第六章电器产品噪声及振动检验.docx
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第六章电器产品噪声及振动检验
第六章 电器产品噪声及振动检验
电器产品检验中涉及的各类性能指标很多,本章重点介绍噪声、振动检验内容。
第一节噪声的危害与电器噪声的来源
从物理学观点来讲,噪声是指声音强弱和频率变化都杂乱无章、没有规律的声音。
从生理学观点来讲,凡是人们不希望听的、听了令人烦恼、讨厌的声音均可称为噪声。
众所周知,“三废一声,’(废水、废气、废渣及噪声)中的噪声,是城市四大公害之一,其危害程度已引起各国的高度重视。
噪声的危害主要表现在以下几个方面:
1.危害人体的身心健康
噪声对人身危害最常见的是引起听力减退和噪声性耳聋。
当人们长期处于90dB噪声级(A)的环境中,就会产生听力减退,并逐步加深而转变为噪声性耳聋。
当噪声级(A)达到115dB时,就可能即刻引起耳聋,而当噪声级(A)达到140dB时,则会出现耳鼓膜破裂出血,使双耳完全失听,称为爆炸性耳聋。
2.影响人们正常休息和谈话
噪声妨碍人们的睡眠和休息,干扰谈话,并使人精神上异常烦恼。
经试验证明,即使对于睡眠着的人,当环境噪声级(A)达到40dB至50dB时,脑电波就产生反应,显示出大脑的休息受到破坏。
而人们普通的谈话声约为60dB(A),大声谈话约为70至80dB(A),当噪声级(A)达到65dB时就会干扰诉话,当噪声级(A)达到80dB时,人们进行正常交谈就相当困难。
3.影响工作和降低生产效率
在强噪声环境中,使人心情烦躁,注意力分散,反应迟钝,并容易引起疲劳,这样就会影响工作,降低效率;特别对于干细活和脑力劳动的人来说,更是如此。
4.降低设备的使用寿命
一般来说,当环境噪声级达到130dB至140dB(A)及以上时,为强噪声环境。
日用电器在此环境下容易产生“声疲劳’,和“声共振”现象。
这就会加速其部件损坏,缩短使用寿命。
特别是对于敏感元件、高灵敏度的继电器等部件,其影响尤为明显。
从电器产品的质量检验角度来讲,即使不太大的噪声,也可以与电器的设计性能、运行状及产品的综合质量发生联系。
以波轮式洗衣机为例,如波轮和洗衣桶的结构形状设计不合理,不但要影响洗涤效果,而且将会增大摩擦噪声;当洗衣机外壳的刚性不够时,就易产生结构共振噪声;又如桶与外壳的连接结构不合理,使水流旋转时产生的振动传递到外壳上,也易产生共振噪声;电动机传动环节的装配不良,不但使机械零件容易损坏,而且能使电动机的振动传递到壳体上,产生不必要的低频噪声。
所以,分析噪声来源、检测噪声大小对发现产品质量上存在的问题有其独特的意义。
根据国内外对几种主要家用电器噪声的分析研究表明,其主要噪声源为:
电冰箱及空调机的压缩机、管道、风冷用风扇;洗衣机的电机、水声、排水阀、制动器、外壳;吸尘器:
风机、电机、吸嘴;电风扇的风叶、变速器等等。
根据噪声产生机理的不同,家电的噪声可以分为流体噪声、电磁噪声和机械噪声。
流体噪声是由于流体的流动而产生的,流体力可直接作用于大气使大气振动而产生噪声,如电风扇;流体也可通过构件振动而发声,如压缩机;气流在风道内由于风压的变化还会产生出共鸣声。
电磁噪声是由电磁力产生的,如电机、变压器、内藏电动机的压缩机等。
机械噪声是由固体振动而产生的。
旋转物体的不平衡、固体撞击和摩擦都会产生这类噪声。
它包括轴承噪声、旋转噪声、电刷噪声和结构共振噪声。
就生产企业而言,了解噪声、分析噪声,最终是为了降低或控制噪声。
降低和控制噪声可以针对噪声源和传播途径这两个环节采取措施,即要结合产品的原理和结构特点,采用适当的手段,减小噪声源的声量或基本杜绝噪声源的出现;在噪声的传播途径中,通过采用合适的材料,配置适当的消声器或滤波器,实现吸声、隔声、隔振,以求减弱噪声。
