纯电动井下指挥车车架设计与CAE分析外文翻译资料

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第55章

噪声和振动源识别

Malcolm J. Crocker

aubuin大学机械工程系

奥本，亚拉巴马州

1引言

在大多数机械噪声和振动控制问题中，将主要噪声和振动源按重要性排列是非常可取的，因此（可以将顺序根据重要性）做出适当的修改。在复杂的机器中往往很难获得这样的信息，所以许多减少噪音和振动的尝试都是基于不充分的数据做出的，这通常导致技术人员采用昂贵或低效的降低噪声和振动的方法。机器的噪声和振动也可用于判断机件的磨损。噪声和振动源的识别方法取决于特定的问题以及所拥有的时间、资源（人员、仪器和资金）和专业知识的准确性。在大多数噪声和振动源识别问题中，最好在识别过程中使用多种方法以确保更高的可信度。我们可以使用多次试验的方法来识别噪声和振动源，同时，也要开发新的识别方法。

2源-路径-接收器

不同的噪声和振动源和路径识别方法已经使用多年。我们要使用多种方法以提供关于源的更多信息和增加结果的可信度。近年来，在汽车工业中，人们致力于开发出更好的噪声和振动源和路径识别方法，这大多数集中在舱内噪声和空气传播路径、结构传播路径这方面。发动机和传动系统噪声和振动源路径以及轮胎噪声也受到了关注。这不仅是为了降低车辆噪声，也是为了产生一个制造商品牌的独特声音。见第67章。最近，这些方法已被多种多样的方式扩展和改变以开发出更好的识别的源和路径方法。比如说所谓的传播路径分析（TPA）的方法和它的变种，它们在一定程度上是基于较早版本的源和路径建模的相干方法。参见本章的第7和第9节。使用tPA和其他相关的方法对噪声和振动源路径识别的商务软件现在已经可以使用，通过汽车和铁路车辆的外部噪声源也在研究当中。

如第54章所述，噪声和振动能量必须从源头经过一条或多条路径再到接收器（通常是人耳）。第54章的图1展示了最简单的源-路径-接收器系统模型。噪声源也许是机械本质（由碰撞、机械内部力的失衡以及结构件振动造成）或者是气动本质（由脉动流、流结构的相互作用、喷流噪声以及湍流造成）。噪声和振动能量能经过各种空气传播和结构传播路径传播到接收器。图1展示了螺旋桨飞机的例子。这种飞机可以看做是比图2更复杂的源-路径-接收器系统。在某些情况下，源和路径的区分不是很清楚，也难以将源与路径恰好分开。在这种情况下，必须考虑源和路径的结合。尽管有一些明显的缺陷，源-路径-接收器模型仍然是一个被广泛使用的概念。本章主要研究机械噪声源。我们注意到，切割或阻塞一个或多个噪声、振动路径往往提供了关于的噪声源的宝贵的信息。

3 噪声源的3条线索

不同的的噪声源的类型和空间分布通过不同声场的特性表现。这些包括声压级的频率分布、声场的方向特性、声压级的变化与源的距离。随着时间的推移，声压级的变化也对其具有提示作用。对于更复杂的测量，拥有从单极子，偶极子，四极，线源，活塞和机械

系统的机械冲击和振动梁板这种理想化的声源模型的声音传播的理论知识是非常有用的。参见第1、2、3和第6章。对这种理论的理解不仅指导我们在决定哪些测量，也有助于解释结果。事实上，随着测量变得更加复杂，对他们的解释也必须要越来越谨慎。复杂的测量和收集的大量数据可能会导致无法解释或得出不正确的结论。随着日益复杂的信号处理设备和软件的出现，信号分析和信号处理理论的知识变得非常重要。参见第40章和第42章。

4 4种识别噪声与振动源的经典方法

一些基本或经典的识别噪声源的方法已被经过仔细审查，所以并不需要我们对声音传播有深厚的理论认识。在这里不再详述。

因为人的耳朵和大脑可以比最先进的测量系统更精确的区分不同的声音，噪声的主观评价是非常有用的。通过实践，操作者可以通过声音判断一台机器是否出现故障。噪声顾问可以准确地估计风扇的叶片通道频率；在识别源时，我们应该先听机器的声音。我们可以使用听诊器或麦克风–放大器–耳机系统来定位源和排除外来噪声。这样的系统有时也允许人们在人耳达不到或危险地方的放置麦克风。第67章讨论声音的主观评价。事实上，人类可以分辨出复杂的分析设备难以识别的机器声音的细微差别。

