科學瞎想系列之一一一 NVH那些事(14)

• 2020 年 4 月 10 日
• 筆記

如前所述，NVH代表三個方面，即：雜訊(Noise)、振動(Vibration)、舒適性或平順性(Harshness)。振動是NVH的基礎和核心，振動產生雜訊，而舒適性是振動雜訊綜合作用的結果，從這個意義上講，V是N、H之母，其實NVH主要就是說振動和雜訊這兩件事，這兩件事解決了，舒適性(H)自然就解決了。前面講的重點都是振動(V)，說完振動接下來就說說雜訊(N)。 說到雜訊前面曾有一期瞎想之六十一《說說雜訊》，其中對有關雜訊的基本概念做了簡要介紹，可惜當時還沒有寫這個NVH系列文章的計劃，沒有歸入這個系列，大家不妨先看看那篇文章里的基礎知識，把那篇文章作為NVH雜訊部分的一篇吧，如果以後有機會重新編輯出版這些文章，我會把它重新編輯歸類。本期我們就接著前面那篇文章往下講，說說聲波及其傳播的特點。 1 聲波 物體振動會引起其周圍介質的振動，因此會將這種振動以波的形式傳播到遠方，我們稱這種波為聲波，最原始的那個振動物體稱為聲源或振動源。聲波是一種縱波，也叫疏密波。聲波通過空氣傳播到寶寶們的耳朵里，引起耳膜的振動，寶寶們就會感覺到聲音，但並不是所有引起耳膜的振動寶寶們都能感覺到，只有那些頻率在20～20000Hz的振動寶寶們能聽到，低於這個頻段的振動寶寶們是聽不到的，我們叫它次聲波；高於這個頻段的振動寶寶們同樣聽不到，我們叫它超聲波。 2 描述聲波的物理量 聲波可以用三個物理量來描述，即：聲速C、波長λ和頻率f。聲速表示聲波在介質中的傳播速度，即單位時間裡傳播的距離m/s；波長表示一個疏密周期的間距，也就是振動一次的時間周期內傳播的距離；頻率表示振動的快慢，即每秒鐘的振動次數。三者之間的關係是： C=λ•f ⑴ 這裡要特彆強調一下：聲速和質點的振動速度可是兩碼事，千萬不要混淆！聲波在介質中的傳播速度(聲速)C是介質的固有參數，取決於介質的密度ρ和彈性模量E(應力與應變之比)，與振動源無關。聲速： C=(E/ρ)^½ ⑵ 由⑵式可見，介質的密度越大，聲速越慢；介質的彈性模量越大，聲速越快。通常由於固體的彈性模量高於液體且遠高於氣體，因此通常固體中的聲速高於液體中的聲速，液體中的聲速高於氣體中的聲速。在20℃及標準大氣壓下，空氣中的聲速為344 m/s。水中的聲速約為1450m/s，鋼鐵中的聲速約為5000m/s。由於聲音在鋼鐵中的傳播速度遠高於空氣，所以寶寶們把耳朵貼在鐵軌上聽火車的聲音往往要比在空氣中聽要先知道火車的遠近。古代作戰時也經常採用人耳貼在地上聽敵軍的馬蹄聲來預警。 聲速是介質的固有特性，介質一定時，聲速就是一個常數，由⑴式可知，聲速一定時，頻率越高，波長就越短，1000Hz的聲波在空氣中的波長約為344毫米，人類能聽到的聲波波長範圍大概在17mm～17m之間。這一點希望寶寶們能記住，因為後面會講到，聲音的輻射、傳播等特性都與波長(或頻率)有著密切的關係。 3 聲波在傳播過程中的衰減 聲波在一個均勻介質傳播過程中是會衰減的，距離聲源越遠，聲強越小。當聲源尺寸遠小于波長時，可以把聲源看作點聲源，此時聲波在廣闊的空氣中以球面傳播，聲壓會隨著距聲源距離的增大而成反比地減小，聲強與距離平方成反比地減小。即：p∝1/r，I∝1/r²(r為觀察點到聲源的距離；p為聲壓；I為聲強)。這種規律稱為反平方衰減律。若已知距離聲源1米處的聲強級，則該聲強級減去10lg(1/r²)或減去20lg(1/r)之後即可求出距離聲源r處的聲強級，當距離加倍時，聲強級減小6dB。這個關係式並沒有考慮傳播過程中空氣對聲波的吸收，試驗表明，在傳播過程中，空氣會對聲波有吸收，而且對高頻的吸收比低頻大，因此，高頻聲波的衰減會比低頻聲波衰減的快，通常對於1000Hz以下的聲波，用這個公式計算還是比較準確的，超過1000Hz就不準確了。在電機雜訊測試時，一般取測量點距離電機1米(微電機取0.4米)處測量，這時衰減極微，可以略去。 4 聲波的繞射 聲波在傳播時如果遇到障礙物，是可以繞過障礙物的，這種現象稱為繞射。所謂「隔牆有耳」，主要就是因為繞射現象，使得雖然隔著一堵牆，但仍能聽到隔壁人的說話。聲波繞射有個特點，低頻聲波波長較長，容易繞射，頻率越高波長越短的聲波越不容易繞射。因此隔牆偷聽男人的聲音要比女人的聲音可能會更容易些。工作場所經常會用隔板來隔音，由於波長越長的聲波越容易繞射，因此要想起到良好的隔音效果，隔板的尺寸應該足夠大，一般隔板的尺寸至少要大于波長的2倍才能起到良好的隔音效果，此外還應注意隔板距離雜訊源以及聽眾距離隔板的距離都應不大於一倍的波長，這樣才能起到良好的隔音效果。 5 聲波的疊加 當兩個同頻率不同地點的聲源發出的聲波傳播到某點時，如果在該點的兩列聲波振幅相等、相位相反，那麼這兩個聲波在該點疊加合成的聲波振幅為0，當然也就聽不到聲音，據說國外有人正在研究這種以毒攻毒、以雜訊消除雜訊的辦法。 當然，上面的例子是一個極端情況，通常情況下，多個聲源的頻率不可能相同，在某點產生的聲波也很難做到幅值相同、相位相反，此時它們相互疊加應該按能量進行疊加，即： Lp=10•lg[(∑pi²)/p0²] ⑶ 或： LI=10•lg[(∑Ii)/I0] ⑷