第二节 噪声检测基础
噪声属于声音一类,它具有波动的一切特性,噪声的产生根本上是由于物体的振动所引起的。
在各类日用电器产品中,有相当一部分会产生噪声。
一个产品的噪声的大小,综合地反映出它的设计和制造水平,也反映出产品的质量。
GB4214-84《家用电器噪声声功率的测量》对辐射稳定和非稳定的宽带、窄带噪声的声源测试环境作了相应的规定。
这是适合噪声测量的通用标准,对各类产品测量的特殊要求还得由各类专用产品噪声测量方法规定,如交流电风扇噪声测试按GB158-82标准,电冰箱噪声测试按GB8059.1-82标准规定等。
一、基本名词术语
1.声源
激起声波的振动物体叫做声源。
2.声场
声波传播的空间称作声场。
3.自由声场
自由声场是只有直达声而无反射声的声场。
理论上自由声场是没有边界的,媒质均匀且各向同性。
实际上自由声场是指声波传播的空间环境中的一切反射影响可以忽略,即声波传播可以自由行进的声场。
4.消声室
声源所在的房屋六面都铺设吸声材料,以实现自由声场条件的房间叫消声室。
在室外安静的高空,由于所发出的声音不受周围反射也可以实现自由场条件,但会受到环境噪声干扰和风雨等气候条件的影响。
5.半自由场和半消声室
如果实验房屋很大或在室外开阔地,则边界墙面的反射可以忽略,这时只剩下地面的反射,称之为半自由场条件。
房间内六个界面中五面铺设有效的吸声材料或结构(常用的是超细玻璃纤维尖劈或泡沫塑料块)而有一面为有效地反射声波,也就是地面是反射面(如水磨地面)的消声室,即叫做半消声室。
近年来半消声室普遍用于机器噪声功率的测量。
6.扩散场
指空间各点声能密度均匀,从各方向到达某一点的能流率相同,以及在各个传播方向声波的相位是作无规分布的声场。
7.混响室
指具有扩散场的实验房间。
它是吸声很小,混响时间很长,室内声波经过多次反射形成声能分布均匀的房间。
8.声频
人耳对声音的感觉与声音的频率有关,能够听到的声音频率范围为20~20000Hz之间这个区域的频率称为声频。
二、噪声的物理量度
人耳之所以能听到声音,有如下几方面的因素:
一是有产生声音的声源存在,当物体振动时,就能发声。
二是有将声音传递到人耳的媒质,如空气就是一种媒质。
声波是一种“疏密波”,它能在一切象气体、液体、固体样这样的弹性媒质中传播,声波在空气中传播的方向与空气质点振动的方向一致,所以空气中的声波是纵波。
三是声波具有强度,如果强度太小(如声强小于10-12W/m2),人耳是听不到声音的。
正常人耳可听的声强级范围为0~120dB。
四是声音的频率,低于20Hz和高于20000Hz的频率,人耳都是听不到的,正常人耳所能听到的频率范围为20~20000Hz,如果声音的频率低于20Hz称为“次声”,高于20000Hz的称为“超声”。
日”,d漪湘川川明阴以洲服
对噪声的评价,象对其它物理量度量一样,国际上也采用统一的量度单位和方法。
评价日用电器噪声最常用物理量的是声压与声压级或声功率与声功率级。
1.声压和声压级
由于声音在空气的传播,使空气压强在大气压附近按声频起伏变化,这种压强的变化就称之为声压。
声压是随时间变化的量,声场中某一点某一时刻的声压,为瞬时声压,可以比静压大为正值,也可以比静压小为负值。
一般使用时声压是有效声压量的简称。
某点的有效声压是该点在一段时间内各瞬时声压的均方根值。
对于周期性声压,这段时间应取为周期的整数倍,或比周期大得多的时间。
对于非周期性声压,这段时间应长到不影响计算结果的程度。
声压用符号P来表示,单位为帕(Pa),即牛/米2(N/m2)。
声压是表示声音强弱的基本物理量。
正常人耳刚能听到的1000Hz声音的声压为2×10-5Pa,称为听阈声压。
此声压常被规定为确定声音和噪声的参考声压P0。
使人耳刚刚产生疼痛感觉的声压称为痛阈声压,其值为20Pa。
