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[其他相关] 侃侃“拍振”这件事

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发表于 2020-5-22 11:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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首先,需要引入一个振动基本概念。

简谐振动,是振动中最简化的模型之一,指物体在与位移成正比的恢复力作用下,在其平衡位置附近按正弦规律作往复的运动。老式钟表下的摆锤,机械式的节拍器等等,都在做简谐振动。注意,关键是其运动规律可以用正弦波描述。
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图1  小球做简谐振动 by 杰夫杨

有了简谐振动这个基本概念,拍振的解释就容易了。

两个方向相同、频率接近、幅值接近的简谐振动,其合成的复合振动亦近似为简谐振动。但是这个近似简谐振动的振幅随时间作缓慢周期性的变化,时大时小,这种现象称为“拍”。

大家的感觉没错,“拍”这个名字,还真是从“音乐节拍”处借用过来的。“节拍”是指强拍和弱拍的组合规律,具体是指在乐谱中每一小节的音符总长度,常见的1/4拍,2/4拍,3/4拍等等,每小节的长度固定。是不是感觉经常现场一身油污的你,忽然有了艺术气息!

下面的图就更清晰地解释了“拍”的形成。
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图2 拍振波形叠加 by 杰夫杨

上面的正弦波是48赫兹,中间的正弦波是50赫兹,最下面是两者幅值的叠加。有两个点需要注意:第一点是“拍”的幅值,最大幅值是两个正弦波幅值的和,最小幅值是两者的差;第二点是“拍”出现的频率和周期,频率是两个正弦波的频率差,为2赫兹,周期就是频率的倒数0.5秒。

谈了音乐,那我们再来聊聊诗歌。

晚泊浔阳望庐山
作者:孟浩然
挂席几千里,名山都未逢。
泊舟浔阳郭,始见香炉峰。
尝读远公传,永怀尘外踪。
东林精舍近,日暮空闻钟。

唐朝诗人,特别是山水派诗人,特别钟情于自然山水和僧侣寺庙,这其中的“钟声”就成为连接山水世界和方外之情的重要纽带。

为何“钟声”如此悠扬回荡?同样是敲击声,为何隔壁装修工人敲墙让人坐立不安?

从物理的角度分析,第一,频率,钟声的基频在10~20赫兹之间,并且一直延展到200赫兹,中间频率非常丰富。这些频率落在低音和超低音部,与音乐中标准音相对应,既好听又和谐。第二,钟在制作的时候,形状并非全对称,目的就是在敲击时发出两个频率接近的声音,形成“拍”。假设这两个频率差为0.1赫兹,那么,我们就可以听到钟声会以10秒为一个周期抑扬顿挫。

不好意思,还是要把大家从山水之间拉回到现场。在我们具体的振动检测工作中,会如何遇到“拍”呢?

先举一个电厂的例子。凝结水泵是电厂三大泵之一,关键辅助设备。国内的60万千瓦、90万千瓦和100万千瓦机组,一般会配置3台立式的凝结水泵,日常2开1备。电机功率在300千瓦以上。

经常开的#A泵和#B泵在结构上是一样的。变频改造时,有些方案中甚至共用一个变频器。这时候,#A泵和#B泵,转速会非常接近,但不会一样。通常的频谱中,会有泵的转速频率和叶片通过频率。如下图中,叶片数为7片,转速7倍频占主导。但是,当你对转速7倍频处进行细化时,会发现其实有两个频率,分别是#A泵和#B泵转速的7倍频,这两个频率形成了拍,振动波形就会时大时小。
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图3  凝结水泵“拍振”的频谱 by 杰夫杨

再举个例子,电机上经常会有时大时小的嗡嗡声。本月初在常州测试的一台空压机电机,就有这个现象。当我们对频谱进行细化时,就看到了99.03赫兹的转速频率2倍频,和100赫兹的电气频率2倍频。这两者的形成了“拍”。
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图4  空压机电机“拍振”的频谱 by 杰夫杨

“拍”振何时有害?单个频率的振幅不大,但当两个频率的振幅形成"拍”,那么“拍”的振幅会是两个频率振幅的叠加,这个幅值就会大了。

如何消除“拍”呢?其实思路很简单。

如果能错开两个频率,就不能形成“拍”了。如凝结水泵的例子,其中一台水泵的叶片改为6片或8片,两台泵就不会形成“拍”振了。

如果没办法将频率错开,那么就要想办法消除或减小其中一个频率的振动。第二个例子中,电机应该存在对中问题,同时存在电气问题,将这两个消除掉一个,“拍”就消失了。


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发表于 2020-5-24 21:00 | 显示全部楼层
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