《声学波动与机械振动》课件

《声学波动与机械振动》欢迎来到《声学波动与机械振动》的世界！本课程将带您深入探索声波的奥秘和机械振动的规律，从理论基础到实际应用，让您全面掌握相关知识和技能准备好开启一段精彩的学习之旅了吗？让我们一起走进声学与振动的奇妙世界！课程简介课程目标课程内容本课程旨在使学生掌握声学波动和机械振动的基本理论、分析方本课程主要包括声学基础、机械振动概念、自由振动的基本特性、法和实验技术，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力通阻尼振动的基本特性、受迫振动的基本特性、共振现象及其产生过本课程的学习，学生能够理解声波的产生、传播、反射、折射、条件、减振措施与应用、振动测量技术、振动信号分析、机械设干涉、衍射、吸收和散射等现象，掌握自由振动、阻尼振动和受备振动分析与诊断、应用案例分享等内容我们将从声波的产生迫振动的基本特性，了解振动测量技术和振动信号分析方法，并开始，逐步深入到各种振动现象的分析和诊断，并通过实际案例能够运用所学知识进行机械设备振动分析与诊断的讲解，帮助学生更好地理解和掌握所学知识声学基础声波的定义声波的物理量12声波是机械波的一种，是由于物体振描述声波的物理量主要有频率、波长、动而产生的，在弹性介质中传播的扰振幅、声速、声压和声强等频率是动声波的传播需要介质，可以在气指声波振动的次数，波长是指声波传体、液体和固体中传播，但不能在真播一个周期所经过的距离，振幅是指空中传播声波的频率范围通常在声波振动的最大位移，声速是指声波20Hz到20kHz之间，超出这个范围在介质中传播的速度，声压是指声波的分别称为次声波和超声波在介质中产生的压强变化，声强是指声波单位时间内通过单位面积的能量声波的应用3声波在各个领域都有广泛的应用，例如在医学领域，超声波可以用于诊断和治疗疾病；在工业领域，超声波可以用于检测材料的缺陷；在通讯领域，声波可以用于水下通讯；在娱乐领域，声波可以用于音乐的播放和录制此外，声波还可以用于声呐、声学显微镜等设备的制造声波的产生振动源弹性介质扰动声波的产生需要振动源，声波的传播需要弹性介振动源在弹性介质中产振动源可以是固体、液质，介质可以是气体、生扰动，扰动以波的形体或气体例如，扬声液体或固体弹性介质式传播，形成声波扰器通过振动纸盆产生声能够传递振动能量，使动的强度和频率决定了波，人的声带通过振动声波得以传播不同介声波的能量和音调声产生声音，风通过振动质的弹性模量和密度不波的传播过程中，能量空气产生风声振动源同，导致声波在不同介会逐渐衰减，导致声波的特性直接影响声波的质中的传播速度也不同的振幅减小频率、振幅和波形声波的传播纵波与横波1声波在气体和液体中以纵波的形式传播，质点的振动方向与声波的传播方向一致在固体中，声波既可以以纵波的形式传播，也可以以横波的形式传播，横波的质点振动方向与声波的传播方向垂直声速2声速是指声波在介质中传播的速度，它与介质的弹性模量和密度有关一般来说，声速在固体中最高，在液体中次之，在气体中最低声速还与介质的温度有关，温度越高，声速越快声波的衰减3声波在传播过程中，由于介质的吸收和散射，能量会逐渐衰减，导致声波的振幅减小衰减的程度与声波的频率和介质的特性有关高频声波比低频声波更容易衰减，密度大的介质比密度小的介质更容易吸收声波声波的反射与折射反射当声波从一种介质传播到另一种介质的界面时，一部分声波会返回原来的介质，这种现象称为声波的反射反射的程度与两种介质的声阻抗有关，声阻抗差异越大，反射越强折射当声波从一种介质传播到另一种介质的界面时，一部分声波会进入另一种介质，并且传播方向发生改变，这种现象称为声波的折射折射的角度与两种介质的声速有关，声速差异越大，折射角度越大应用声波的反射和折射在各个领域都