆柱轴线相垂直的四周传播，其波阵面为柱形面，这种波称为柱面波。2.1.2声波的性质 1、声波的物理性质 声音是一种波动，声波就必然具有波的所有特性，可以用通常描述波的物理量进行描述。因此，描述声波的基本物理参数有频率、波长、相位、声速和声压。从波动的角度来看，声和光具有许
16、多类似之处，不过光是一种电磁波，而声则是一种弹性波。 当声波在空气中传播时，空气质点产生振动，空气密度因此而发生稠密与稀疏的变化。空气变密，压强增高，空气变稀，则压强变低，声波是媒质中密度变化的波，即“疏密波”，声波在空气中传播的只是这种疏密波的波动形式，空气质点并不宏观迁移，而只在原位置作振动，故声波在弹性介质中传播的过程，也就是压力传播的过程。频率、周期、波长和声速之间的关系为： （2-1）空气中的声速由下式计算： （2-2）式中， 空气的比热比，即空气的定压比热容与定容比热容之比，对空气=1.4； 空气的密度（g/m3），对于干空气为： T空气的热力学温度（K）； P0大气静压强（Pa）
17、。2、声波的传播特性声波传播的区域称为声场，当声场的边界效应可以忽略不计，声波传播可以自由进行，则这样的声场称为自由场。理想的自由场是没有边界的、媒质均匀且各向同性的声场，满足自由场条件的房间称为消声室；如果测试用的房间很大，以致边界墙面的反射可以忽略，只剩下地面反射，则这样的声场称为半自由场。与自由声场相反的是扩散场，在扩散场中，来自边界面的多次反射，使声场中各点的声能密度(单位体积中具有的声能量)均匀，亦即各点的声压相同。扩散场也称为混响声场。通常，实际房间的墙壁、地面、顶板既不完全反射声波，也不完全吸收声波，我们称这样的房间为半扩散场或半混响场。在声学中，把媒质的密度与媒质的声速之乘积称
18、为该种媒质的特性阻抗，若两种媒质的特性阻抗相差甚远，声波几乎百分之百地被反射回来，反之亦然。若声波在传播的空间途径上，遇到大小与波长差不多的障碍物，或障碍物的表面形状尺寸起伏变化比波长的1/10大时，声波将朝许多方向作衍射或不规则的反射与折射，即声波的散射，这时的声场将由入射波与散射波叠加而成。另外，声波在传播途径中，还会发生因媒质对生波的吸收而引起声波的衰减。（1）扩散衰减在传播过程中，声音不断衰减。引起声音衰减有多种原因，首先声音会随传播距离的增加而衰减。当测点距离比较远时，一般声源都可以视作点声源，声波以球形波方式向四面八方传播。随着声波传播距离的增大，波振面在增大，则单位面积上所通过的
19、声能量减小。以最简单的无指向性声源为例: （2-3）式中，声强（/） 升功率（） 球半径（m）从上式可以看出，声强随声波传播距离的增加而按平方反比的规律减弱。这种由于波振面的扩大而弓起声强减弱的现象，称为声波的扩散衰减。（2）空气吸收衰减空气吸收引起声波的衰减主要有三个原因:一是声波在空气中传播时，由于相邻质点的运动速度不同，分子间的粘滞力使一部分声能转变为热能；二是声波在空气中传播时，空气产生周期性的压缩和膨胀的疏密变化，相应出现空气温度的升高和降低，温度梯度的出现导致热交换，使一部分声能转变为热能；三是空气分子的驰豫效应。空气分子的驰豫效应是指声扰动破坏了空气分子原有的平动能、转动能和振动
20、能的平衡，并建立新的平衡过程，这一过程将使一部分声能被消耗。（3）其它衰减还有一些其它一些原因引起的声音衰减，如空气中的尘粒、雾、雨、雪等对声波的散射，只是影响比较小，每100m距离约衰减0. 5dB，树木和草坪对声波的散射和吸收作用同样会引起声波的衰减，一般40m宽的结构良好的林带可以降低噪声。2.2噪声测量与控制中的声学理论基础2.2.1噪声的物理变量与对声音的度量一样，为了客观上表示噪声的强弱，常用声压、声强和声功率等参量作为对噪声的物理度量。1、声压声压定义为有声波时压力超过静压的部分。一般正常人耳刚能听到的、频率为1000Hz纯音的声压为 ()，称为听阈声压，此值常用作基准声压；而使