式中：Lp、LI分別為多個聲源疊加後的總聲壓和總聲強級；pi、Ii分別為第i個聲源的聲壓和聲強；p0、I0分別為參考聲壓和參考聲強，即聽閾聲壓和聽閾聲強。以上兩式看起來簡單，其實計算起來還是比較複雜的。我們舉個例子：兩個頻率不同、聲壓級都是100dB的雜訊，疊加後聲壓級的計算如下： 兩個聲源產生的聲壓均為： p1²=p2²=p0²•10^(100dB/10) =p0²•10^10 兩個疊加後的總聲壓級為： Lp=10•lg[(p1²+p2²)/p0²] =10•lg(2•10^10) =10•lg2+100=103dB 也就是說，兩個頻率不同、聲壓級都是100dB聲源疊加後的聲壓級並不是200dB，而是在原來的一個聲壓級基礎上增加了3dB，即103dB，這是兩個聲壓級相同的情況。通常對於兩個不同頻率、聲壓級也不相同的聲源疊加，總是在那個較高的聲壓級基礎上增加一個增量，這個增量與兩個聲壓級的差別有關，差別越大，增量越小，也就是說，兩個聲壓級不同的聲源疊加後，總的結果主要取決於那個雜訊較大的聲源，那個雜訊較小的僅起次要作用，差別越大，小雜訊的聲源作用越小，差別超過15dB，那個小雜訊聲源產生的雜訊就可以忽略不計完全被大雜訊所淹沒，移出這個小雜訊的聲源對總雜訊影響不大，這個特點就告訴我們，在解決雜訊問題時應該抓住主要矛盾，想辦法在大雜訊聲源方面採取降噪措施可以事半功倍，在小雜訊源上做文章，其效果會事半功倍，意義不大。因此有時當電動機所帶的負載雜訊很大(如空壓機)，或發電機的原動機雜訊很大(如柴油機)時，電機的雜訊與它們相比小很多，此時可以忽略電機的雜訊。 為了方便寶寶們在實際工作中計算多個聲源的疊加，這裡把兩個聲源疊加後的補償增量與兩個聲源聲壓級之差的關係列表如下，也可以把表1做成曲線，如圖1所示，這樣寶寶們就不用再進行繁瑣的計算了，直接根據兩個雜訊的聲壓級之差查表或查圖1曲線，得到聲壓級的增量ΔL，再把這個增量直接加到大的聲壓級上即為兩個雜訊源疊加後的總聲級。對於兩個以上的聲源疊加，可以先按上述方法求出兩個聲源的疊加，再按上述方法逐一與其它聲源進行疊加即可。

6 聲波的吸收與反射 當聲波入射到兩種介質的分介面時，一部分能量會被吸收，另一部分會被反射回來，吸收的聲強與入射聲強之比稱為吸收係數，反射聲強與入射聲強之比稱為反射係數。聲波的吸收係數和反射係數與聲波的頻率、介質的阻尼特性以及聲強大小都有關係，一般堅硬固體對中頻聲波的吸收係數較小反射係數較大，最大吸收可達3%。如果是阻尼比較大的吸聲材料，可以基本把入射的聲能全部吸收很少反射，比如消聲室牆壁貼有阻尼很大的吸聲材料，牆壁可認為基本沒有反射，就可以作為自由場，對聲源進行精確的雜訊測試。在我們的辦公場所，由於牆壁、天花板、硬地面都會對聲波有良好的反射作用，為了降低辦公場所的噪音，可以在牆壁和天花板上塗上吸聲塗料，地板上鋪上地毯會有效降低噪音。如果僅牆壁天花板貼上吸聲材料，只有地板是堅硬的強反射面，我們稱這種場所為半自由場，一般地面堅硬的空曠廠房可以近似看作半自由場。如果密閉房間的所有牆壁都是堅硬的，那麼聲波會被牆壁多次反射，聲源發出的聲波與反射波相互疊加，會使聲強增大。即使聲源停止振動，聲音也不會立即消失，而仍然要持續一段時間，這就是傳說中的「餘音繞梁三日不絕於耳」，這有點誇張，餘音繞梁不大可能持續三天，因此這也只能是個傳說，但「餘音繞梁」的現象確實是存在的，我們稱這種現象為混響，這種場所稱為混響場。要想精確測試和研究電機雜訊，最好是在自由場內測試，但由於建造消聲室造價較高，一般的實驗場所不滿足自由場的條件。通常工程上是在工地或較空曠的廠房內進行測試，可以近似看作半自由場，電機的雜訊測試標準也是規定在半自由場內測試，給出的雜訊指標限值也是在這種半自由場下的限值，這種測試條件導致的測試結果雖不太精確，但只要背景雜訊與被測雜訊差別較大(差值超過6dB)，工程上還是可以接受的，特別是作為對比分析，這種測試結果還是很有實際價值的。