有广泛的应用，例如在声呐中，通过分析声波的反射信号，可以探测水下的目标；在医学领域，超声波的反射可以用于成像，诊断疾病；在建筑声学中，通过合理设计墙面和天花板的反射，可以改善室内音质声波的干涉与衍射衍射当声波遇到障碍物或孔洞时，会绕过障碍物或通过孔洞继续传播，这种现象称为声2波的衍射衍射的程度与声波的波长和障干涉碍物或孔洞的尺寸有关，波长越长，衍射当两列或多列声波在同一区域相遇时，越明显1会发生叠加，形成新的波形，这种现象称为声波的干涉干涉可以是相长干涉，应用也可以是相消干涉，取决于声波的相位声波的干涉和衍射在各个领域都有广泛的差应用，例如在声学测量中，利用干涉原理3可以精确测量声波的波长和速度；在声学设计中，利用衍射原理可以控制声波的传播方向，改善声场分布声波的吸收与散射吸收当声波在介质中传播时，一部分能量会被介质吸收，转化为热能或其他形式的能量，这1种现象称为声波的吸收吸收的程度与介质的特性和声波的频率有关散射2当声波遇到不均匀的介质或障碍物时，会向各个方向传播，这种现象称为声波的散射散射的程度与介质的不均匀性和声波的波长有关应用声波的吸收和散射在各个领域都有广泛的应用，例如在吸声材料3的设计中，利用吸收原理可以降低噪声；在声呐中，利用散射原理可以探测水下的目标机械振动的概念振动振动系统机械振动是指物体或系统在其平振动系统是指能够进行振动的物衡位置附近进行的往复运动振体或系统振动系统通常由质量、动可以是自由振动、阻尼振动或弹性元件和阻尼元件组成质量受迫振动，取决于是否存在外力决定了系统的惯性，弹性元件决作用和阻尼存在定了系统的刚度，阻尼元件决定了系统的能量损耗振动参数描述机械振动的参数主要有频率、振幅、相位、周期和阻尼比等频率是指振动系统每秒钟完成的振动次数，振幅是指振动系统偏离平衡位置的最大位移，相位是指振动系统在某一时刻的状态，周期是指振动系统完成一次振动所需的时间，阻尼比是指阻尼的大小与临界阻尼的比值自由振动的基本特性特性描述周期性自由振动具有周期性，振动系统会重复进行相同的运动固有频率自由振动具有固有频率，它是振动系统自身的特性，与外界激励无关能量守恒在理想情况下，自由振动的能量守恒，振幅保持不变阻尼实际的自由振动会受到阻尼的影响，能量逐渐损耗，振幅逐渐减小自由振动的微分方程推导解法意义自由振动的微分方程可以通过牛顿第二定自由振动的微分方程可以通过特征方程法自由振动的微分方程可以描述振动系统的律或能量守恒定律推导对于单自由度系或拉普拉斯变换法求解解的形式通常是运动规律，通过求解微分方程，可以得到统，自由振动的微分方程通常是一个二阶一个正弦或余弦函数，其频率等于系统的振动系统的频率、振幅和相位等参数，从常系数齐次微分方程固有频率，振幅和相位由初始条件决定而了解振动系统的特性一自由度系统的自由振动系统模型振动特性12一自由度系统是指可以用一个一自由度系统的自由振动具有广义坐标来描述其运动状态的周期性和固有频率的特性固系统例如，弹簧-质量系统、有频率由系统的质量和刚度决单摆等都可以看作是一自由度定，质量越大，刚度越小，固系统一自由度系统的自由振有频率越低自由振动的振幅动是最简单的振动形式，是研和相位由初始条件决定究复杂振动的基础应用3一自由度系统的自由振动在工程领域有广泛的应用，例如在桥梁设计中，需要考虑桥梁的固有频率，避免发生共振；在机械设计中，需要考虑机械零件的固有频率，避免发生疲劳破坏二自由度系统的自由振动系统模型振动模态应用二自由度系统是指可以二自由度系统的自由振二自由度系统的自由振用两个广义坐标来描述动具有两个固有频率和动在工程领域也有广泛其运动状态的系统例两个振动模态振动模的应用，例如在汽车悬如，双摆、两个弹簧连态是指系统在某一固有架设计中，需要考虑汽接的两个质量块等都可频率下振动的形状不车的两个固有频