2. 振动与NVH基础物理量
在结构振动与NVH测试中，所有测量最终都归结为几类基础物理量：位移、速度、加速度、力和声压。它们不是彼此孤立的指标，而是同一振动现象在不同“观察维度”下的表达。理解它们的定义、相互关系以及量纲特征，是正确选择传感器、设置量程和判读数据的前提。
一、五个基础量的定义与物理意义
位移描述结构上某一点相对平衡位置的位置变化，单位为米（m），工程中常用微米（μm）或毫米（mm）。位移直接反映结构变形幅度，在低频段（通常低于10 Hz）信噪比好，是评估大型结构整体摆动、基础沉降、悬架行程的首选量。
速度是位移对时间的一阶导数，单位为米每秒（m/s），工程中常用毫米每秒（mm/s）。速度与振动能量直接相关，在旋转机械状态监测中被广泛用作振动烈度指标，ISO 10816等标准即以速度有效值划分设备健康等级。速度在10 Hz～1 kHz的中频段表现最佳。
加速度是速度对时间的一阶导数、位移的二阶导数，单位为米每二次方秒（m/s²），工程中常用g（1 g = 9.80665 m/s²）。加速度对高频振动敏感，是NVH测试中使用最广泛的量，覆盖几Hz到数十kHz的宽频带。
力描述振动激励或传递路径上的动态载荷，单位为牛顿（N）。力锤激励、激振器输出、隔振器传递力都用力来度量，是模态试验和传递路径分析（TPA）的核心输入量。
声压是声波引起的大气压强波动，单位为帕斯卡（Pa）。人耳可听阈约为20 μPa，痛阈约为20 Pa，动态范围达10⁶，因此声压几乎总是以分贝（dB）表示。
二、位移、速度、加速度的微分关系
三者通过时间微分相互联系。对单频简谐振动，设位移为 x(t) = X·sin(ωt)，则速度 v(t) = ωX·cos(ωt)，加速度 a(t) = −ω²X·sin(ωt)。可见速度幅值是位移幅值的ω倍，加速度幅值是位移幅值的ω²倍，ω = 2πf。
这一关系带来重要的工程含义：同一振动，频率越高，加速度信号越突出，位移信号越微弱。例如频率从10 Hz升到1000 Hz，ω²增大10000倍。因此低频测位移、中频测速度、高频测加速度，是传感器选型的基本逻辑。反过来，若已知加速度频谱，可通过积分得到速度和位移，但积分会放大低频噪声，需配合高通滤波和趋势项消除。
三、峰值、有效值、峰峰值
同一振动信号可用不同统计量描述，含义和用途截然不同。
- 峰值（Peak）：信号在一个周期或一段时间内的最大绝对值，反映瞬时最大冲击或应力，用于疲劳和强度校核。
- 峰峰值（Peak-to-Peak）：最大值与最小值之差，等于2倍峰值（对称信号），常用于位移测量和间隙评估。
- 有效值（RMS）：信号平方的时间平均再开方，反映能量等效的直流值。对正弦信号，RMS = Peak / √2 ≈ 0.707 × Peak。
工程中必须明确标注使用哪种量。例如ISO 10816振动烈度用速度RMS，而冲击测试常用加速度峰值。若把峰值误当RMS，会高估约41%；反之则低估约29%。
四、dB参考值与声压级
分贝是比值对数单位，必须指定参考值才有意义。声压级定义为：
SPL = 20 · log₁₀(p / p₀) dB
其中 p₀ = 20 μPa（空气中参考声压）振动加速度级常用参考值 a₀ = 1 μm/s²，速度级参考 v₀ = 1 nm/s，位移级参考 d₀ = 1 pm。同一物理量用不同参考值，dB数值完全不同，报告中必须写明。例如94 dB SPL对应1 Pa，而0 dB SPL对应20 μPa。
五、传感器选型与量程匹配原则
选型不是“越灵敏越好”，而是让被测信号落在传感器和采集链的合理动态范围内。核心原则如下：
- 频率匹配：传感器可用频带应覆盖关注频率，且留有余量。压电加速度计低频受限于电荷放大器，高频受限于安装共振。
- 量程匹配：预估最大峰值，选择满量程为其1.5～2倍的传感器，避免削波，同时不浪费分辨率。
- 灵敏度与噪声：低电平信号选高灵敏度传感器，但高灵敏度往往量程低，需权衡。
- 质量加载效应：传感器质量应小于被测结构有效质量的1/10，否则会改变结构动态特性。
- 环境适应性：高温、潮湿、强电磁环境需选择对应防护等级和隔离型传感器。
六、量程匹配检查清单
| 检查项 | 判断依据 | 示例 |
|---|---|---|
| 频率范围 | 传感器频带覆盖关注频率 | 关注5 kHz，选0.5 Hz～10 kHz传感器 |
| 峰值量程 | 满量程 ≥ 1.5×预估峰值 | 预估20 g，选±50 g |
| 采集卡档位 | 灵敏度×量程 ≤ 采集卡输入 | 100 mV/g×50 g=5 V，选±5 V档 |
| 质量加载 | 传感器质量 < 结构有效质量/10 | 结构200 g，传感器<20 g |
| 参考值标注 | dB数据注明参考量 | SPL参考20 μPa |
掌握这些基础量的定义、换算关系和选型逻辑，才能在Dewesoft等测试系统中正确配置通道、设置量程，并在后处理中准确判读位移、速度、加速度、力和声压数据，为后续模态分析、传递路径分析和NVH优化打下可靠基础。