Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
СЕ-инфо_42 / ИП-2013 / Часть 4 - 2013.doc
Скачиваний:
96
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
681.47 Кб
Скачать

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.

П

Рис. 4. 1. Спектр случайного колебания.

ростейшей 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) среды1, 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 LP в децибелах (дБ):

, 4.1

где рсреднеквадратическое значение звукового давления;

р0среднеквадратическое значение опорного звукового дав­ления.

Международное значение опорного звукового давления принято равным 2∙10-5Па, 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∙10-5Па.

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

Уровень громкости - это уровень тона частотой 1 кГц, субъективно равного по громкости оцениваемому сигналу. Единица измерения - фон. Недостаток этой единицы - опора на синусоидальный сигнал - сигнал, который в естественных условиях не встречается и воспринимается с заметными погрешностями. Уровень громкости - это не громкость, это уровень сигнала с нивелированием частотной зависимости чувствительности слуха. Изменение уровня громкости, например с 40 до 80 фон не означает, что субъективная громкость изменяется вдвое.

Собственно субъективная громкость измеряется в сонах. 1 сон - громкость тона 1 кГц при уровне 40 дБ. Двукратное увеличение субъективного ощущения громкости происходит при увеличении уровня сигнала до 50 дБ.

Графически зависимость субъективной громкости от уровня громкости представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Связь между уровнем громкости и громкостью

Субъективное восприятие звука человеком зависит не только от уровня звукового давления, но и от частоты. На рисунке 4.3 представлены зависимости относительной чувствительности человеческого уха от частоты звука. Характеристика Асоответствует нормальным звукам, а характеристикиВиС– более громким звукам, а для звука, сопоставимого по громкости со звуком работающего реактивного двигателя, снижение чувствительности уха в области низких частот практически не наблюдается.

И

Рис. 4. 3. Характеристики А, В и С.

Рис. 4. 4. Кривые равной громкости.

менно учет этих особенностей человеческого восприятия приводит к тому, что оценка звуков характеризуется двумя параметрами - уровнем громкости (с единицей измеренияфон), и субьективной громкостью восприятия звука, которую оценивают в сонах.

Для нахождения уровня громкости чистых тонов различной частоты используется семейство кривых равной громкости, представленных на рисунке 4.4. Например, на рисунке показано, что уровень громкости чистого тона частотой 100 Гц, имеющий уровень звукового давления 29 дБ равен 10 фон, так как он воспринимается равным по громкости чистому тону 1000 Гц, имеющему уровень звукового давления 10 дБ.

Следует отметить, что уровень громкости не дает значения, прямо пропорционального громкости звука – удвоение громкости звука происходит при увеличении уровня звукового давления на 10 дБ. Поэтому между громкостью звука LNв сонах и уровнем громкостиNв фонах имеется зависимость вида

. 4.2

Соседние файлы в папке ИП-2013