率，以以看作是二自由度系统同的振动模态对应不同提高汽车的行驶平顺性；二自由度系统的自由振的能量分布和振动特性在飞机结构设计中，需动比一自由度系统复杂，要考虑飞机结构的多个具有更多的振动形式固有频率，以避免发生共振阻尼振动的基本特性能量损耗阻尼振动是指振动系统在振动过程中受到阻尼力的作用，导致能量逐渐损耗，振幅逐渐减小的振动阻尼力可以是摩擦力、空气阻力或粘性阻力等衰减阻尼振动的振幅会随着时间的推移而逐渐减小，这种现象称为衰减衰减的速度与阻尼的大小有关，阻尼越大，衰减越快分类根据阻尼的大小，阻尼振动可以分为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种类型欠阻尼是指阻尼较小，系统会继续振动，但振幅逐渐减小；临界阻尼是指阻尼刚好使系统能够最快地回到平衡位置而不发生振动；过阻尼是指阻尼过大，系统无法发生振动，只能缓慢地回到平衡位置阻尼振动的微分方程解法阻尼振动的微分方程可以通过特征方程法或拉普拉斯变换法求解解的形式取决于2阻尼的大小，欠阻尼对应振荡衰减的解，推导临界阻尼和过阻尼对应非振荡衰减的解阻尼振动的微分方程可以通过牛顿第二1定律或能量守恒定律推导与自由振动意义不同的是，阻尼振动的微分方程中包含一个与速度成正比的阻尼项阻尼振动的微分方程可以描述振动系统在阻尼作用下的运动规律，通过求解微分方3程，可以得到振动系统的频率、振幅和衰减系数等参数，从而了解振动系统的特性单自由度阻尼振动系统欠阻尼1系统会继续振动，但振幅逐渐减小，衰减速度较慢这是工程中常见的阻尼类型临界阻尼2系统能够最快地回到平衡位置而不发生振动这是理想的阻尼类型，可以实现快速响应过阻尼3系统无法发生振动，只能缓慢地回到平衡位置这种阻尼类型不利于快速响应双自由度阻尼振动系统复杂性模态分析双自由度阻尼振动系统比单自由可以通过模态分析方法研究双自度阻尼振动系统更加复杂，具有由度阻尼振动系统的振动特性更多的振动形式和参数需要考模态分析可以得到系统的固有频虑两个质量块之间的相互作用和率、振动模态和阻尼比等参数阻尼作用应用双自由度阻尼振动系统在工程领域也有广泛的应用，例如在汽车悬架设计中，需要考虑两个车轮之间的相互作用和阻尼作用，以提高汽车的行驶平顺性和安全性受迫振动的基本特性特性描述外力作用受迫振动是指振动系统在外界激励力的作用下进行的振动外力可以是周期性的，也可以是非周期性的稳态振动在外界激励力作用下，系统经过一段时间后会进入稳态振动，其振动频率与外力频率相同共振当外力频率接近系统的固有频率时，会发生共振现象，振幅急剧增大阻尼阻尼会限制受迫振动的振幅，减小共振的影响受迫振动的微分方程推导解法意义受迫振动的微分方程可以通过牛顿第二定受迫振动的微分方程可以通过待定系数法受迫振动的微分方程可以描述振动系统在律或能量守恒定律推导与自由振动和阻或拉普拉斯变换法求解解的形式取决于外力作用下的运动规律，通过求解微分方尼振动不同的是，受迫振动的微分方程中外力的形式，周期性外力对应周期性稳态程，可以得到振动系统的频率、振幅和相包含一个外力项解，非周期性外力对应瞬态解位等参数，从而了解振动系统的特性和响应单自由度受迫振动系统稳态响应共振曲线12单自由度受迫振动系统的稳态共振曲线是指系统稳态响应的响应是指系统在外力作用下经振幅随外力频率变化的曲线过一段时间后达到的稳定振动共振曲线的峰值对应于共振频状态稳态响应的振幅和相位率，峰值的宽度与阻尼有关，与外力频率、系统固有频率和阻尼越大，峰值越宽阻尼有关应用3单自由度受迫振动系统在工程领域有广泛的应用，例如在机械设计中，需要避免机械零件的共振，以防止疲劳破坏；在建筑设计中，需要考虑地震对建筑物的影响，以提高建筑物的抗震性能双自由度受迫振动系统复杂性共振频率应用双自由度受迫振动系统双自由度受迫振