21、人耳刚刚产生疼痛感觉的声压，则称为痛阈声压，其值为20Pa。2、声强声强定义为一个与指定方向相垂直的单位面积上平均每单位时间内传过的声能。其数学表达式为: （2-4）式中，T比周期大得多的时间间隔；p(t)声波传播方向上某点处的瞬时声压； 声波传播方向上某点处的瞬时质点速度。对自由场中的平面波或球面波，传播方向上距声源d处的声强为 （2-5）式中， Pd传播方向上距声源d处的有效声压； 媒质密度，对于干空气，t=150C时， =1.225kg/m3，t=260C时， =1.178 kg/m3； c声速，干空气中，t=150C时，c =340m/s ，t=260C时，c =346.8m/s； 媒
22、质的特性阻抗，对空气，在标准大气压及温度为t=150C或260C时，=408 Pas/m。 在扩散场中则有而x方向某点处的单边声强则为 （2-6） 声强既有大小又有方向，因而它是一矢量，而声压则只有大小而无方向，因而是一标量。相应于听阈声压的声强为，此值常用作基准声强，而相应于痛阈声压的声强值则为。 3、声功率声功率定义为声源在一段时间内，平均每单位时间内发射出的声能.常记为W，单位为W(瓦)，并通常取作为基准声功率。其数学公式为: （2-7）式中， 声强为Ii的测量表面上的面积； Ii-一测量表面上面积为处的声强； 测量表面上测点的序号(i =1,2,3,. . )。若一机器置于地面，当机器
23、的尺寸与测量的距离相比甚小时，则可将该机器视为一点声源，其噪声呈半球面向四周发散，即在半自由场条件下，则机器的总声功率W与分布在球面(侧量表面) 的声强Ir之间有如下关系 或 （2-8）式中r测点至声源中心的距离，即半球面的半径。如果声源在自由场中作球面波辐射，则 或 （2-9）对自由场传播而言，声强值与至声源距离r的平方成反比，而声功率则与距离r无关。声强与距离的这一关系在声学中称为平方反比律，其数学表达式为: （2-10）式中、分别为自由场中同一方向上与声源距离为r1和r2的声强。2.2.2级及其单位分贝由于从听阈到痛阈，声压之比为1:106，即相差100万倍，而相应声强之比则为1:101
24、2，即相差达万亿倍之多。因此，直接用声压值或声强值来表示声音的强弱，都是很不方便的；另外，也由于人耳对声音强弱的感受官能作用接近于对数方式，故人们就用一个成倍比关系的对数量“级”来表示声音的强弱，即声压级、声强级和声功率级，级的单位为dB(分贝)。1、声压级声压级常记为Lp，其数学表达式为 （2-11）式中，P声压有效值； Po基准声压，在空气中取。正常人双耳从听阂到痛阂相应的声压级为0120dB。2、声强级声强级常记为LI，其数学表达式为 （2-12）式中，I声强； Io基准声强，在空气中取。正常人双耳从听阂到痛闽相应的声强级为0-120dB。3声功率级声功率级常记为Lw，其数学表达式为 （
25、2-13） 式中，声功率； 基准声功率，在空气中取。 4、级的合成和扣除（1)级的合成两个或两个以上声源同时作用的情况下，要计算总的声压级或声功率级；或者当侧知声源的各频带声压级或频带声功率级，欲求声源在整个频带范围内的总声压级或声功率级；或者当上述问题要用计算值和直接测量值相比较，以检验测量的准确性时，这些问题都涉及级的合成问题。图2-1两个声源同时作用下的声压 如图2-1所示，在自由场条件下，有两个声源S1和S2同时作用，则在S点总的瞬时声压Pt(t)应等于两声源分别作用在该点处的瞬时声压P1(t)和P2(t)之和，即 （2-14）总声压的均方值为式中，T适当长的积分时间。当两个声源发出的
26、声波为非相干波时，上式中最后一项积分为零，此时有 （2-15） 故当有n个声源同时作用，且各声源发出的声波互不相干时，则声场中某点处总声压的均方值，将等于各声源在该点单独引起的声压均方值之和，即 （2-16）一般在工业中所遇到的噪声源发出的噪声极少是仅有单一频率的纯音，或者两个声源噪声的频率完全相同，因此很少发生声波相干的情况，故上式在实际中具有普遍意义。根据声压级的定义，则在n个声源同时作用的情况下，声场中某点处的总声压级LPt应为式中，第i个声源在测点处引起的声压级。同理，在n个声源同时作用下，声场中某点处的总声功率级为 （2-17） 式中第i个声源的声功率级。（2)级的扣除利用声压作用的
