Виброакустические измерения. Средства измерения вибраций и шумов. Датчики вибрации

Часть 4

Виброакустические измерения

4.1. Общие положения

Естественным следствием функционирования различных механизмов является возникновение вибраций и акустических шумов. Под вибрацией (от латинского vibratio – колебание) понимают механические колебания, возникающие в машинах, конструкциях и пр., а акустический шум – это беспорядочные звуковые колебания, характеризующиеся случайными изменениями амплитуды и частоты.

Необходимость проведения измерений параметров этих процессов вызвана не только тем, что они рассматриваются как негативные явления, воздействующее на человека и способные вызвать разрушительные процессы в некоторых конструкциях. Помимо этого, в результате анализа вибраций и шумов может быть получена информация о состоянии деталей работающих механизмов, для получения которой в противном случае потребовалось бы осуществлять разборку всей конструкции. Также механические колебания могут являться необходимым условием для выполнения некоторых операций в строительстве, сельском хозяйстве и других областях. В этом случае создаются специальные вибрационные машины, рабочему органу которой сообщается механическое колебание.

Простейшей формой колебания (как механического, так и звукового) является гармоническое колебание, при котором его параметр (смещение относительно определенной точки или давление среды) изменяется во времени по закону синуса (косинуса). В реальных условиях такая форма встречается крайне редко. В большинстве случаев приходится иметь дело со случайными сигналами во времени, которые могут рассматриваться как результат сложения большого числа гармонических колебаний с разными частотами и амплитудами. Полную информацию о форме временного случайного сигнала, в частотной области несет спектр сигнала, состоящий из амплитудного и фазового спектров сигнала. Амплитудным спектром называется зависимость амплитуды составляющих гармонических колебаний от их частоты. Пример такого спектра показан на рисунке 4.1. Для акустических шумов и случайных вибраций характерны сплошные спектры с бесконечно большим числом составляющих. Кроме амплитудного спектра, в частотной области имеется частотный спектр фазы составляющих гармонических колебаний, который во многих прикладных задачах имеет второстепенную роль, и потому, не учитывается.

В качестве характеристики вибрации обычно выступает значение виброперемещения (мгновенное, максимальное или среднеквадратическое), а также его производные по времени – виброскорость и виброускорение. При описании акустических шумов, используют параметры, учитывающие, прежде всего, его восприятие человеком.

Распространение звуковых волн обусловлено наличием упругого взаимодействия частиц (молекул) среды[1], а сами звуковые волны представляют собой последовательность областей с повышенной и пониженной плотностью частиц. В случае распространения звука в воздухе указанные области характеризуются повышенным и пониженным давлением, поэтому одной из основных характеристик акустических шумов и звуков вообще является звуковое давление. Звуковое давление – это разность абсолютного значения давления в некоторой точке звукового поля и среднего (статического) давления.

Восприятие громкости  Человек оценивает не то, на сколько изменилась мощность источника, а во сколько раз она изменилась. Тем самым, человек воспринимает логарифмически изменение мощности источника звука. Это позволяет иметь больший динамический диапазон и более стабильную относительную погрешность.

Уровни  В связи с логарифмической зависимостью слухового ощущения от мощности акустического источника, характеристики звуковых сигналов также выражают в логарифмической шкале. Но логарифм можно брать только относительно безразмерных положительных величин. Поэтому логарифмируют не сам параметр p, а его отношение к некоторому опорному p₀ (нулевому в логарифмической шкале).

Поэтому звуковое давление выражается в виде уровня звукового давления L_P в децибелах (дБ):

,                                                           4.1

где р — среднеквадратическое значение звукового давления;

р₀ — среднеквадратическое значение опорного звукового давления.

Международное значение опорного звукового давления принято равным 2∙10^-5 Па, что приблизительно равно среднеквадратическому значению звукового давления чистого тона частотой 1000 Гц нормального порога слуха. Почти вся выпускаемая измерительная аппаратура позволяет производить непосредственный отсчет уровня звукового давления в соответствии с уравнением (1.1) относительно опорного давления, равного 2∙10^-5 Па.

При рассмотрении вопроса восприятия звука человеком в качестве характеристики интенсивности звука используют  два параметра: