振动测量1

振动测量zhendong celiang vibration measurement

字体[大][中][小]振动一般指机械振动，它是物体或物体的一部分沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。在环境问题中，振动测量包括测定能表征引起噪声辐射的物体振动和对环境振动的特性的有关参数的过程。

振动的物理量可分为两类。一类是描述振动大小的物理量，有位移、速度和加速度。对于稳态振动，常用振动量的大小的均方根值(有效值)表示;对冲击性振动，有时用振动量的峰值或平均值表示。另一类是描述振动变化率的量，有周期、频率、频谱或功率谱密度。对于不同的振动，振动变化率的量有不同的关系和表述方法。

振动位移物体振动时相对于某一参考坐标位置的变化，单位为米(m)。在实际的振动测量和分析中，常采用位移级表述。位移级是位移与基准位移之比的以10为底的对数乘以20，单位为分贝(dB)。基准位移一般采用10-12m。工业上，常用位移这个物理量描

述机器设备的稳定性和隔振的效果。

振动速度物体振动时位移随时间的变化率，单位是米每秒(m/s)。在计量振动速度时常用速度级表述。速度级是振动速度与基准速度之比的以10为底的对数乘以20，单位是分贝(dB)。即

式中L v为振动速度级，dB;v为物体的振动速度，m/s;v0为振动的基准速度，v0＝10-9m。在噪声分析中，常用速度级这个物理量描述声源物体的振动。

振动加速度物体振动速度随时间的变化率，单位为米每秒平方(m/s2)。测定振动对人的影响时，常用重力加速度g作为单位。当加速度超过0.02g时，振动就会对人产生影响。测量和分析振动时常采用加速度级来描述。加速度级是振动加速度与基准加速度之比的以10为底的对数乘以20，单位为分贝(dB)。即

式中VAL为振动加速度级，dB;a为振动加速度，m/s2;a0为基准加速度，a0＝10-5m/s2(也有用a0＝10-6m/s2)。

振动周期按一定时间间隔做重复变化的振动，称为周期振动。在周期振动中，振幅由最大值到最小值，再由最小值到最大值变化一次所需要的时间称为振动周期，单位为秒(s)。变化慢的振动常用周期这个物理量来描述。

振动频率和频谱在单位时间(每秒)内振动的次数称为振动频率，单位是赫兹(Hz)。最简单最基本的振动是简谐振动(振动的物理量随时间按正弦或余弦规律变化的振动过程)，它的频率只有一个，数值为周期的倒数。实际发生的振动多为复杂振动，即非简谐振动。非简谐振动可以看做许多个不同频率和振幅的简谐振动的合成，其最低的频率称为基频，而基频

的整数倍的频率称为谐波，如二次、三次谐波等。非简谐的周期性运动称做谐振动，因此，谐振动具有很多个频率成分，周期只是基频的倒数。振动物理量的幅值作为这些频率成分的函数以图或表表示，称为频谱。

频谱分析中常用的有幅度谱和功率谱。幅度谱表征振动物理参量的幅值随频率的分布情况;功率谱表征振动过程的平均功率随频率的分布情况。功率谱密度则是中心频率为f0在带宽为1Hz内发生的平均功率，又简称为谱密度。功率谱与功率谱密度一般用于随机振动的分析。随机振动是指振动的物理量随时间的变化呈无规则状态的振动。

振动测量标准测量标准是在测量中应当遵循的规范、条例、方法等。中国已颁布的振动测量标准有：《大型旋转机械振动裂度现场测量与评定》、《旋转机械振动裂度现场测量与评定》、《旋转电机振动测定方法》和《城市区域环境振动测量方法》等。

振动测量技术主要是仪器的正确选择与使用，测点的选取以及振动本底值的消除(见工业噪声监测)，避免剧烈温度梯度变化、强电磁场、强风等环境因素的干扰等。

物体振动测量测量辐射噪声的物体振动时，需要根据实际情况选择测点。不仅要测量发声物体的振动，还要测量振源(如电动机等)的振动和传导振动的物体的振动。声频范围的振动测量，一般取20～20000Hz的均方根振动值(线性档或C档振动值)。振动的频谱一般宜用窄带分析(见工业噪声监测)。一般现场测量可先用倍频程分析，而后根据需要，再用窄带分析。振动值可以用加速度、速度或位移来表示，振动对人的影响常用加速度值描述。

振源频率的测量需要扩展到20Hz以下。可按振源基座三维正交方向测量振动加速度。机械振动在多数情况包括突出的单频振动。

测量需要选择灵敏度和频率响应能满足测量要求的加速度计，并在使用前熟悉仪器的性能。此外，测量前应充分了解温度、湿度、声场和电磁场等环境条件，以使加速度计和其他仪器能有效地工作。

