振动测量 (vibration measurement)

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^-12 m。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

L_V=20lg(V/v₀)                                   (1)

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^-9 m。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V

VAl=20lg(a/a₀)                                 (2)

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^-5 m／s²(也有用a₀=10^-6 m／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J。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，若人体和支撑物问没有缓冲垫，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。

测量环境振动和振源强度时，应在同一位置测量本底振动，振源的实际振动值按下表修正。

振动测量仪器   测定振动的物理量的仪器。振动测量系统主要由测振传感器、前置放大器和变换仪器(如声级计或振动计、滤波器、声级记录器、磁带记录器、实时分析仪等)三部分组成。此外，对加速度计的安装提出要求。

测振传感器(拾振器)   把被测对象的振动讯号在要求的范围内正确地接受并传输出去或显示出来的装置，所得的信号可以是光、机械或电信号，其强弱和所检测的振动量成比例。

根据测试参考坐标，测振传感器可以为两大类：绝对振动测振仪和相对振动测振仪。绝对振动测振仪是以大地不动坐标体系为参考，测量物体的振动参量时，将仪器与传递振动的基座直接固定在振动体的测点上。相对振动测振仪则是以选定的不动点为参考，测量物体的相对振动量，仪器的两个相对运动部分，必须分别固定在两相对部位上。相对式测振仪分为接触式和非接触式两种。多数相对式测振仪属于接触式；非接触测量是一个发展方向。接触式相对测振传感器种类较多，百分表式位移计是比较简单的一种。用于接触测量的常用换能器有电感、电阻和电动式(磁电式)多种。

主要的测振传感器有5种：(1)加速度计，是输出和振动加速度成比例的传感器。最常用的是由压电片、簧片和重块组成的压电加速度计(图1)，它的底座固定于振动体上。在比这个系统的共振频率低得多的范围内，压电片的变形与所受作用力和底座的加速度成正比，因而压电片的输出电压和所检测的加速度也成正比。测量时，为避免影响被测试件的振动状态，保证测量的准确性，所选用的加速度计的重量，至少要低于测试件重量的1／10。(2)速度拾振器。输出信号和速度输入成比例的换能器。常用的有电动式与涡流式两种。(3)位移拾振器。输出信号和位移输入成比例的换能器。常用的有静电式或电容式的。(4)力换能器。测量机器的激发力和传递的力，根据压电原理求得传递率。(5)积分器。通过积分网络将加速度计的输出信号换成相应的速度或位移的装置，常与声级计等联合使用。

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α，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。