听阈声压和痛阈声压就帕(Pa)这个单位来说,相差一百万倍,直接用这个单位来表示有时是不够方便的,再者,人耳对声音强弱的感觉,并不是简单的比例关系,而是接近对数关系,一般人们习惯用对数方法对所需分析的量值范围加以压缩。
声压级是某点的声压P与参考声压P0的比取常用对数再乘以20的值,单位为分贝(dB),即
LP=20lg
(6-1)
式中,P这有效声压,参考声压P0=2×10-5Pa=20μPa。
正常人耳从听阈到疼阈相应的声压级为0~120dB。
声压级是相对量,无量纲。
在声学中,用“级”来表示相对量,并都用分贝作单位。
在考虑这些量时,应指明它们所对应的参考量,并按对数法则进行运算。
2.声强和声强级
单位时间内通过垂直于传播方向单位面积上的平均声能称作声强,用I表示,其单位为瓦/米2(W/m2)。
声波在介质中的传播是能量的传播,介质并未移动,人耳对声音大小强弱的感觉主要与声强有关。
在没有流动的介质中,声强矢量
等于瞬时声压
和同一点上相应的质点速度
的时间平均乘积。
在给定方向
上,声强矢量的分量是
(6-2)
式中,T——周期的整数倍或长到不影响计算结果的时间;
——
方向上某点处的瞬时声压;
——
方向上同一点媒质质点的瞬时速度。
对自由场中的平面波或球面波,在传播方向上距的声源d处的声强I为
(6-3)
式中:
P—传播方向上距的声源d处的有效声压;
ρ—媒质的密度;
C—声速(m/s)。
式(6-3)为声压与声强间建立起了联系。
一般称ρoC为空气的特性阻抗,它与气压、温度有关,因此在声级测量中的温度气压修正值就是由此而来的。
相应于听阈声压的声强为10-12W/m2,此值常取作参考声强。
相应于疼阈声压的声强值为1W/m2。
人耳对声音的感觉并非完全按听阈声压和痛阈声压确定的范围线性变化,为了更好地符合人耳的听觉习惯,引入声强级的概念。
声强级是指该点的声强I与参考声强Io的比值取常用对数再乘以10的值,单位仍为分贝,即:
LI=10lg
(dB) (6-4)
式中,Io为参考声强,在空气中Io=10-12W/m2。
正常人耳从听阈到疼阈相应的声强级为0~120dB。
应当注意的是:
声强即有大小以有方向,它是一个矢量,而声压只有大小而无方向,是一个标量。
但对于声压级或是声强级它们都是相对量,分贝只是级的单位,而级是无量纲的。
若把式((6-3)代入式((6-4),则
(6-5)
式中,
在一定条件下为一常数。
式(6-5)论及在空气中同一点测得的声压级
与声强级
之间相差常数
。
在标准大气压下,温度为38.9℃时,空气的
Pa.s/m。
则K=1,此时
;在气温为15℃或26℃时,
Pa.s/m,则K=1.02,
=0.086dB,此值在一般测量中可略而不计。
所以在常温下空气中,可认为
,由此可见,在同一点处测出的声强级数值可近似地用声压级来表示。
3.声功率和声功率级
声功率是声源在单位时间内辐射出的总能量,用W表示,单位为瓦(W)。
它是用能量的大小来表征声音强弱的物理量。
声功率级也是声功率W与参考声功率W0的比值取常用对数再乘以10的值,单位仍为分贝,即
LW=10lg
(dB) (6-5)
式中,W为声功率;W0为参考声功率,在空气中取Wo=10-12(W)。
4.频带和噪声的频谱-声压谱级
前面的讲述是从声压和声能等方面描述噪声,现在再从声音频率的角度去描述噪声。
声音听起来有的尖锐,有的低沉,这是由于音调有高低不同,而音调的高低差异主要取决于声源声振动的频率。
对于20~20000Hz的可闻声,频率有1000倍的变动范围。
为了便于分析,将宽广的频率范围划分为若干较小的频段,每一个频段称之为一个频程或一个频带。
目前采用10段倍频程的表示方法,每段以其几何中心频率来命名。