环境振动测量造成人整体暴露在振动环境中的振动是环境振动。环境振动的特点一般是振动强度范围广，加速度有效值的范围约为3×10-3～3m/s2，振动频率约为1～80Hz 甚至为0.1～1Hz的超低频。因此测量仪器需要选择高灵敏度加速度计、低频振动测量放大器和窄带、1/1或1/3倍频带滤波器，或使用装有国际标准化组织(ISO)推荐的频率计权网络的环境振动测量仪，通过计权网络测量得到振动级。

对于环境振动，一般测量1～80Hz范围内振动在x、y、z三维正交方向上的加速度有效值。为了准确测定传到人体的振动，振动测点尽可能选在振动物体与人体表面接触的地方。站在地面或坐在平台上的人，若人体和支撑物间没有缓冲垫，传感器可以安置在地面或平台上;若人体和支撑物间有柔性垫层，则需要在人体和垫层间插入一个可以放置传感器的刚性结构(如钢板等)。

在车间、办公室、住宅等建筑物内测量振动时，在室内地面中心附近选择3～5个测点进行测量。考虑到楼房对振动的放大作用，在建筑物各层都选择几个房间进行测量。

为了解环境振动源的振动特征和影响范围，需要在振动源的基础座上，以及距基础座5m、10m、20m等位置上选择测点，进行振动测量。并且传感器应放置在平坦坚硬的地面上，而不能放在沙地、泥地或草地上。

图1 压电加速度计简图

前置放大器将传感器的输出信号在分析或测量之前进行放大的装置。可分为电压前置放大器与电荷前置放大器两种，前者结构简单，性能可靠，但若联接电缆加长时，灵敏度会降低;后者不会受电缆长度的影响，并且低频截止频率很低，缺点是测试环境恶劣时，可靠性变差。

处理和变换仪器接受前置放大器的输入，对信号进行处理和变换并指示出相应的振动量的装置。主要有五种(1)振动计。可测量位移、速度或加速度，与滤波器等设备联接进行频谱分析。(2)滤波器。常用滤波器的频率在声频范围内，当测量低于20Hz的振动时，可采用频率范围为2～20000Hz，频带宽度为窄带、1/3倍频带和1/1倍频带的滤波器。

(3) 频率分析仪。频率范围一般为2～20000Hz，“恒百分率”带通滤波器的带宽为1%、3%、10%和1/3倍频带，而恒带宽一般为2～100Hz。(4)实时分析仪。能对声和振动信号作连续和瞬态数据分析。常用的可进行 1.6～20000Hz、1/3倍频带分析或2～6000Hz、1/1倍频带分析。(5)记录器。记录振动信号的装置。常用有笔式与磁带式两种。前者连接在振动信号的分析器之后，记录测量所得的振动级;后者在现场记录下振动信号之后，再输入分析器进行分析。

加速度计的安装必须与被测物体良好接触，否则会在垂直或水平方向产生相对位移，使测试结果严重失真。加速度计常用的6种固定方法(图2) 是：(1)将加速度计直接用螺栓固定在振动表面上。可测量强振和高频率振动，是固定加速度计较理想的方法。(2) 将加速度计与振动面通过绝缘螺栓或云母片绝缘相连。使用与第一种方法相同，只是在需要绝缘的时候使用。但是这两种方法需要在被测物体表面穿孔套扣，较为复杂，有时实际条件也不允许。(3)通过磁铁与具有铁磁性质的振动表面磁性相接。此方法常用，方便可靠，但只能测量加速度较小的振动。(4)用粘合剂(油膜等)连结。(5)用蜡膜(厚度小于0.1mm)粘附。

(6)手持探棒与振动表面接触。后三种固定方法因加速度计与振动物体不是刚性连接，会导致加速度计安装系统的共振频率低于固有振动频率，故一般只能测量10000Hz以下的振动，适用于精度要求不高的振动测量。被测对象测点的具体布置和传感器的安装位置必须能代表被测物所需要研究的振动位置。加速度计的感振方向和振动物体测点位置的振动方向也应取一致，如果两个方向之间有夹角为a，则测量值的相对误差C=1-cosα。此外，须注意合理布点，避免发生额外的附加振动，以致影响测量结果的准确性。

图2 加速度计的固定方法

1—钢制螺栓法;2—绝缘螺栓法;3—磁铁法; 4—胶合剂法; 5—蜡膜法;6—探针法

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参考文献

章句才,工业噪声测量指南,第2版,计量出版社,北京,1989.11.

作者：魏述超

知识来源：《中国冶金百科全书》总编辑委员会《安全环保》卷编辑委员会,冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部编.中国冶金百科全书·安全环保.北京：冶金工业出版社.2000.第456-459页.