动系统双自由度受迫振动系统比单自由度受迫振动系具有两个固有频率，当在工程领域也有广泛的统更加复杂，具有更多外力频率接近其中一个应用，例如在汽车悬架的振动形式和参数需固有频率时，会发生共设计中，需要考虑汽车要考虑两个质量块之间振现象需要避免双自的两个固有频率和外力的相互作用和外力作用由度系统的共振，以防作用，以提高汽车的行止结构破坏驶平顺性和安全性共振现象及其产生条件共振定义共振是指当外力频率接近系统的固有频率时，系统振幅急剧增大的现象共振是一种特殊的受迫振动，具有极大的危害性产生条件共振的产生需要满足两个条件一是外力频率接近系统的固有频率；二是系统阻尼较小阻尼越大，共振现象越不明显危害共振会导致系统振幅急剧增大，可能导致结构破坏或设备损坏例如，桥梁在地震作用下可能发生共振，导致桥梁倒塌；机械零件在高速运转时可能发生共振，导致零件疲劳破坏减振措施与应用改变固有频率改变固有频率可以使系统的固有频率远离2外力频率，避免发生共振常用的改变固增加阻尼有频率的措施有改变系统的质量或刚度等增加阻尼可以有效减小共振时的振幅，1降低共振的危害常用的阻尼措施有使隔离振动源用阻尼材料、增加摩擦阻尼等隔离振动源可以防止振动传递到其他结构或设备，减少振动的影响常用的隔离振3动源的措施有使用隔振器、减震垫等振动测量技术传感器振动测量需要使用传感器，将机械振动转化为电信号常用的振动传感器有加速度传感1器、速度传感器和位移传感器等信号采集2传感器输出的电信号需要进行采集和处理常用的信号采集设备有数据采集卡、示波器和频谱分析仪等信号分析3采集到的信号需要进行分析，以获取振动系统的频率、振幅和相位等信息常用的信号分析方法有时域分析和频域分析等振动测量仪器加速度传感器速度传感器加速度传感器可以测量物体的加速度传感器可以测量物体的速度，速度，适用于测量高频振动常适用于测量中频振动常用的速用的加速度传感器有压电式加速度传感器有电磁式速度传感器和度传感器、电容式加速度传感器激光多普勒测速仪等和MEMS加速度传感器等位移传感器位移传感器可以测量物体的位移，适用于测量低频振动常用的位移传感器有电涡流式位移传感器、电容式位移传感器和激光位移传感器等振动测量方法方法描述接触式测量接触式测量是指将传感器直接安装在被测物体上进行测量这种方法精度较高，但会影响被测物体的振动特性非接触式测量非接触式测量是指不将传感器直接安装在被测物体上进行测量这种方法不会影响被测物体的振动特性，但精度较低单点测量单点测量是指只测量被测物体上的一个点的振动这种方法简单方便，但无法反映被测物体的整体振动状态多点测量多点测量是指测量被测物体上的多个点的振动这种方法可以反映被测物体的整体振动状态，但比较复杂振动信号分析目的方法应用振动信号分析的目的是从振动信号中提取常用的振动信号分析方法有时域分析和频振动信号分析在机械设备故障诊断、结构有用的信息，例如振动频率、振幅、相位域分析时域分析是指直接分析振动信号健康监测和产品质量控制等领域有广泛的和能量等，从而了解振动系统的状态和性的时域波形，频域分析是指将振动信号转应用通过分析振动信号，可以及时发现能换为频域信号进行分析设备故障，避免事故发生，提高设备可靠性和安全性时域分析时域波形统计参数12时域分析是指直接分析振动信时域分析还可以计算振动信号号的时域波形通过观察时域的统计参数，例如均值、方差、波形，可以了解振动信号的周标准差、峰值和峭度等这些期性、幅值和形状等特征统计参数可以反映振动信号的强度和分布特征简单直观3时域分析方法简单直观，易于理解和实现，但对于复杂的振动信号，难以提取有用的信息频域分析频谱频率成分适用范围频域分析是指将振动信通过观察频谱，可以了频域分析方法适用于分号转换为频域信号进行解振动信号的频率成分析复杂的振动信号，可分析常用的频域分析和能