機(jī)械噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)

聲音是一種表達(dá)力很強(qiáng)的因素，我們可以透過聲音來得到各種信息，或是開心或是難過等等；這并不于人類自身，對(duì)于機(jī)器聲音也是一樣的，不同的聲音代表著不同的狀態(tài)，宣示著機(jī)器的工作狀態(tài)。

噪聲，作為機(jī)械運(yùn)行時(shí)發(fā)出的一種固有信號(hào)，噪聲中必然攜帶著機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)信息和運(yùn)行的狀態(tài)信息。從理論上講，完全可以用噪聲信號(hào)來對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。但由于機(jī)械設(shè)備其工業(yè)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性以及運(yùn)行環(huán)境聲源的相互干擾性，在實(shí)際的測(cè)量中，應(yīng)用噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)的效果并不那么理想。

噪聲故障監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

與振動(dòng)信號(hào)一樣，機(jī)械設(shè)備的噪聲信號(hào)中蘊(yùn)涵著豐富的設(shè)備狀態(tài)信息，噪聲信號(hào)同樣能應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的故障診斷。但在如高溫、高腐蝕，或加速度傳感器不能停機(jī)安裝和安裝部位結(jié)構(gòu)受限等場(chǎng)合，由于無法接觸測(cè)量而不能進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。但聲信號(hào)的測(cè)量不受這種限制，上述場(chǎng)合均可采集設(shè)備的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，因而聲學(xué)故障診斷技術(shù)的研究變得十分重要。

聲學(xué)故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)有：非接觸式測(cè)量、設(shè)備簡(jiǎn)單、速度快、信號(hào)易于測(cè)取、易于發(fā)現(xiàn)早期故障、無須事先粘貼傳感器、可對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)等，尤其在不易測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，聲學(xué)故障診斷已成為近年來故障診斷領(lǐng)域新的發(fā)展方向。 

早期故障診斷采用聽診法來判斷設(shè)備狀態(tài)，有經(jīng)驗(yàn)的師傅可根據(jù)聲音辨別出故障類型，目前聲學(xué)技術(shù)中常用的統(tǒng)計(jì)能量法是聽診法的一種進(jìn)化，它根據(jù)設(shè)備正常和故障時(shí)輻射聲能量的變化進(jìn)行故障診斷。而在實(shí)際應(yīng)用中，該方法容易受環(huán)境影響，且技巧不易掌握，依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)。雖然振動(dòng)和聲音都蘊(yùn)含著機(jī)械狀態(tài)信息，但因聲信號(hào)易受干擾，使得聲學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于振動(dòng)診斷技術(shù)。

噪聲理論知識(shí)

1. 聲強(qiáng)

聲波平均能流密度的大小叫聲強(qiáng)，通過垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流，稱為聲強(qiáng)或者平均聲能量流密度。聲強(qiáng)的單位為 W/m2。

2. 聲壓

設(shè)體積元受聲擾動(dòng)后壓強(qiáng)由P0 改變?yōu)镻1，則由聲擾動(dòng)產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)（簡(jiǎn)稱為逾壓），p=P1? P0就稱為聲壓；或者說聲音通過空氣的振動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫做聲壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱聲壓。聲壓的大小反映了聲波的強(qiáng)弱，聲壓是一標(biāo)量而不是矢量。它的相位按下列原則區(qū)分正負(fù)，當(dāng)聲壓使總聲壓增加時(shí)，聲壓相位規(guī)定為正，反之為負(fù)。聲壓的單位為Pa（帕），有時(shí)也用bar（巴）作單位，1bar=100KPa。人的耳朵所能感受到的聲壓是20μPa，低于此聲壓人們就感覺不到聲音。

3. 可聽閾聲壓

正常人耳對(duì)1KHz聲音剛剛能覺察其存在的聲壓值 (20μPa) 被稱為1KHz聲音的可聽閾聲壓。一般講，人耳不能覺察到低于這一聲壓值的聲音的存在。另外，當(dāng)聲壓達(dá)到20Pa，即聲壓級(jí)為120dBSPL時(shí)，人們的耳朵會(huì)感覺到疼痛，因此，在聲學(xué)或醫(yī)學(xué)上把20Pa=120dBSPL定義為痛閾，長(zhǎng)時(shí)間在此環(huán)境下工作，會(huì)對(duì)聽覺系統(tǒng)造成傷害。

4. 聲壓級(jí)

