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科学瞎想系列之一一一 NVH那些事(14)

如前所述,NVH代表三个方面,即:噪声(Noise)、振动(Vibration)、舒适性或平顺性(Harshness)。振动是NVH的基础和核心,振动产生噪声,而舒适性是振动噪声综合作用的结果,从这个意义上讲,V是N、H之母,其实NVH主要就是说振动和噪声这两件事,这两件事解决了,舒适性(H)自然就解决了。前面讲的重点都是振动(V),说完振动接下来就说说噪声(N)。 说到噪声前面曾有一期瞎想之六十一《说说噪声》,其中对有关噪声的基本概念做了简要介绍,可惜当时还没有写这个NVH系列文章的计划,没有归入这个系列,大家不妨先看看那篇文章里的基础知识,把那篇文章作为NVH噪声部分的一篇吧,如果以后有机会重新编辑出版这些文章,我会把它重新编辑归类。本期我们就接着前面那篇文章往下讲,说说声波及其传播的特点。 1 声波 物体振动会引起其周围介质的振动,因此会将这种振动以波的形式传播到远方,我们称这种波为声波,最原始的那个振动物体称为声源或振动源。声波是一种纵波,也叫疏密波。声波通过空气传播到宝宝们的耳朵里,引起耳膜的振动,宝宝们就会感觉到声音,但并不是所有引起耳膜的振动宝宝们都能感觉到,只有那些频率在20~20000Hz的振动宝宝们能听到,低于这个频段的振动宝宝们是听不到的,我们叫它次声波;高于这个频段的振动宝宝们同样听不到,我们叫它超声波。 2 描述声波的物理量 声波可以用三个物理量来描述,即:声速C、波长λ和频率f。声速表示声波在介质中的传播速度,即单位时间里传播的距离m/s;波长表示一个疏密周期的间距,也就是振动一次的时间周期内传播的距离;频率表示振动的快慢,即每秒钟的振动次数。三者之间的关系是: C=λ•f ⑴ 这里要特别强调一下:声速和质点的振动速度可是两码事,千万不要混淆!声波在介质中的传播速度(声速)C是介质的固有参数,取决于介质的密度ρ和弹性模量E(应力与应变之比),与振动源无关。声速: C=(E/ρ)^½ ⑵ 由⑵式可见,介质的密度越大,声速越慢;介质的弹性模量越大,声速越快。通常由于固体的弹性模量高于液体且远高于气体,因此通常固体中的声速高于液体中的声速,液体中的声速高于气体中的声速。在20℃及标准大气压下,空气中的声速为344 m/s。水中的声速约为1450m/s,钢铁中的声速约为5000m/s。由于声音在钢铁中的传播速度远高于空气,所以宝宝们把耳朵贴在铁轨上听火车的声音往往要比在空气中听要先知道火车的远近。古代作战时也经常采用人耳贴在地上听敌军的马蹄声来预警。 声速是介质的固有特性,介质一定时,声速就是一个常数,由⑴式可知,声速一定时,频率越高,波长就越短,1000Hz的声波在空气中的波长约为344毫米,人类能听到的声波波长范围大概在17mm~17m之间。这一点希望宝宝们能记住,因为后面会讲到,声音的辐射、传播等特性都与波长(或频率)有着密切的关系。 3 声波在传播过程中的衰减 声波在一个均匀介质传播过程中是会衰减的,距离声源越远,声强越小。当声源尺寸远小于波长时,可以把声源看作点声源,此时声波在广阔的空气中以球面传播,声压会随着距声源距离的增大而成反比地减小,声强与距离平方成反比地减小。即:p∝1/r,I∝1/r²(r为观察点到声源的距离;p为声压;I为声强)。这种规律称为反平方衰减律。若已知距离声源1米处的声强级,则该声强级减去10lg(1/r²)或减去20lg(1/r)之后即可求出距离声源r处的声强级,当距离加倍时,声强级减小6dB。这个关系式并没有考虑传播过程中空气对声波的吸收,试验表明,在传播过程中,空气会对声波有吸收,而且对高频的吸收比低频大,因此,高频声波的衰减会比低频声波衰减的快,通常对于1000Hz以下的声波,用这个公式计算还是比较准确的,超过1000Hz就不准确了。在电机噪声测试时,一般取测量点距离电机1米(微电机取0.4米)处测量,这时衰减极微,可以略去。 4 声波的绕射 声波在传播时如果遇到障碍物,是可以绕过障碍物的,这种现象称为绕射。所谓“隔墙有耳”,主要就是因为绕射现象,使得虽然隔着一堵墙,但仍能听到隔壁人的说话。声波绕射有个特点,低频声波波长较长,容易绕射,频率越高波长越短的声波越不容易绕射。因此隔墙偷听男人的声音要比女人的声音可能会更容易些。工作场所经常会用隔板来隔音,由于波长越长的声波越容易绕射,因此要想起到良好的隔音效果,隔板的尺寸应该足够大,一般隔板的尺寸至少要大于波长的2倍才能起到良好的隔音效果,此外还应注意隔板距离噪声源以及听众距离隔板的距离都应不大于一倍的波长,这样才能起到良好的隔音效果。 5 声波的叠加 当两个同频率不同地点的声源发出的声波传播到某点时,如果在该点的两列声波振幅相等、相位相反,那么这两个声波在该点叠加合成的声波振幅为0,当然也就听不到声音,据说国外有人正在研究这种以毒攻毒、以噪声消除噪声的办法。 当然,上面的例子是一个极端情况,通常情况下,多个声源的频率不可能相同,在某点产生的声波也很难做到幅值相同、相位相反,此时它们相互叠加应该按能量进行叠加,即: Lp=10•lg[(∑pi²)/p0²] ⑶ 或: LI=10•lg[(∑Ii)/I0] ⑷