量分布不同的频以提取时域分析难以提方法有傅里叶变换率成分对应于不同的振取的信息但频域分析（FFT）和功率谱分析动源或故障类型需要一定的数学基础和等频域信号可以反映信号处理知识振动信号的频率成分和能量分布谐波分析谐波谐波是指频率为基频整数倍的频率成分在机械设备中，由于非线性因素的存在，振动信号中往往包含大量的谐波成分分析谐波分析是指分析振动信号中的谐波成分通过分析谐波成分，可以了解机械设备的运行状态和故障类型例如，齿轮故障往往会导致振动信号中出现齿轮啮合频率的谐波成分应用谐波分析在机械设备故障诊断中具有重要的应用价值通过分析振动信号中的谐波成分，可以诊断齿轮故障、轴承故障、电机故障等功率谱分析分析功率谱分析是指分析振动信号的功率谱通过分析功率谱，可以了解振动信号的主2要频率成分和能量分布例如，轴承故障功率谱往往会导致振动信号中出现特定频率的峰功率谱是指振动信号的能量在各个频率1值上的分布功率谱可以反映振动信号的强度和频率成分，是频域分析的重要工应用具功率谱分析在机械设备故障诊断中具有重要的应用价值通过分析振动信号的功率3谱，可以诊断轴承故障、电机故障、风机故障等机械设备振动分析与诊断监测1定期监测机械设备的振动，可以了解设备的运行状态和性能变化趋势分析2分析振动信号的时域波形、频谱和功率谱，可以提取设备的特征信息，例如振动频率、振幅和相位等诊断3根据设备的特征信息，结合设备的结构和工作原理，可以诊断设备的故障类型和程度轴承振动分析与故障诊断轴承故障振动特性轴承是机械设备中常用的支撑元轴承故障会导致振动信号中出现件，容易发生故障，例如滚动体特定的频率成分，例如滚动体通磨损、内外圈损伤和保持架损坏过频率、内外圈通过频率和保持等轴承故障会导致设备振动增架通过频率等通过分析这些频大，噪声增加，甚至导致设备停率成分，可以诊断轴承的故障类机型和程度诊断常用的轴承振动故障诊断方法有频谱分析、包络分析和时频分析等这些方法可以有效地提取轴承故障的特征信息，实现轴承故障的早期诊断和预测齿轮振动分析与故障诊断方法描述齿轮啮合频率齿轮故障会导致振动信号中出现齿轮啮合频率的谐波成分通过分析这些谐波成分，可以诊断齿轮的故障类型和程度包络分析包络分析可以提取调制信号的包络，从而诊断齿轮的局部故障，例如断齿、裂纹和点蚀等时频分析时频分析可以同时分析振动信号的时域和频域特征，适用于诊断齿轮的非平稳故障风机振动分析与故障诊断风机故障振动特性诊断风机是常用的通风和排气设备，容易发生风机故障会导致振动信号中出现特定的频常用的风机振动故障诊断方法有频谱分析、故障，例如叶片不平衡、轴承损坏和电机率成分，例如叶片通过频率、轴承特征频倒频谱分析和轴心轨迹分析等这些方法故障等风机故障会导致设备振动增大，率和电机电磁力频率等通过分析这些频可以有效地提取风机故障的特征信息，实效率降低，甚至导致设备停机率成分，可以诊断风机的故障类型和程度现风机故障的早期诊断和预测电机振动分析与故障诊断电机故障振动特性12电机是常用的动力设备，容易电机故障会导致振动信号中出发生故障，例如转子不平衡、现特定的频率成分，例如转子轴承损坏和定子绕组短路等旋转频率、轴承特征频率和电电机故障会导致设备振动增大，磁力频率等通过分析这些频效率降低，甚至导致设备停机率成分，可以诊断电机的故障类型和程度诊断3常用的电机振动故障诊断方法有频谱分析、倒频谱分析和电流解调分析等这些方法可以有效地提取电机故障的特征信息，实现电机故障的早期诊断和预测应用案例分享案例一1某化工厂离心泵振动超标，通过振动分析发现是轴承外圈故障，更换轴承后振动恢复正常案例二2某电厂引风机叶片磨损严重，通过振动分析发现是叶片不平衡，更换叶片后振动恢复正常案例三3某钢铁厂轧机电机定子绕组短路，通过振动分析发现是电磁力频率增大，更换电机后振动恢复正常。