2. 振动噪声基础与信号链认知

在Dewesoft振动噪声测试中，传感器输出的电信号要经过调理、采集、量化，最终变成可分析的时域波形与频谱。理解这条链路上每个环节的物理含义，是正确选型、正确配置、正确判读结果的前提。本节围绕三个基础问题展开：振动位移、速度、加速度之间如何换算；声压与声强有什么区别；传感器与采集链路应如何搭建。

一、位移、速度、加速度的关系

振动本质是物体随时间往复运动。对同一振动，位移 x(t) 描述“偏离平衡位置多远”，速度 v(t) 描述“运动多快”，加速度 a(t) 描述“速度变化多快”。三者是同一物理量的不同阶次表达，在时域上互为微积分关系：

v(t) = dx(t)/dt
a(t) = dv(t)/dt = d²x(t)/dt²

x(t) = ∫v(t)dt
v(t) = ∫a(t)dt

对单一频率的正弦振动，设位移为 x(t) = X·sin(2πft)，则速度与加速度的幅值分别为：

V = 2πf·X
A = (2πf)²·X = 2πf·V

这说明三者幅值之比由频率决定。以频率 f = 100 Hz、位移幅值 X = 10 μm 为例：速度幅值 V = 2π×100×10×10⁻⁶ ≈ 6.28×10⁻³ m/s = 6.28 mm/s；加速度幅值 A = 2π×100×6.28×10⁻³ ≈ 3.95 m/s²，约 0.40 g。若频率升到 1000 Hz、位移仍为 10 μm，加速度将放大到约 39.5 m/s²（约 4.0 g），而速度放大到 62.8 mm/s。可见高频段加速度信号更突出，低频段位移信号更突出。

工程上因此形成选型习惯：低频大位移（如桥梁、地基、大型回转机械的轴振）优先用位移或速度传感器；中高频、宽频带、冲击类振动（如轴承、齿轮、电机壳体）优先用加速度传感器。Dewesoft的加速度通道常配合积分功能，把加速度信号积分成速度或位移，但积分会引入低频漂移，需设置合适的高通截止频率（例如0.5～2 Hz）抑制漂移。

二、声压与声强基础

声压 p 是声波传播时介质中某点的压强相对静压的波动量，单位 Pa。人耳可听范围约 20 μPa～20 Pa，动态范围极大，因此常用声压级表示：

SPL = 20·log₁₀(p / p₀)   (dB)
p₀ = 20 μPa

例如测得有效声压 p = 0.2 Pa，则 SPL = 20·log₁₀(0.2 / 2×10⁻⁵) = 20·log₁₀(10000) = 80 dB。声压是标量，单只传声器即可测量，但受背景噪声与反射影响较大。

声强 I 是单位面积上通过的声功率，单位 W/m²，是矢量，具有方向性。在自由场平面波中，声强与声压的关系为 I = p²/(ρc)，其中 ρc 为空气特性阻抗，常温常压下约 415 Pa·s/m。声强级为：

SIL = 10·log₁₀(I / I₀)   (dB)
I₀ = 10⁻¹² W/m²

声强测量通常使用声强探头（两只配对传声器），通过两点的声压差与平均声压计算质点速度，再求声强。它的优势在于能在背景噪声较高的现场定位声源，因为声强对稳定背景噪声不敏感。Dewesoft的声强分析模块支持p-p探头，可输出声强矢量图与声功率。若只需评价某点噪声大小，用声压级即可；若要识别声源位置或计算声功率，应使用声强。

三、传感器选型原则

选型应围绕“测什么、频带多宽、量级多大、环境如何”四个问题。加速度传感器主要看灵敏度、量程、频率范围与安装方式。灵敏度高则分辨率好但量程小；量程大则抗冲击强但本底噪声相对高。例如测电机壳体振动，频率范围约10 Hz～5 kHz，量级约1～20 g，可选灵敏度100 mV/g、量程±50 g的IEPE加速度计；测轴承早期故障，需关注高频到10 kHz以上，应选频率上限足够且本底噪声低的型号。

传声器选型看频率范围、动态范围、极化方式与声场类型。自由场传声器适用于消声室或远离反射面的测量；压力场传声器适用于贴近表面或耦合腔测量；随机入射传声器适用于混响环境。若现场风噪大，应加防风罩。声强探头还需关注两只传声器的相位匹配，相位失配会直接造成低频声强误差。

四、Dewesoft信号调理与采集链路搭建要点

典型链路为：传感器 → 电缆/适调器 → 采集前端（如SIRIUS系列） → 软件通道设置 → 记录与分析。搭建时重点检查以下环节。

• 供电与耦合：IEPE加速度计需2～4 mA恒流供电，Dewesoft通道应设为IEPE模式；若用电荷型传感器，需外接电荷放大器并设为电压输入。
• 量程与增益：根据预估最大信号设置量程，避免削顶；同时保证小信号有足够分辨率。可先用较大量程试采，再按实际幅值调整。
• 采样率：按最高分析频率的2.56倍以上设置。若关注5 kHz，采样率至少12.8 kS/s，通常取25.6 kS/s更稳妥。
• 抗混叠滤波：Dewesoft前端内置抗混叠滤波器，截止频率随采样率自动匹配，一般无需手动关闭。
• 接地与屏蔽：传感器外壳绝缘安装可减少地环路；电缆屏蔽层单端接地，避免多点接地引入噪声。
• 通道命名与单位：在软件中为每个通道填写测点、方向、灵敏度与工程单位，便于后续报告与追溯。

把上述关系落到一次实际测量中：假设要诊断一台转速1500 r/min（25 Hz）的电机轴承故障，先估算壳体振动主频在25 Hz及其谐波，同时轴承故障特征频率可能到3～5 kHz。此时选灵敏度100 mV/g、频响0.5 Hz～10 kHz的IEPE加速度计，采样率设为25.6 kS/s，通道量程先设±10 g试采。若时域波形峰值约2 g，可改设±5 g提高分辨率；若发现低频段有漂移，在软件中开启0.5 Hz高通后再积分到速度。声压测量则用自由场传声器，距电机1 m、高度与轴心齐平，先校准再记录，读取A计权声压级并与背景噪声比较，确认信噪比大于10 dB后再做频谱分析。这样从物理量换算、传感器选型到采集链路设置形成完整闭环，后续的故障特征提取才有可靠的数据基础。