谈谈振动和噪声

邓俊

振动与共振

振动（有时也称为震动）是日常生产和生活中的一种常见现象。从定义上来讲，振动就是物体围绕平衡位置进行的一种往复运动。评价振动的主要技术指标包括振动幅值（位移、速度或加速度）和频率。频率指物体在一秒钟内往复运动的次数，单位是赫兹（Hz）。

一个物体（或系统），只要受到不断变化的激振力的作用，就会产生振动，如出现机械故障的机器、在不平道路上行驶的汽车、飞行中遇到气流的飞机、高速机动的战斗机等，都会产生强烈振动。即使是正常运行中的机器、汽车和飞机，也会因发动机的作用产生较轻微的振动。

最简单的振动系统是单自由度系统，由弹性元件（k，反映系统的刚度特性）、惯性元件（m，反映系统的质量特性）和阻尼元件（c，反映系统的阻尼特性） 组成，其示意图见图1。当激振力f(t)施加到振动系统时， 就会引起系统产生振动响应x(t)。

图1 　单自由度振动系统示意图

除了一般的振动，还有一种比较特殊的振动现象， 称之为“共振”。“共振”的一个经典例子是：一队士兵在吊桥上齐步走，引起吊桥剧烈振动，继而断裂、垮塌，造成人员伤亡。这就是“共振”惹的祸。

所谓“共振”，就是激振力的“激励频率f”与物体自身的“固有频率f0”一致时引起物体强烈振动的物理现象。从机理上讲，一个物体的“固有频率”由其弹性元件k、惯性元件m和阻尼元件c决定。物体发生共振时，其内部的弹性力（k引起的力）恰好与惯性力（m引起的力）平衡，激振力只需要克服阻尼力（c引起的力）即可让物体产生强烈振动，而物体内部的阻尼力往往是很小的，完全无法与激振力抗衡。因此， 当一个物体发生共振时，振动一般都是很强烈的，故避免发生共振是减小振动的一个基本原则。

声音

声音的产生

相比振动，声音就更常见了，可以说无处不在。

声音是怎样产生的？人们很容易发现声音与振动总是同时出现的，其原因就在于声音都是由物体振动产生的。当你听到了某种声音，一定是某个物体发生了振动。声音正是这种振动通过某种介质（如空气、水） 以波的形式传播的结果。

音叉是一种“Y”形的钢制或铝制发声器，因其质量和尺寸的不同在振动时能够发出不同频率的纯音， 可以很好地展现振动产生声音的过程，其示意图见图2。

图２ 　音叉振动发声示意图

声压与声压级

声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳，引起耳内鼓膜振动，刺激听觉神经，产生声音的感觉。声压越大，耳膜受到的压力越大，感觉到的声音就越强烈。

因为声波作用引起声场中某点介质（如大气或水） 的压缩或膨胀，所以声压有正有负，单位是帕（Pa）。声压分为瞬时声压和均方根声压两种。均方根声压指瞬时声压在某一时间周期内的均方根值，一般情况下都使用均方根声压来评价一段声音的强弱。

人耳刚能听到的声压定义为听阈声压（也称基准声压），其值为p0=2×10-5（Pa）。

使人耳感觉疼痛的声压定义为痛阈声压，其值为p=20（Pa）。

基准声压与痛阈声压两者之间相差100万倍，一般声音介于两者之间。

由于常用的声音大小相差悬殊，为了度量与记录的方便，一般采用级的概念，即用声压的倍比关系的对数来表示，称之为声压级，单位为分贝（dB）。对于均方根声压为p的声音，其相应的声压级为Lp=20lg（p/p0）。常见的声压级范围如图3所示。

图３ 　声压级的相对范围

人耳能够感受到的声音的频率范围是20～20000Hz，低于20Hz的声音叫作次声，高于20000Hz的声音叫作超声，示意图见图4。频率越低， 声音越低沉；频率越高，声音越尖锐。对于低于20Hz和高于20000Hz的声音，人耳是听不见的。