复杂机器的选择性运行往往是非常有用的。只要一个机器的运行不被严重改变，通过按顺序隔离部分的方法，可以推测出这些部件在所有部件同时运行时对总的机器噪声占比。例如，可以在有或者无冷却风扇连接时测量发动机噪声，这可以估计出风扇的噪声。然而，如果风扇噪声低于发动机噪声，估计的准确性将会很低。风扇噪声的估计值可以通过一台“安静”的电动机或其他设备分别驱动风扇来检验。我们应该意识到，在某些情况下，隔离的部分可能会改变机器的其他部分的运行并给出一个误导性的结果。比如说发动机在负载下驱动液压传动装置。隔离变速器将提供一个衡量发动机–结构辐射噪声；隔离冷却风扇时进气和排气噪声通过管道从测量室排出。在这种情况下，发动机是无负载的，其噪声可能不同于有负载的情况。同时可以通过静电力驱动一个无燃油的发动机来排除发动机机械噪声和燃烧噪声。然而，在这个过程中，发动机的机械力将与正常燃烧时有所不同，我们不能说这个过程会产生“真正的”机械噪声。

通常使用对机器的不同部分进行密封来测量噪声。如果机器有完全封闭的密封外壳并且外壳的部件被依次移除来暴露不同的机器表面，那么从这些不同的表面的产生的噪声是可以被测量的。这种方法的优点是通常不需要停止机器的任何部分，因此机器运行是不变的。然而，如果机器表面有阻尼或发生声音的衍射可能会导致一些细微的变化。使用这种选择性密封的方法对柴油机不同的表面的声功率的测量参见2和3。围绕在发动机球形表面上的30个麦克风被用于引线密封和发动机裸机的声音测量。总共收集了三分之一倍频程声压级数据。 然后假设（1）球面传播，（2）没有反射，以及（3）强度等于均方压力除以空气的特征阻抗rho;c，将这些数据转换为对声音强度估计。然后，在包围发动机的球形测量的表面上对声强数据进行数值积分，以获得声功率。用铅来密封发动机以便特定表面（例如油底壳）可以暴露出来。完全密闭的发动机的1/3倍频程分析与发动机裸机在1500转/分钟（RPM）、542牛米的扭矩工况的对比如图3a所示。比较结果表明，频率在250Hz以下时，铅包是无效的。

选择发动机的八个单独部件使用球形麦克风阵列和发动机铅包的测量技术对噪声源进行识别和排名。测量过程中选择性地暴露这八个部分，一次一个，而其他七个部分被装在0.8毫米泡沫背铅内。然后对这八个部分进行声功率级测量以确定三个独立的稳态运行条件。三分之一倍频带与完全密封的发动机机的比较如图3b所示，八个部件中的两个在1500 rpm的运行情况如图3c所示。这些图表明，对于较弱的部分（频率低于1000赫兹）使用铅包的声功率测量并不总是准确的。图4中给出了使用整体声功率级在315赫兹到1万赫兹的1/3倍频带的八部分噪声源排名。

类似的选择性密封技术已应用到一个完整的卡车（图5）。排气噪声被特大型消声器抑制，发动机甚至车轮轴承盖都被密封。本次调查的结果如图6a和图6b所示。如后所述，虽然选择性密封技术是非常有用的，但它非常耗时，这导致了对于不需要全封闭式外壳的技术的探索。

5 频率分析

如果通过选择性运行或顺序密封测量了整个机器或一些部件的噪声或振动，则可以对数据进行各种分析。

最常见是频率分析，原因是对声音进行频率分析是耳朵的一个最重要的特性。模拟分析仪（过滤器）已使用多年。这些模拟设备现在已经大大超过了数字分析仪（过滤器）。现在广泛使用实时分析仪和快速傅氏变换算法（FFT）分析仪。

