2. 振动噪声物理基础与信号描述

NVH 测试的本质，是把机械或声学系统的“运动”转换成可记录、可分析的电信号。要读懂一条振动曲线或一张噪声频谱，必须先建立一套统一的物理量语言：声学侧的声压、声强、声功率，振动侧的位移、速度、加速度，以及贯穿两者的频率、幅值、相位。本节围绕这些量展开，并给出时域与频域两套描述框架。

一、声学三量：声压、声强、声功率

声压 p 是声波传播时介质中某点的压强相对静压的起伏量，单位 Pa。人耳可闻的声压范围极大：听阈约 2×10⁻⁵ Pa，痛阈约 20 Pa，跨越六个数量级，因此工程上普遍使用级（dB）表示：

声压级 Lp = 20·lg(p / p₀)   p₀ = 2×10⁻⁵ Pa
声强级 LI = 10·lg(I / I₀)   I₀ = 1×10⁻¹² W/m²
声功率级 Lw = 10·lg(W / W₀)  W₀ = 1×10⁻¹² W

注意声压级与声强级系数不同（20 与 10），根源在于声强与声压平方成正比。在自由场平面波条件下，声强 I = p²/(ρc)，ρc 为介质特性阻抗，常温空气约 415 N·s/m³，此时 Lp ≈ LI。

声强 I 是单位面积上通过的声功率，是矢量，有方向；声功率 W 是声源在单位时间内辐射的总声能，是标量，只与声源本身有关，与测点位置无关。这一区别决定了它们的用途：声压级随测点变化，适合评价“人耳听到多响”；声功率级是声源的固有属性，适合做产品噪声标称与对比。工程中常用声强法在近场扫描包络面，通过 I = p·u（u 为质点速度）逐点积分得到声功率，从而在背景噪声较高的车间里也能测出设备声功率。

二、振动三量：位移、速度、加速度

振动描述的是结构上某点随时间的位置变化。设位移为 x(t)，则速度 v = dx/dt，加速度 a = dv/dt。对单一频率 f 的正弦振动，三者幅值关系为：

X 为位移幅值（m）
V = 2πf·X      （m/s）
A = (2πf)²·X   （m/s²）

可见同一振动，用不同量描述时数值差异随频率急剧变化。例如 f = 100 Hz、X = 1 μm 时，V ≈ 6.28×10⁻⁴ m/s，A ≈ 0.395 m/s²（约 0.04 g）。因此选择哪个量，取决于关注频段：

• 位移：低频段（< 20 Hz）敏感，适合评价结构变形、间隙、相对运动，如悬置位移、管道振幅。
• 速度：中频段（10 Hz～1 kHz）与结构疲劳、辐射噪声相关性好，是振动烈度评价的常用量。
• 加速度：高频段敏感，传感器体积小、频响宽，是 NVH 测试中使用最多的量，常用 g（1 g = 9.81 m/s²）表示。

加速度还常用 dB 表示：La = 20·lg(a / a₀)，参考值 a₀ = 1×10⁻⁶ m/s²。这样可与声压级在同一数量级上比较，便于判断“振动是否足以产生可听噪声”。

三、频率、幅值、相位：信号的三个坐标

任何稳态信号都可用频率、幅值、相位三个参数刻画。频率决定“音调”与共振位置，幅值决定“强弱”，相位决定多个信号之间的时间先后关系。相位在 NVH 中极为关键：两个同频振动若相位差 180°，叠加后可能相互抵消；若同相，则幅值相加。主动降噪、动平衡、模态分析都依赖相位信息。

相位参照必须事先约定。常用约定是：以余弦为基准，x(t) = X·cos(2πft + φ)，φ 为初相；两通道之间相位差 Δφ = φ₂ − φ₁，正值表示通道 2 超前通道 1。切换参照系（如从余弦改为正弦）时，所有相位需整体平移 90°，全文与图示必须保持一致。

四、时域与频域：两套描述框架

时域描述给出信号随时间的变化，直观反映冲击、瞬态、周期特征；频域描述给出各频率成分的幅值与相位分布，便于识别共振、谐波与边带。两者通过傅里叶变换相互转换：

X(f) = ∫ x(t)·e^(−j2πft) dt
x(t) = ∫ X(f)·e^(j2πft) df

实际测试用 FFT 实现。设采样率 fs = 5120 Hz，采样点数 N = 1024，则频率分辨率 Δf = fs/N = 5 Hz，分析上限为 fs/2 = 2560 Hz（奈奎斯特频率）。若信号中含有高于 2560 Hz 的成分而未加抗混叠滤波，会折叠到低频，形成虚假峰值——这是频谱分析最常见的陷阱之一。

下图给出从物理激励到声学/振动量、再到时域与频域描述的完整信号链，并标出各环节的关键参数与常见判读依据。

五、实际判读中的几个要点

第一，量纲与参考值必须写清。同一组数据标为“85 dB”，若未注明是声压级还是加速度级，结论可能完全错误。第二，频率分辨率与采样时长互为倒数：要分辨间隔 2 Hz 的两条谱线，采样时长至少 0.5 s。第三，相位测量要求通道间同步，多通道采集必须共用同一时钟，否则相位差无意义。第四，声压级随距离衰减，自由场点声源距离加倍约降 6 dB，比较不同测点数据前应先归一化到同一距离或换算为声功率级。

掌握以上物理量与描述框架后，后续的传感器选型、采样参数设置、频谱解读与故障定位，都可以回到这条信号链上逐环节排查：激励是什么、经过哪个量、被什么传感器拾取、以什么采样率记录、最终在时域还是频域呈现。把这条链走通，NVH 测试就从“看曲线”变成了“读信息”。