图４ 　人耳听力范围示意围

乐音和噪音

从物理学的角度讲，有规律且具有固定音高的声音称之为乐音，把乐音有序的组织起来就得到音乐； 杂乱无章的声音则称之为噪音（或噪声）。

噪声不仅刺耳和令人烦恼，严重时还会损坏人的听觉器官和内脏，而且会导致物体因声疲劳丧失功能、造成破坏，因此是需要尽力回避的。悦耳、美妙的音乐则令人心情舒畅，因此是要努力追求的。音乐和噪音对人的影响见图5。

图５　音乐和嗓音

那么音乐是如何产生的呢？音乐当然是由乐器产生的。按照基本物理原理分类，乐器大致可以分为弦乐、管乐和打击乐三类。弦乐器包括钢琴、提琴、胡琴、吉他、琵琶等，依靠琴弦振动发声；管乐器包括小号、长笛等， 依靠乐管中的空气柱振动发声；打击乐器包括鼓、木琴、编钟等，依靠捶打、敲击物体使其振动发声。

“大弦嘈嘈如急雨，小弦切切如私语。嘈嘈切切错杂弹，大珠小珠落玉盘。”这是唐朝诗人白居易感叹于琵琶女弹奏琵琶的高超技艺时写下的诗句。琵琶女娴熟地拨动琴弦，琴弦振动，发出了美妙的乐音，让诗人留下了《琵琶行》这首千古名作。白居易笔下的琵琶女无疑是操控琴弦的高人，一双巧手即可完美控制琴弦的振动产生美妙的音乐。

振动和噪声的危害

表征振动和噪声的主要参数有量值、频率等。振动和噪声往往是有害的，就飞机而言，振动和噪声超过规定的量值会引起诸多不良后果：

使机上人员感到不适，容易产生疲劳，工作能力降低，严重时甚至会使驾驶员产生“错觉”和错误的操作动作。

会影响仪器设备的正常工作，造成仪器设备的失灵，发生故障，并降低其使用寿命。

对结构强度产生不良影响：低频大振幅振动会引起结构的局部动应力过大，有可能造成结构的一次性破坏；高频振动和强噪声，会影响结构的使用寿命， 特别是当结构萌生疲劳裂纹后，通常会加速裂纹的扩展，从而造成结构的疲劳破坏。

既然在大多数情况下，振动和噪声都是有害无益的，因此减振降噪、为人们提供更舒适的生活和工作条件，就成为科学家和工程师一直在努力做的工作。

振动和噪声的控制设计

对汽车、坦克、轮船、飞机、导弹这些搭载了大量精密仪器的装备来说，减振降噪最好的办法不是在出现振动和噪声问题后再设法排故，而是在装备的设计阶段就要把振动和噪声控制指标要求纳入设计目标。

以固定翼飞机为例，在设计阶段就需要提出振动和噪声的总体设计与控制要求，包括空勤人员工效性和乘员舒适性要求、机载设备振动和噪声设计要求、飞机结构振动和噪声设计要求等。飞机设计和试验的相关标准对这些要求都有具体的规定。

怎么做才能满足这些要求呢？这对飞机设计师是一个重大考验，原则上应考虑下列问题：

在给定频率和响应控制设计的要求下，对结构构型和布局进行优化设计。

在确定结构布局和构型之后，对有关结构设计参数进行优化设计。

在基本结构设计确定之后，如有必要还应该进行质量、刚度和阻尼的设计优化或采取其它类型的振动控制措施。

振动和噪声的测量

要减小或消除振动和噪声的危害，就需要了解和掌握表征振动和噪声的主要参数的具体数据。了解和掌握这些具体数据最可靠的方法就是实际测量。

在大多数情况下，工程师会采用振动加速度传感器来感应和拾取物体的振动信号，会根据测试需求来选择最合适的振动加速度传感器，通过信号调理器将传感器拾取到的振动信号输入到信号采集记录器中， 并从时域、频域和概率域等方面，用计算机和专用软件对振动信号进行处理和分析，得到振动信号的量级、频率成分和统计特性等信息。