27、原理进行噪声测量时，测量结果不可避免地会受到周围测量环境的影响，因为当被测声源停止发声时，环境有其本底噪声(背景噪声)，因此，测量所得的结果，实际上是声源噪声和本底噪声两者的合成结果，为了表明声源噪声的大小，必须从测量结果中扣除本底噪声的影响，这就发生了级的扣除问题。 设为声源产生的声压级；为环境本底噪声的声压级；为与合成后的声压级，即实测得到的声压级。由声压级定义知；又，所以上式为级的扣除表达式，工程中为应用方便，常采用查表办法，设扣除值为，则 （2-18）令，则代入上式可得， （2-19） 当本底噪声与测量所得噪声二者的声压级差小于3dB时(即)，则测量结果不可信的，因而该测量是无效的。图
28、2-2 分贝扣除值图2.2.3频带和噪声的频谱1、频带与频带声压级由于可听频率范围为20-20000Hz，它有1000倍的变化范围，为了声音的测量、分析和仪器设计方便起见，把这个频率范围划分成若干个频段，每个频段称为频带。对任一频带而言，都存在着一个上限频率和一个下限频率，上、下限频率间的距离称为频程。频段的划分通常遵循下列关系，即 （2-20）式中，第i频带的下限频率； 第i频带的上限频率； 倍频程数，常用=1，1/2,1/3,1/5,。 由于本设计主要采用1/3倍频程，所以对此进行详述。1/3倍频程声压级计算公式为： （2-21）式中：spl(i)1/3倍频程声压级；Psdi采样系列的功率
29、谱密度估计；sp(i)每级中心频率的谱线数；I=0,1,2,26；P0参考值，210-5Pa。总声压级（oaspl）计算公式为： （2-22）表2-1 1/3倍频程的中心频率与频率范围（Hz）在声学性能测量中，有时需要按1/3倍频程带宽取试验点，下面介绍1/3倍频程带宽的计算方法： （2-23）式中，上边频；下边频；中心频率；1/3倍频程带宽；0.231（常数）。常用的1/3倍频程的中心频率及相应的频率范围见表2-1。2.噪声的频谱当以频率为横坐标，以反映声音强弱的量(如声压级、声强级或声功率级)为纵坐标而绘制出的图形，称为声音的频谱图，简称声谱，声谱表明了声音的频率结构，噪声的频谱亦属声谱中
30、的一类，它表明了噪声的频率结构。噪声的频谱清楚地表明了声能量的频率分布情况，即噪声中包含了哪些频率分量，各频率分量的强弱，哪些频率分量在总的噪声中贡献是主要的，这些频率分量即是噪声的主要成分，结合具体声源的情况，可进一步分析噪声中那些主要的频率分量是怎样产生的。 声音在某一频率处的声压谱级指以该频率为中心频率，带宽为1Hz的频带中所有声能的有效声压级，其数学表达式为： （2-24）式中，通过带宽滤波器的有效声压(Pa)； 基准声压，；滤波器带宽CHz)； 基准带宽，通常取；相应于带宽的频带声压级(dB)。2.2.4宽带噪声的主观评价噪声一般含有多个频率成分，并占据相当宽的频带，即所谓宽带噪声，
31、对它的主观评价就比对纯音的主观评价复杂得多，常用的主观评价有A声级、等效连续A声级、噪声评价数NR和响度、响度级等。1、 声级和A声级 为了模拟人耳的听觉特性，从等响曲线出发，在以声级计为代表的测量仪器内，设计一种特殊的滤波器频率计权网络，使声音信号在通过计权网络后得到不同程度的加权，这样一来，通过计权网络后测得的声压级就已不再是作为客观物理量的声压级，而称为计权声压级或计权声级，简称声级。声压级经A计权网络后就得到A声级，并以LA表示，其单位写作dB（A)或分贝A。 A、B、 C三种计权网络的计权频率特性曲线如图2-3所示。图2-3常用计权网路示意图 2等效连续A声级Leq 由于A声级仅适用