每一个频程或频带均有上限和下限频率,中心频率我们也能方便的求出来。
在噪声控制中,仅用中间的8段就足够了。
若把一个频程再分为三份,即得到1/3倍频程。
各量的数学关系式为:
(6-6)
式中,
——节i频带下限频率;
——节i频带上限频率;
m——倍频程数,
常用
频带中心频率为:
频带宽度为:
常用的1倍频程和
倍频程的中心频率及频率范围见附表二所示。
以每段的中心频率为横坐标,声压级(或声强级、声功率级)为纵坐标绘制出的图形,称为频谱图,如果声音为噪声,则为噪声的频谱图,简称噪声的频谱。
图6-1为某吸尘器的噪声频谱,经分析得知,400Hz处的峰为电动机转子不平衡所产生;500~1000Hz的带宽峰为吸嘴所引起的气流噪声;2500Hz的峰为风叶引起的旋转噪声。
一般噪声,多为复杂非周期信号,从理论上讲,频谱应是连续的,但当我们要从实验中绘制出频谱图,想测出单一频率下的声压级或声功率级是不可能的。
人们为了尽可能实现这一目标,就定义了声压谱级(声谱密度级)的概念。
声音在某一频率处的声压谱级
,是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:
(6-7)
式中:
——相应于带宽
的频带声压级;
——通过带宽
的滤波器的有效声压(Pa);
——参考声压,
;
——滤波器带宽(Hz)
——参考带度,
Hz
在实际测试中,多采用1倍或1/3倍频程带通滤波器(每给定一个中心频率,测定此带宽B频带的声压级)测量其频带声压级。
采用不同倍频程,在同一点测量的声压谱级理应相同,但因各倍频程在某中心频率进行滤波时,由于频宽的不同等原理,使得某些信号不能在本频程内显示,从而造成了对连续的噪声,在同一点测量的差异。
常用的频带声压级之间有相互关系,即在同一中心频率处有:
(6-8)
(6-9)
式中,
——用1倍频程滤波器测得的频带声压级,即倍频带声压级;
——用1/2倍频程滤波器测得的频带声压级,即1/2倍频带声压级;
——用1/3倍频程滤波器测得的频带声压级,即1/3倍频带声压级。
三、噪声的主观评价
人类的听觉较声波的物理参数测量要复杂得多,它具有多种属性,其中包含区分声音高低和强弱两种属性。
人的听觉是以耳朵作为传感器,由脑神经作最后的评价。
耳朵是一种非线性器官,它把接到的声压与声波频率结合起来评价声音的大小。
听觉用音调区分声音的高低,它主要依赖于声音的频率,但也与声压、波形有关。
听觉用响度区分声音的强弱,它主要依赖于声压,但也与频率、波形有关。
故必须根据人对声音的主观感受程度来定义噪声的主观度量——响度和响度级。
(一)纯音(单一频率的声音)的主观评价
1.响度和响度级
响度是凭听觉判断声音强弱的量(即人们对声音强弱的直观判断),与正常人对声音的主观感觉成正比。
它不仅取决于声音的强弱,也与声音的频率、波形有关。
响度的单位为宋(Sone),符号为N。
规定频率为1000Hz,声压级比听阈声压级大40dB的声音的响度定义为1Sone,同时规定声音的声压级每升高10dB,响度增加一倍。
即声压级40dB为1Sone,50dB为2Sone,,60dB为4Sone,30dB为0.5Sone,20dB为0.25Sone……。
为了判断任一个声音的响度,最简单的办法就是将其与另一个标准声音进行比较。
国际标准化组织1936年决定采用1000Hz纯音作为标准参考纯音。
调节1000Hz纯音的声压级,使它与所研究的声音听起来一样响,则这个1000Hz纯音的声压级就是该声音的响度级,单位为方(Phon)。
例如一个声音听起来和声压级为80dB,频率为1000Hz的标准纯音一样响,则这个声音的响度级就是80Phon。
Phon与Sone的数学关系式为
(6-10)
式中N——响度(宋)
LN——响度级(方)