噪声测量与振动测量的方法和过程非常相似，除了主要采用声压传感器（又称为传声器或麦克风）来感应和拾取噪声信号之外，其它测量仪器和分析软件基本相同，可以共用。

目前，振动和噪声的测量技术已经比较成熟和完整了，传感器种类众多，除了一些极端恶劣（如超高温、强辐射等）和封闭环境之外，一般都可以得到具有较高信噪比的测量信号，从而满足绝大多数情况下的测量和分析需求。

振动和噪声环境的模拟

对一个在振动和噪声环境中工作的装备，需要考察其承受振动和噪声的能力。当然，可以在装备的实际运行状态中来考察其工作状态，进而评价其耐振动和耐噪声的能力。但这种做法的效率太低、成本太高， 已经基本被淘汰了。

目前采用的主要办法是：根据在实际工作环境中测量得到的振动和噪声数据，合理制定振动和噪声的试验条件，用人为模拟创造出来的振动和噪声环境来考察装备承受振动和噪声的能力。具体来说，就是用振动试验系统来模拟振动环境，用声学混响室或行波管来模拟噪声环境。

振动试验系统

（1） 振动试验原理

音乐家用一双妙手来操控乐器的振动，产生动听的音乐，而工程师又怎样控制振动呢？

振动试验系统就是工程师的乐器和双手。一套完整的振动试验系统主要由振动台、功率放大器、振动控制仪、振动加速度传感器和信号调理器组成。工程师利用掌握的知识和技术，通过准确、灵活的操控这些试验设备，来达到精确控制振动的目的。

做振动试验时，把需要考察的仪器（即试验样品） 通过专用试验夹具固定在振动台上，将振动试验条件设置于振动控制仪中，由振动控制仪输出电压信号给功率放大器并驱动振动台台面产生振动。安装在振动台台面或试验夹具上的加速度传感器将测量到的振动信号反馈给振动控制仪，形成完整的闭环控制系统。振动试验原理示意图见图6。

图６　振动试验原理示意图

（2）振动试验技术现状

振动试验系统的主要技术指标包括最大推力、最大加速度、最大速度、最大位移、频率范围、承载能力等。

近几十年以来，振动试验技术经历了从小量级（最大推力仅几吨）、小位移（最大位移不超过50mm）、定频、单台振动，到大量级（最大推力近百吨）、大位移（最大位移超过100mm）、扫频、宽带和窄带随机振动，再到多台、多轴振动和多参数综合试验；试验对象从单个产品，到组件和部件，再到整机和整器， 技术水平和能力已经发生了根本性的变化，基本能够满足越来越多样化的振动试验需求。

图７　三轴振动台

图7是一款三轴振动台，可以根据要求在X、Y、Z三个方向上同时产生振动，使得振动的模拟更准确、试验效率更高。

高声强声学混响室

混响室这个名词在声学领域和电磁学领域都有应用，本文指的是声学混响室。

声学混响室是这样一个空间：能在所有边界上全部反射声能，并在其中充分扩散，形成各处能量密度均匀、在各个传播方向作无规分布的扩散场。

声学混响室的主要功能是：测定材料的吸声系数、声源的声功率和频谱、电声器件的效率；考核材料、结构或仪器设备的声疲劳特性，即开展声疲劳试验。

用于考核材料、结构或仪器设备声疲劳特性的混响室是高声强声学混响室，其主体结构需要用钢筋混u凝土来构建，其试验系统组成示意图见图8，主要技术指标包括容积、最大总声压级、频率范围等。

图８　高声强声学混响室试验系统组成示意图

目前，小型高声强混响室容积仅为数立方米，最大总声压级能够达到165dB，适用于零部件和小型设备的声疲劳试验；而大型高声强混响室容积可以达到数千立方米，最大总声压级能够达到150dB，可以承担部分飞行器整器的声疲劳试验。高声强声学混响室内部图见图9。

图９　高声强声学混响室内部图

有时需要用行波管来开展零部件的声疲劳试验， 其特点是可以得到更大的总声压级。因篇幅有限，本文就不作详细介绍了。

结语

在日常工作和生活中，振动和声音（含噪音和乐音） 无处不在、有利有弊。了解其基本特点，有助于扬长避短、趋利避害，更好地开展工作和享受生活。