32、于对稳态连续噪声的评价，而对于噪声级随时间变化的非稳态连续噪声，或虽稳态但不连续的噪声，则应采用“等效连续A声级”评价。等效连续A声级，常以符号Leq表示单位为dB(A)，其数学表达式为： (2-25)式中，总的测量时间； A计权瞬时声压； 基准声压，； 噪声的瞬时A声级。实际应用中，对有限个A声级测定值，式(2-30)可简化为 (2-26)式中，、分别为、等时间内发生的A声级； 、分别为、等对应的时间段； 为n个A声级中第i个测定值。2.3噪声的测量方法2.3.1一般的现场测量A声级测量 现场测量，即是在工厂车间现场条件下，对设备的噪声进行测量，其目的或是为了对设备的噪声进行控制，或是为了对
33、不同类型设备的噪声进行比较，或是为了对现场某设备的噪声作出初步评价。现场测量主要是测量A声级和倍频程噪声频谱。 1测点的选择 现场测量，声源多，房间大小又有一定限度，为了减小其它声源来的声波和反射声波的影响，应将传声器接近被测设备的噪声辐射面，以使测出的噪声中被测噪声源的直达声占主要部分，而其它噪声源及反射声的影响较小，故现场测量一般都采用所谓近场声测量法；但传声器也不能离声源辐射表面太近，因为太近了，声场不稳定。现场测量时，测点的选择可按如下原则进行: 测点的数目，对均匀向四周辐射噪声的机器，即无指向性声源，可选取一个测点；但一般情况下，机器辐射噪声均有指向特性，因此，应在机器周围均匀地选取
34、数个测点，且测点数不应少于4，当相邻两测点噪声级差大于5dB时，则应在其间增加测点，并以各测点处测量值的算术平均值或各测点测量值中的最大值表示该机器的噪声级。测点的高度，应以机器的半高为准，或选择在机器水平轴的高度，或取1.5m(人耳平均高度)，但距地面均不得低于0.5m；测点应远离其它设备或墙体等反射表面，距离一般不小于2m。测量时，传声器应正对机器表面，使声波对传声器正向入射。 设备噪声声级的测量，由于测点与声源距离不同，测量结果亦不同，为了有对比的可能，各国的噪声测量规范或某类产品的噪声测量标准，对测点的数目、位置均有规定;当由于具体情况，无法按规定的测点测量或无规定可循时，则在测量结果
35、中应注明测点的位置。 2A声级测量 A声级测量是利用声级计的A计权网络(A档)进行测量，测量结果以“dBA”或“分贝A”表示，我国所颁布的某些产品的噪声标准和环境噪声标准，均是以A声级作为评价标准的，如果测到的是频带声压级，亦可转换为A声级，其转换公式为: (2-27)式中，第i个频带声压级；相应的A计权值，即声压级的A计权特性；n测量的频带声压级数。 A声级测量仅适用于测量产生稳态连续噪声的机器，但具有相同A声级噪声的机器，却可以有不同的噪声频谱。2.3.2声功率测量为了表达噪声源的噪声辐射强度与辐射特性，克服声压级受到测量距离和测量环境影响较大的缺点，从而提出了声功率参量的测量。根据室内声
36、学理论可导出声源声功率级与声压级间的关系为： (2-28)式中声源声功率级(dB)，基准声功率； 测量表面平均声压级(dB)，基准声压； Q指向性因数；S测量表面面积，球面，半球面，为球面或半球面半径，即声源中心到声压级测点的距离；R房间常数。 2.3.3声强测量声强测量的数学表达式为： （2-29）式中，横线表示对时间取平均，即； 测量方向r上的声强； 媒质质点速度； 媒质密度； 测量方向上A、B两点间的距离； 、A、B两点处的瞬时声压； A、B两点间的平均压力；3.动态数字信号处理方法3.1时域分析方法时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态
37、性能。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的均值、均方值、方差等统计参数。图3-1展示了三种不同类型的信号：周期信号、噪声信号和振动信号。图3-1 三种不同特征的信号均值：均值Ex(t)表示集合平均值或数学期望值。基于随机过程的各态历经性，可用时间间隔T内的幅值平均值表示，即： （3-1）均值又或称之为直流分量，表达了信号变化的中心趋势。图3-2均值信号类型 均方值：信号x(t)的均方值Ex2(t)，或称为平均功率，其表达式为 （3-2）值表达了信号的强度，其正平方根值又称为
