噪声监测与诊断技术

机器运行过程中所产生的振动和噪声是反映机器工作状态的诊断信息的重要来源。振动和噪声是机器运行过程中的一种属性，即使最精密最好的机械设备也不可避免地要产生振动和噪声。振动和噪声的增加，一定是由故障引起的，任何机器都以其自身可能的方式产生振动和噪声。因此，只要抓住所研究的机器零部件的生振发声的机理和特征，就可对机器的状态进行诊断。

在机械设备状态监测与故障诊断技术中，噪声监测也是较常用的方法之一。本节将简单介绍噪声测量中的基本概念及方法。

一、声学基础

（一）机械振动与声

机械振动在媒质中的传播过程称为机械波。声波是一种机械波，产生声波的振动系统称为声源。一定频率范围的声波作用于人耳，引起鼓膜振动，刺激听神经产生声音的感觉。

声波的特征通常用频率、周期、波长和声速等物理参量表示。

传播声波的媒质可以是气体、液体和固体，所以噪声也就有所谓空气噪声、流体噪声和固体（又叫结构）噪声。通常所讲的噪声是指传入人耳的空气噪声，只有频率在20～20000Hz之间的机械波才能引起人们的听觉。频率低于20Hz的称为次声波，其波长很长，不易被一般物体所反射和折射，在媒质中不易被吸收，传播距离非常远，所以次声波不仅可以用来探测气象、分析地震和军事侦察，还可用于机械设备的状态监测，特别是在远场测量情况下。频率高于20000Hz的称为超声波，由于它传播时定向性好，穿透性强，以及在不同媒质中波速、衰减和吸收特性的差异，故在机械设备的故障诊断中也很有用。 声场，声线（波线），波阵面，球面波，平面波。

（二）声压、声速与声场中的能量

声压、声强、声功率是常用的度量噪声的物理量。 1．声压

P(x) = Po + p 这个交变波动的附加压力p称为声压。声波在大气中传播，使大气压力产生微弱的变化，这个变化量就是声压。通常大气静压力为10Pa，而声压p=0.00002～20Pa。

2．声速 一定频率的声波在媒质中传播时，单位时间所传过的距离称为声速。声速c、波长λ、频率f和周期T有以下关系

c=λf=λ/T 声速主要与媒质有关，但受温度的影响。

3．声场中的能量 声波的传播过程实质上就是声振动能的传播过程。 （1）声能量密度 （2）声功率 （3）声强 （三）声级

声强级LI的数学表达式为

LI=10log（I/Iref） （dB） 式中 LI—声强级（SIL），它和人耳主观上感觉到的响度是一致的 I—待测声强；

Iref—通常以此作为测定声强的基准，取Iref= Imin=10W/m。 由于测量声压比测量声波的其它参数较为方便，故通常用声压级（SPL）。其数学表达式为

Lp =20log（pe/pref） （dB） 式中 pe—待测声压有效值； pref—基准声压。 声功率级Lw的数学表达式为

Lw =10log（W/Wref） （dB） 式中 W—待测声功率；

Wref—基准声功率，取Wref= 10 （四）频程与频谱

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?12

25

W。

1

频程的划分用其上限频率fu和下限频率fl的比值来确定，即 fl / fu=2 其中，当n=l，则称为1倍频程；

当n=1／3，则称为1／3倍频程。

在噪声测量与控制中常用倍频程和l／3倍频程。

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二、噪声测量

声音的主要特征量为声压、声强、频率、质点振速和声功率等，其中声压和声强是两个主要参数，因此，也是测量的主要对象。

噪声测量系统必须要有传声器、放大器和记录器，以及分析装置等。传声器的作用是将声压信号转换为电压信号，噪声测量中常用电容传声器或压电陶瓷传声器。由于传声器的输出阻抗很高，所以需加前置放大器进行阻抗变换。在两放大器之间通常还插入带通滤波器和计权网络，前者能够截取某频带信号，对噪声进行频谱分析；后者则可以获得不同的计权声级。输出放大器的输出信号必须经检波电路和显示装置，以读出总声级，A、B、C、D计权声级或各频带声级。