式(6-10)仅适用于纯音或窄带噪声,对于一般的宽带噪声,史蒂文斯(Stevens)提出了一种响度指数计算方法,后面将有讲解。
2.纯音等响曲线
两个声压级相同但频率不同的纯音作用于人耳时,人会感觉两者并不一样响。
若以频率为1000Hz的标准参考纯音,与其它频率的纯音通过比较试听,得出在整个人耳听觉范围内的一系列响度相等的声压级,将此声压级与频率的关系绘制成曲线,则该位于频率——声压级直角坐标系内的曲线就称为纯音等响曲线。
英国国家物理实验室鲁宾逊(Robinson)和达逊(Dadson)经过大量的实验,测得了纯音的等响曲线,如图6-2所示。
它表达了典型的听者认为响度相同的纯音的声压级与频率的关系。
图6-2中各等值曲线上的数值表示声音的响度级,也是与这个声音同样响的1000Hz纯音的声压级。
曲线中最下面一条是听阈线,上面120方的曲线是痛阈曲线。
由等响曲线可以看出:
(1)人耳对高频声音,特别是对3000~5000Hz的声音最为敏感,而对低频声音,特别是100Hz下的声音很不敏感。
如响度级同为50Phon,对1000Hz的频率声压级是50dB;对3000~4000Hz频率声压级是42dB;对100Hz的频率声压级是59dB;对40Hz的频率声压级则为75dB。
可见,同样响但频率不同的纯音具有不同的声压级,而把同样响的声音称为具有同等响度级.
(2)声压级越小,频率越低的声音,其声压级与响度级的数值差值越大。
如声压级为50dB时,30Hz的低频声音是听不见的(低于听阈曲线),因为它的响度级还不到0Phon。
而同一50dB的声压级,60Hz低音的响度级为25Phon,500Hz时为54Phon,1000Hz时则为50Phon.(3)当声压高于100dB时,等响曲线已经逐渐趋平,这说明,声音强到一定程度(高于100dB)时,人耳已经不易分辨出频率的高低。
此时,声音的响度级主要取决于声压级而频率关系不大。
等晌曲线是许多声学侧量仪器设计的依据.
(二)宽带噪声(含有多种频率成分的噪声)的主观评价
1.计权声压级
噪声测试时,由于不能直接测得响度级和响度,而常用可测得的声压级来表示噪声的强弱。
为了使声压级能类似描述人耳对噪声的实际感觉程度,从等响曲线出发,采用某种电气网络对不同频率的声音信号实行不同程度的衰减,使得测量仪器的读数能近似地表达人耳对声音的响应,这种网络称为频率计权网络,它可以用一种特殊的滤波电路来实现。
通过计权网络测得的声压级称为计权声压级或计权声级,简称声级。
通常在声学测量仪器中设置A,B,C三种计权网络,它使所接受的声音按不同程度滤波。
计权网络A是模拟人耳对40Phon纯音的响应,它使信号通过时,低、中频段(1000Hz以下)多有较大的衰减;计权网络B是模拟人耳对70Phon纯音的响应,它使信号时,低
频段有一定的衰减;计权网络C是模拟人耳对100Phon纯音的响应,在整个可听频率内有近乎平直的响应。
这三种计权网络分别用于较弱、中等和较强噪声测试中。
由于B,C两种网络表征耳的主观特性不明显,故近年来已逐渐不用于评定噪声级。
为了避免响度转换的烦琐,并且A频率计权网络对较强声音的测试结果基本上也符合人耳的感受情况,所以现在一般都采用A计权网络,称为A声级(LA),记作dBA或分贝(A)。
一般在不作其它说明时采用A声级来评价噪声。
只有在为了判断频率特性时,才附带测量B,C声级。
图6-3是几种计权网络的特性曲线。
由于计权曲线的频率特性是以1000Hz为参考计算衰减的,所以所有曲线均重合于1000Hz。
需要注意的是A声级仅用于稳态连续噪声的评价。
表6-1 A、B、C计权曲线频率特性
频率
Hz
计权特性(相对响应)
频率
Hz
计权特性(相对响应)
A曲线
B曲线
C曲线
A曲线
B曲线
C曲线
31.5
-39.4
-17.1
-3.0
