机械噪声故障监测发展现状及相关知识(应用案例)

 红芳      

声音是一种表达力很强的因素,我们可以透过声音来得到各种信息,或是开心或是难过等等;这并不仅限于人类自身,对于机器声音也是一样的,不同的声音代表着不同的状态,宣示着机器的工作状态。


噪声,作为机械运行时发出的一种固有信号,噪声中必然携带着机械本身的结构信息和运行的状态信息。从理论上讲,完全可以用噪声信号来对设备的运行状态以及故障进行在线监测和预报。但由于机械设备其工业运行环境的复杂性以及运行环境声源的相互干扰性,在实际的测量中,应用噪声进行监测的效果并不那么理想。


机械噪声故障监测发展现状


与振动信号一样,机械设备的噪声信号中蕴涵着丰富的设备状态信息,噪声信号同样能应用于机械设备的故障诊断。但在如高温、高腐蚀,或加速度传感器不能停机安装和安装部位结构受限等场合,由于无法接触测量而不能进行振动监测。但声信号的测量不受这种限制,上述场合均可采集设备的声学信号进行故障诊断,因而声学故障诊断技术的研究变得十分重要。


声学故障诊断技术的特点有:非接触式测量、设备简单、速度快、信号易于测取、易于发现早期故障、无须事先粘贴传感器、可对移动目标进行在线监测等,尤其在不易测量振动信号的场合得到广泛应用,声学故障诊断已成为近年来故障诊断领域新的发展方向。


早期故障诊断采用听诊法来判断设备状态,有经验的师傅可根据声音辨别出故障类型,目前声学技术中常用的统计能量法是听诊法的一种进化,它根据设备正常和故障时辐射声能量的变化进行故障诊断。而在实际应用中,该方法容易受环境影响,且技巧不易掌握,依赖操作人员经验。虽然振动和声音都蕴含着机械状态信息,但因声信号易受干扰,使得声学诊断技术的发展远远落后于振动诊断技术。


噪声理论知识


1.声强


声波平均能流密度的大小叫声强,通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流,称为声强或者平均声能量流密度。声强的单位为W/m²。


2.声压


设体积元受声扰动后压强由P0改变为P1,则由声扰动产生的逾量压强(简称为逾压),p=P1−P0就称为声压;或者说声音通过空气的振动所产生的压强叫做声压强,简称声压。声压的大小反映了声波的强弱,声压是一标量而不是矢量。它的相位按下列原则区分正负,当声压使总声压增加时,声压相位规定为正,反之为负。声压的单位为Pa(帕),有时也用bar(巴)作单位,1bar=100KPa。人的耳朵所能感受到的最小声压是20µPa,低于此声压人们就感觉不到声音。


3.可听阈声压


正常人耳对1KHz声音刚刚能觉察其存在的声压值(20µPa)被称为1KHz声音的可听阈声压。一般讲,人耳不能觉察到低于这一声压值的声音的存在。另外,当声压达到20Pa,即声压级为120dBSPL时,人们的耳朵会感觉到疼痛,因此,在声学或医学上把20Pa=120dBSPL定义为痛阈,长时间在此环境下工作,会对听觉系统造成伤害。


4.声压级

在图中,横坐标是频率,纵坐标是声压级。声压是大气压受到扰动后产生的变化,即大气压强的余压,它相当于在大气压强上叠加一个扰动引起的压强变化。由于声压的测量比较容易实现,通过声压的测量也可以间接求得质点速度等其它物理量,所以声学中常用这个物理量来描述声波。声压级以符号SPL表示,其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数,再乘以20。图中每条曲线所对应的不同频率的声压级是不相同的,但人耳感觉到的响度却是一样,每条曲线上注有一个数字,单位是响度方。由等响曲线族可以得知,当响度较小时,人耳对高低音感觉不灵敏,而响度较大时,高低音感觉逐渐灵敏,而对2000Hz~5000Hz之间的声音最为敏感。


在图中不同响度的曲线上,2000Hz~5000Hz频范围内的声压级,均处于整个曲线相对较低声压级的位置,说明人耳对中频的响应灵敏。在这个范围之外的低频和高频两边,等响度曲线翘起,说明人耳对低频和高频声音的灵敏度下降,对低于(16~20)Hz和高于(18000~20000)Hz的纯音,不论声级多高,绝大多数的人都感觉不到声音的存在,因此将20Hz~20000Hz定为音频。人耳能听到声音的最微弱强度,称为听觉阈(图中虚线),产生疼痛感的最高声音强度,称为痛觉阈。由听觉阈和痛觉阈所构成的两条等响度曲线,是等响度曲线的上下限。


响度主要决定于声强,提高声强响度级也相应增加。但是声音的响度并不是单纯由声强决定的,还取决于频率,不同频率的纯音有不同的响度增长率,其中低频纯音的响度增长率比中频纯音要快。例如,在响度60方的曲线上,从125Hz一直到16000Hz的各频率纯音的声压级,基本都在60dB上下;而低于125Hz的低频的声压级,将随着频率的降低迅速地增加;在20Hz频率时的声压级达到约96dB。再比如,从听觉的闻阈到痛阈,1000Hz纯音的声压级范围近似0~130dB,区间宽达130dB;而20Hz纯音的声压级已经压缩到大约70~150dB的范围,区间仅80dB。


5.等响曲线与计权网络


用响度级来表示人们对声音的主观感觉过于复杂,于是为了简单起见,在等响曲线中选了三条曲线,一条是40方的曲线,代表低声压级的响度感觉;一条是70方的曲线,代表中等强度的响度感觉;一条是100方的曲线,代表高声强时的响度感觉。按照这三条曲线的形状设计了A、B、C三条计权网络。A计权网络特性曲线对应于倒置的40方等响曲线,B计权网络曲线对应于倒置的70方等响曲线,C计权网络曲线对应于倒置的100方等响曲线。


6.声功率级


表征单位时间发射的声能量的大小,常用来表示声源的强弱,单位分贝噪声级为30~40分贝是比较安静的正常环境;超过50分贝就会影响睡眠和休息。由于休息不足,疲劳不能消除,正常生理功能会受到一定的影响;70分贝以上干扰谈话,造成心烦意乱,精神不集中,影响工作效率,甚至发生事故;长期工作或生活在90分贝以上的噪声环境,会严重影响听力和导致其他疾病的发生。


噪声故障监测应用案例


利用声音照相机帮助快速精准定位注塑机噪声源,并给出改善噪声建议。

注塑机噪声监测现场

电机振动噪声测试系统架构图

空气净化器的声功率测试现场


噪声故障诊断监测,采用噪声分析的诊断技术直接对系统振动产生的噪声数据进行分析,不需要额外的成本,需要投入的资金少。另外,还可以实时的监测系统运行过程发生的故障,只要故障产生我们就可以知道故障产生的原因,大大减少了传统的周期性故障诊断存在的安全隐患。

来源:物联网工业大数据微信公众号(ID:penghaisoft)

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