（一）噪声测量用的传声器

传声器是一种把声能转换成电能的器件，可直接测量声压。传声器包括两部分，一是将声能转换成机械能的声接受器。声接受器具有力学振动系统，如振膜。传声器置于声场中，声膜在声的作用下产生受迫振动。二是将机械能转换成电能的机电转换器。传声器依靠这两部分，可以把声压的输入信号转换成电能输出。电信号能否真实反映声信号，是衡量传声器优劣的指标。

传声器的主要技术指标包括灵敏度（灵敏度级）、频率特性、噪声级及其指向特性等。 （二）声级计

声级计是现场噪声测量中最基本的噪声测量仪器，可直接测量出声压级。一般由传声器、输

入放大器、计权网络、带通滤波器、输出放大器、检波器和显示装置所组成。

（三）声强测量

声强测量具有许多优点，用它可判断噪声源的位置，求噪声发射功率，可以不需要声室、混响室等特殊声学环境进行声源功率、材料的吸收系数和透射系数等一系列声学测量。

（四）声功率的测量

由声功率的定义可知，当声源被测量表面包围时，声源声功率等于包围声源的面积乘以通过此表面的声强通量。因此，可以用测量声强的方法计算声源声功率。

四、噪声源与故障源识别

噪声监测的一项重要内容就是通过噪声测量和分析来确定机器设备故障的部位和程度。首先必须寻找和估计噪声源，进而研究其频率组成和各分量的变化情况，从中提取机器运行状况的信息。

噪声识别的方法很多，从复杂程度、精度高低以及费用大小等方面均有很大差别，这里介绍几种现场实用的识别方法。 （一）主观评价和估计法 （二）近场测量法 （三）表面振速测量法

（四）频谱分析法 （五）声强法

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温度监测技术

温度是工业生产中的重要工艺参数，为保证生产工艺在规定的温度条件下完成，需要对温度进行监测和调节；另一方面，温度也是表征设备运行状态的一个重要指标，设备出现机械、电气故障的一个明显特征就是温度的升高，同时温度的异常变化又是引发设备故障的一个重要因素。有统计资料表明，温度检测约占工业检测总数的50%。因此，温度与设备的运行状态密切相关，温度监测也因此而在设备故障诊断的整个技术体系中占有重要的地位。

一、温度测量基础

（一）温度与温标

t＝ T - 273.15（℃）

（二）温度测量方式

温度测量方式可分为接触式与非接触式两类。

当把温度计和被测物的表面很好地接触后，经过足够长的时间达到热平衡，则二者的温度必然相等，温度计显示的温度即为被测物表面的温度，这种方式称为接触式测温。

非接触测温利用物体的热辐射能随温度变化的原理来测定物体的温度。由于感温元件不与被测物体接触，因而不会改变被测物体的温度分布。且辐射热与光速一样快，故热惯性很小。

必要条件 接触式与非接触式测温的比较 接触式测 非接触式测温 检测元件与测量对象有良好的热接触； 检测元件应能正确接收到测量对象发出测量对象与检测元件接触时，要使前者的辐射； 的温度保持不变。 应明确知道测量对象的有效发射率或重现性。 测量热容量小的物体、运动的物体等的不会改变被测物体的温度分布； 温度有困难； 可测量热容量小的物体、运动的物体等的受环境的限制； 温度； 可测量物体任何部位的温度； 一般是测量表面温度。 便于多点、集中测量和自动控制。 容易测量1000℃以下的温度 适合于高温测量 较慢 快 特点 温度范围 响应速度 （三）温度监测仪表、仪器概述

二、接触式温度测量

（一）热膨胀式温度计

测温方式 接触测温 测温仪表、仪器分类表 分类名称 液体式 膨胀式温度计 固体式 液体式 压力表式温度计 气体式 蒸气式 电阻温度计 热电偶温度计 光电高温计 光学高温计 红外测温仪 红外热像仪 红外热电视 作用原理 液体或固体受热膨胀 封闭在固定容积中的液体、气体或某种液体的饱和蒸气受热体积膨胀或压力变化 导体或半导体受热电阻值变化 物体的热电性质 物体的热辐射 非接触测温 （二）电阻式温度计