800
-0.8
0
0
40
-34.6
-14.2
-2.0
1000
0
0
0
50
-30.2
-11.6
-1.3
1250
0.6
0
0
63
-26.2
-9.3
-0.8
1600
1.0
0
-0.1
80
-22.5
-7.4
-0.5
2000
1.2
-0.1
-0.2
100
-19.1
-5.6
-0.3
2500
1.3
-0.4
-0.5
125
-16.1
-4.2
-0.2
3150
1.2
-0.7
-0.8
160
-13.4
-3.2
-0.1
4000
1.0
-1.2
-1.3
200
-10.9
-2.0
0
5000
0.5
-1.9
-2.0
250
-8.6
-1.3
0
6300
-1.0
-2.9
-3.0
315
-6.6
-0.8
0
8000
-1.1
-4.3
-4.2
400
-4.8
-0.5
0
12500
-4.3
-6.1
-6.2
500
-3.2
-0.3
0
16000
-6.6
-8.4
-11.2
630
-1.9
-0.1
0
2.等效连续A声级
由于A声级仅用于稳态连续噪声的评价。
而对于有起伏或间歇或随时间变化的非稳态噪声,1971年ISO公布了“职业性噪声暴露和听力保护”的噪声标准R1999,在此标准中提出以“等效连续A声级”为非稳态噪声的评价标准。
所谓等效连续A声级就是在声场中的某一定点位置上,对一段时间内出现的几个不同的A声级采用能量平均的方法,以一个在相同时间内能量与之相等的稳定连续的A声级来表示该段时间内噪声的大小,这个A声级就是等效连续A声级。
也即考察噪声对人们的危害,除了要注意噪声的强度和频率以外,还要注意作用时间。
因为噪声的危害程度同这三者都有关。
事实上,这三者都是变化的。
等效连续A声级常用Leq表示,单位为dB(A)。
其数学表达式为
(6-11)
式中T——总的测量时间(s)
——A计权瞬时声压(
)
P0——基准声压。
P0=20
Pa
实际应用时,由于
,所以有
若对有限个A声级测量值,上式可简化为
(6-12)
式中
——分别为t1,t2时间内发生的A声级;
t1,t2——分别为
对应的时间段。
例如,若洗衣机开停时间相同,测得各段A声级(扣除背景噪声)如下,单位为分贝。
80,0,80,0,80,……共16个值。
计算等效连续A声级。
解:
由式(6-12)得
Leq也是计算日夜平均声级LDN和噪声污染级LNP的基础。
因为这个指标的主要用途是评价听力损失发病率,所以得到国际上的广泛承认。
3.噪声评价数(NR)
噪声评价数NR是ISO于1961年提出的,它同时考虑了噪声的强度和频率两个主要因素。
比单一的A声级作为评价指标更为严格。
这一指标主要评定噪声对听觉的损伤,语言干扰和对周围环境的影响。
NR=
(6-13)
式中
——1倍频程声压级;
a,b——与各倍频程中心频率有关的常数,见表6-2
表6-2 a,b常数值
1倍频程中心频率Hz
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
a
35.5
72
12
48
0
-3.5
-6.1
-8.0
b
0.790
0.870
0.930
0.974
1
1.015
1.025
1.030
将式(6-12)绘成曲线即为噪声评价曲线,如图6-4所示。
它是由一系列每隔5dB一条的曲线所组成,同一曲线上各倍频程的噪声级对人们的干扰程度相同。
每条曲线上,1000Hz声音的
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- 第六 电器产品 噪声 振动 检验
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