38、有效值，也是信号的平均能量的一种表达。在工程信号测量中一般仪器的表头示值显示的就是信号的均方值。 图3-3信号有效值及其波形方差：信号x(t)的方差定义为 （3-3）称为均方差或标准差。 可以证明 （3-4）描述了信号的波动量； 描述了信号的静态量。方差反映了信号绕均值的波动程度。图3-4显示了不同方差的信号波形的直观差别。图3-4不同方差的信号波形信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。将测试信号采集到计算机后，利用LabVIEW软件，在测试VI中进行信号特征值处理，并在测试VI前面板上直观地表示出信
39、号的特征值，可以给测试VI的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。3.2频域分析方法在数字信号处理中，除了基于时间的变化外，经常还需要知道信号的频率。频谱是对信号中所含频率分量的描述，信号频率分量的重要性由该频率处的频谱幅度表示。低频信号是常量或随时间变化较慢的信号，在频谱的左端。而高频信号随时间变化较快，在频谱的右端。对于每个信号，它的频谱可以很清楚地反映出信号的特征，而时域信号不行。将时域信号变换至频域信号加以分析称为频谱分析。频域分析的目的是把复杂的时间历程波形 ,经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究 ,已获得信号的频率结构以
40、及各谐波幅值和相位信息 。工程上任何复杂的周期信号都可按傅里叶级数展开成各次谐波分量之和 ,即: （3-5）式中，T周期； 静态分量； 余弦项振幅（n=1,2,）； 正弦项振幅。傅里业级数展开的另一形式： （3-6）各阶谐波的幅值和相位为： （3-7） （3-8）若以或为横坐标，分别以和为纵坐标作图，便可得到离散幅值谱和离散相位谱。图3-5某一信号及其频谱 信号的频域描述是数字信号处理的常用方法，也是非常重要的方法。频谱可以很清楚地反映出信号的特征，也就可以间接的反映出压缩机的固有特征，信号的频谱分析对于压缩机监测和故障诊断具有重要意义。3.3时频域分析方法时频分析（JTFA）即时频联合域分析
41、的简称，作为分析时变非平稳信号的有力工具，成为现代信号处理研究的一个热点，它作为一种新兴的信号处理方法，近年来受到越来越多的重视。时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系。信号时频分析的重要性：（1）时间和频率是描述信号的两个最重要的物理量。（2）信号的时域和频域之间具有紧密的联系。 信号时频分析的主要方法：（1）窗口傅立叶变换（Gabor变换）；（2）连续小波变换；图3-6 时频域分析实例 4.基于LabVIEW的压缩机噪声在线监测系统的设计4.1系统的总体设计4.1.1系统的运行环境（1）软件环境Windows XP，LabVIEW 8.6。（2
42、）硬件环境工业控制计算机、工业麦克、信号调理卡。 4.1.2 系统的总体设计此系统能够实现压缩机噪声的采集、在线监测以及实时分析功能，并能为用户提供最新的关于压缩机特性的指数。压缩机噪声采集信号转换数字信号处理在线分析图形实时显示数据输出报警图4-1系统流程图4.2系统的硬件设计 该压缩机噪声性能在线监测系统的硬件系统完成以下功能：1、压缩机噪声信号的采集；2、信号的调理，包括抗混滤波、A/D转换处理；准备采样采样保持量化及数字化数字信号处理转换为模拟电平零阶保持平滑模拟信号模拟信号A/D转换D/A转换图4-2信号的模/数，数/模转换流程声音信号可以通过麦克风将声信号转变为电信号。这些信号都是模拟信号。模拟信号在任意时刻取值，并具有无限多个电平，不适合计算机处理。在处理前，必须将它们转化成数字形式。数字信号和模拟信号相比许多优点，模拟信号是由元器件搭建而成的电路，而元器件在制造误差范围内差异很大，且特性还会随温度而改变，从而改变了电路的性能。相比之下，数字系统的工作具有可预测性和可重复性。由于数字系统主要取决于软件，所以它的性能几乎不受以上因素的影响。 模拟信号在所有时间点上都