电阻式温度计的感温元件是用电阻值随温度变化而改变的金属导体或半导体材料制成。当温度变化时，感温元件的电阻随温度而变化，通过测量回路的转换，在显示器上显示出温

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度值。电阻式测温是接触式测温的一种主要方式，广泛地应用于各工业领域以及科学研究部门。

用于电阻式温度计的感温元件有金属丝电阻及热敏电阻。

1．金属丝电阻温度计 一般金属导体受热后电阻率增加。在一定的温度范围内，电阻与温度的关系为

Rt= Ro[l＋?(t-to)]= Ro(1+??t)

式中，Rt为温度为t时的电阻；Ro为温度为to时的电阻；?为电阻温度系数，随材料不同而异。

2．半导体热敏电阻温度计 半导体热敏电阻通常是用铁、锰、镍、铝、钛、镁、铜等一些金属氧化物做原料制成，也常用它们的碳酸盐、硝酸盐和氯化物等做原料制成。它的阻值随温度升高而降低，具有负的温度系数。

与金属丝电阻相比，半导体热敏电阻具有电阻温度系数大、灵敏度高、电阻率大、结构简单、体积小、热惯性小、响应速度快等优点。它的主要缺点是电阻温度特性分散性很大，互换性差，非线性严重，且电阻温度关系不稳定，故测温误差较大。 （三）热电偶温度计

热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线所组成，广泛地用于300~1300℃温度范围内的测温。

热电偶可把温度直接转换成电量，因此对于温度的测量、调节、控制，以及对温度信号的放大、变换都很方便。它结构简单，便于安装，测量范围广，准确度高，热惯性小，性能稳定，便于远距离传送信号。因此，它是目前使用最普遍的接触式温度测量仪表。

1．热电偶测温的基本原理 由两种不同的导体（或半导体）A、B组成的闭合回路中，如果使两个接点处于不同的温度，回路就会出现电动势，称为热电势，这一现象即是热电效应，组成的器件为热电偶。若使热电偶的一个接点温度to保持不变，即产生的热电势只和另一个接点的温度有关，因此，测量热电势的大小，就可知道该接点的温度值了。 A +

t to B — 图2-22 热电极

2．标准化热电偶 3．非标准化热电偶

4．热电偶的结构

三、非接触式测温

接触式测温由于沿着测温元件（如热电偶）有热量导出而破坏被测物的温度场，从而造成误差；测量时还需要有一个同温过程。随着生产和科学技术的发展，对温度监测提出了越来越高的要求，接触式测温方法已远不能满足许多场合的测温要求。

近年来非接触式测温获得迅速发展，除了敏感元件技术的发展外，还由于它不会破坏被测物的温度场，适用范围也大大拓宽，许多接触式测温无法测量的场合和物体，采用非接触式测温，得到很好解决。如温度很高的目标、距离很远的目标、有腐蚀性的物质、高纯度的物质、导热性差的物质、目标微小的物体、小热容量的物体、运动中的物体和温度动态过程及带电的物体等等。

（一）非接触式测温的基本原理

在太阳光谱中，位于红光光谱之外的区域里存在着一种看不见的、具有强烈热效应的幅射波，称为红外线。一般可见光的波长为0.4～0.7μm，红外线的波长范围相当宽，达0.75～1000μm。通常它又分为四类：近红外，波长0.75～3μm；中红外，波长3～6μm；远红外，波长6～15μm；超远红外，波长15～1000μm。

红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。它在真空中的传播速度为3x10 m/s。红外辐射在介质中传播时，会产生衰减，这主要是由介质的吸收和散射作用而造成的。

自然界中的任何物体，只要它本身的温度高于绝对零度，就会产生热辐射。物体温度不

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