式中:Lp、LI分别为多个声源叠加后的总声压和总声强级;pi、Ii分别为第i个声源的声压和声强;p0、I0分别为参考声压和参考声强,即听阈声压和听阈声强。以上两式看起来简单,其实计算起来还是比较复杂的。我们举个例子:两个频率不同、声压级都是100dB的噪声,叠加后声压级的计算如下: 两个声源产生的声压均为: p1²=p2²=p0²•10^(100dB/10) =p0²•10^10 两个叠加后的总声压级为: Lp=10•lg[(p1²+p2²)/p0²] =10•lg(2•10^10) =10•lg2+100=103dB 也就是说,两个频率不同、声压级都是100dB声源叠加后的声压级并不是200dB,而是在原来的一个声压级基础上增加了3dB,即103dB,这是两个声压级相同的情况。通常对于两个不同频率、声压级也不相同的声源叠加,总是在那个较高的声压级基础上增加一个增量,这个增量与两个声压级的差别有关,差别越大,增量越小,也就是说,两个声压级不同的声源叠加后,总的结果主要取决于那个噪声较大的声源,那个噪声较小的仅起次要作用,差别越大,小噪声的声源作用越小,差别超过15dB,那个小噪声声源产生的噪声就可以忽略不计完全被大噪声所淹没,移出这个小噪声的声源对总噪声影响不大,这个特点就告诉我们,在解决噪声问题时应该抓住主要矛盾,想办法在大噪声声源方面采取降噪措施可以事半功倍,在小噪声源上做文章,其效果会事半功倍,意义不大。因此有时当电动机所带的负载噪声很大(如空压机),或发电机的原动机噪声很大(如柴油机)时,电机的噪声与它们相比小很多,此时可以忽略电机的噪声。 为了方便宝宝们在实际工作中计算多个声源的叠加,这里把两个声源叠加后的补偿增量与两个声源声压级之差的关系列表如下,也可以把表1做成曲线,如图1所示,这样宝宝们就不用再进行繁琐的计算了,直接根据两个噪声的声压级之差查表或查图1曲线,得到声压级的增量ΔL,再把这个增量直接加到大的声压级上即为两个噪声源叠加后的总声级。对于两个以上的声源叠加,可以先按上述方法求出两个声源的叠加,再按上述方法逐一与其它声源进行叠加即可。

6 声波的吸收与反射 当声波入射到两种介质的分界面时,一部分能量会被吸收,另一部分会被反射回来,吸收的声强与入射声强之比称为吸收系数,反射声强与入射声强之比称为反射系数。声波的吸收系数和反射系数与声波的频率、介质的阻尼特性以及声强大小都有关系,一般坚硬固体对中频声波的吸收系数较小反射系数较大,最大吸收可达3%。如果是阻尼比较大的吸声材料,可以基本把入射的声能全部吸收很少反射,比如消声室墙壁贴有阻尼很大的吸声材料,墙壁可认为基本没有反射,就可以作为自由场,对声源进行精确的噪声测试。在我们的办公场所,由于墙壁、天花板、硬地面都会对声波有良好的反射作用,为了降低办公场所的噪音,可以在墙壁和天花板上涂上吸声涂料,地板上铺上地毯会有效降低噪音。如果仅墙壁天花板贴上吸声材料,只有地板是坚硬的强反射面,我们称这种场所为半自由场,一般地面坚硬的空旷厂房可以近似看作半自由场。如果密闭房间的所有墙壁都是坚硬的,那么声波会被墙壁多次反射,声源发出的声波与反射波相互叠加,会使声强增大。即使声源停止振动,声音也不会立即消失,而仍然要持续一段时间,这就是传说中的“余音绕梁三日不绝于耳”,这有点夸张,余音绕梁不大可能持续三天,因此这也只能是个传说,但“余音绕梁”的现象确实是存在的,我们称这种现象为混响,这种场所称为混响场。要想精确测试和研究电机噪声,最好是在自由场内测试,但由于建造消声室造价较高,一般的实验场所不满足自由场的条件。通常工程上是在工地或较空旷的厂房内进行测试,可以近似看作半自由场,电机的噪声测试标准也是规定在半自由场内测试,给出的噪声指标限值也是在这种半自由场下的限值,这种测试条件导致的测试结果虽不太精确,但只要背景噪声与被测噪声差别较大(差值超过6dB),工程上还是可以接受的,特别是作为对比分析,这种测试结果还是很有实际价值的。

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下 标准答案 李保来

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原始发表时间:2020-04-02

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