侃侃“拍振”这件事

X-man

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。

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。

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。

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”。

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。

月色

学习了！