在圖中，橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是聲壓級(jí)。聲壓是大氣壓受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，即大氣壓強(qiáng)的余壓，它相當(dāng)于在大氣壓強(qiáng)上疊加一個(gè)擾動(dòng)引起的壓強(qiáng)變化。由于聲壓的測(cè)量比較容易實(shí)現(xiàn)，通過聲壓的測(cè)量也可以間接求得質(zhì)點(diǎn)速度等其它物理量，所以聲學(xué)中常用這個(gè)物理量來描述聲波。聲壓級(jí)以符號(hào)SPL表示，其定義為將待測(cè)聲壓有效值p(e) 與參考聲壓 p(ref) 的比值取常用對(duì)數(shù)，再乘以20。圖中每條曲線所對(duì)應(yīng)的不同頻率的聲壓級(jí)是不相同的，但人耳感覺到的響度卻是一樣，每條曲線上注有一個(gè)數(shù)字，單位是響度方。由等響曲線族可以得知，當(dāng)響度較小時(shí)，人耳對(duì)高低音感覺不靈敏，而響度較大時(shí)，高低音感覺逐漸靈敏，而對(duì)2000Hz~5000Hz之間的聲音為敏感。

在圖中不同響度的曲線上，2000Hz~5000Hz頻范圍內(nèi)的聲壓級(jí)，均處于整個(gè)曲線相對(duì)較低聲壓級(jí)的位置，說明人耳對(duì)中頻的響應(yīng)靈敏。在這個(gè)范圍之外的低頻和高頻兩邊，等響度曲線翹起，說明人耳對(duì)低頻和高頻聲音的靈敏度下降，對(duì)低于 (16~20)Hz和高于 (18000~20000)Hz的純音，不論聲級(jí)多高，絕大多數(shù)的人都感覺不到聲音的存在，因此將20Hz~20000Hz定為音頻。人耳能聽到聲音的微弱強(qiáng)度，稱為聽覺閾（圖中虛線），產(chǎn)生疼痛感的聲音強(qiáng)度，稱為痛覺閾。由聽覺閾和痛覺閾所構(gòu)成的兩條等響度曲線，是等響度曲線的上下限。

響度主要決定于聲強(qiáng)，提高聲強(qiáng)響度級(jí)也相應(yīng)增加。但是聲音的響度并不是單純由聲強(qiáng)決定的，還取決于頻率，不同頻率的純音有不同的響度增長(zhǎng)率，其中低頻純音的響度增長(zhǎng)率比中頻純音要快。例如，在響度60方的曲線上，從125Hz一直到16000Hz的各頻率純音的聲壓級(jí)，基本都在60dB上下；而低于125Hz的低頻的聲壓級(jí)，將隨著頻率的降低迅速地增加；在20Hz頻率時(shí)的聲壓級(jí)達(dá)到約96dB。再比如，從聽覺的聞閾到痛閾，1000Hz純音的聲壓級(jí)范圍近似0~130dB，區(qū)間寬達(dá)130dB；而20Hz純音的聲壓級(jí)已經(jīng)壓縮到大約70~150dB的范圍，區(qū)間僅80dB。

5. 等響曲線與計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

用響度級(jí)來表示人們對(duì)聲音的主觀感覺過于復(fù)雜，于是為了簡(jiǎn)單起見，在等響曲線中選了三條曲線，一條是40方的曲線，代表低聲壓級(jí)的響度感覺；一條是70方的曲線，代表中等強(qiáng)度的響度感覺；一條是100方的曲線，代表高聲強(qiáng)時(shí)的響度感覺。按照這三條曲線的形狀設(shè)計(jì)了A、B、C三條計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性曲線對(duì)應(yīng)于倒置的40方等響曲線，B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對(duì)應(yīng)于倒置的70方等響曲線，C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對(duì)應(yīng)于倒置的100方等響曲線。

6. 聲功率級(jí)

表征單位時(shí)間發(fā)射的聲能量的大小，常用來表示聲源的強(qiáng)弱，單位分貝噪聲級(jí)為30~40分貝是比較安靜的正常環(huán)境；超過50分貝就會(huì)影響睡眠和休息。由于休息不足，疲勞不能消除，正常生理功能會(huì)受到一定的影響；70分貝以上干擾談話，造成心煩意亂，精神不集中，影響工作效率，甚至發(fā)生事故；長(zhǎng)期工作或生活在90分貝以上的噪聲環(huán)境，會(huì)嚴(yán)重影響聽力和導(dǎo)致其他疾病的發(fā)生。

利用聲音照相機(jī)幫助快速定位注塑機(jī)噪聲源，并給出改善噪聲建議。

噪聲故障診斷監(jiān)測(cè)，采用噪聲分析的診斷技術(shù)直接對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不需要額外的成本，需要投入的資金少。另外，還可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程發(fā)生的故障，只要故障產(chǎn)生我們就可以知道故障產(chǎn)生的原因，大大減少了傳統(tǒng)的周期性故障診斷存在的安全隱患。