实时和FFT分析仪加快了数据的频率分析，但由于可能存在分析误差（特别是使用FFT），在使用过程中应特别谨慎。在使用FFT分析仪时，抗锯齿过滤器可用于防止频率折

叠。如果分析了往复式机器噪声，只要诊断出不正确的频率，就必须重复分析周期。42章论述了信号处理，而40章回顾了不同类型滤波器和FFT技术以及其他相关主题的使用。第43章回顾了噪声和振动测量。

假设频率分析正确，那么它可以成为识别噪声源的一个重要的工具。随着机械往复运动和旋转运动，转速以及系统的几何性质决定了音质。正如68章讨论的，可以通过几个频率识别滚动轴承的基本频率、内圈和外圈的裂纹缺陷的频率、球的裂纹缺陷、球的共振和剧烈的共振频率。第70章进一步讨论轴承噪声。在齿轮中，噪声发生在频率为60 Hz时整数倍数的轮齿接触中（其中T是齿轮的齿数）。泛音的频率通常很明显。参见第69章，在风扇噪声中，频率为 60HZ（其中N是风扇叶片的数目）及其整数倍的叶片是重要的噪声源。参见第71章。

我们进一步引用机器噪声的例子。由于刚才提到的这些频率主要与机器转速成正比，所以转速或负载的变化通常会立即反映频率分量是否与机器旋转运动有关。柴油机的噪音就是一个很好的例子。图7a显示由Seybert测量的一六缸直喷发动机的气缸压力的时间历程和功率谱。时间历程中的涟漪是由在活塞上方产生的气体在3至5千赫的区域中的频谱的宽峰共振效应所造成的。如图7B，可以证明这个共振频率是与气体共振有关而不是与转速有关。尽管如果负载以恒定速度增加，频率会相应增加。但是对于恒定负载，如果发动机转速改变，频率却几乎不变。在进一步的研究中，发现谐振频率与气体的绝对温度的平方根成比例（气体温度随负载增加），因此随着负载增加，谐振频率也增加。

有时可以通过某种受控的方式改变源或路径，再对其进行频率分析来找到关于噪声或振动源或路径的信息。下面给出了空调和飞机的一些示例。

5.1激发频率变化

如前所述，当负载和速度被改变时，可以得到柴油发动机中的噪声和共振源的信息。在某些情况下（例如电机）变速是很困难的。空调系统中的机械共振可能是噪声产生的重要原因。这可以用机电振动筛激励不同频率的空调结构来检测。然而，这意味着以未知的方式改变机械系统。最后在参考文献7中采用的方法是用从变速直流（DC）电机–交流发电机组产生的从50Hz变化到70 Hz的交流电来驱动空调电机。由于噪声问题是由两线（电源）频率的纯音磁力激励引起的，因此在电机加速的同时用麦克风监测。实验结果如图8所示。实验表明，如果电机悬置太硬，则可以通过降低刚度来消除纯音噪声问题。Hague表明，这种技术可以进一步改良空气处理系统的电动机，使它的转速，线频率，和转矩幅度（稳定和波动）可以独立地变化。

之前对于空调的论述表明它是通过电机安装的。在机载结构噪声和源已知（发动机）的情况下，可以通过切割一条或多条路径或通过修改已知路径来定量确定主导路径。这适用于发动机噪声问题以及汽车，农用拖拉机和飞机中的空气和结构传播。

5.2路径阻塞

这里给出通过在地面试验中将发动机从机身分离来评估发动机噪声传播路径的例子。图9显示有或无发动机连接到机身的舱室噪声的A加权声压级。当发动机被分离时，它向前移动约5厘米以防止任何机械接触。整体减少3分贝表明，空气和结构噪声对客舱噪声的贡献大约等同于这种情况。结构噪声贡献随频率变化，但是，在某些频率下，结构产生的噪声是超过空气的。McGary提出了在飞机结构中评价空气和结构传播路径的方法。空气路径可以通过添加铅片或增加负荷为5至10公斤/米乙烯基片来减少或“受阻。图10显示了为了减少空气传播而被覆盖的飞机机舱壁的区域。轻型双发动机飞机客舱内的噪声频谱如图11所示。与叶片通道相关的离散频率与谐波明显以前两者为主。约70 dB的宽带噪声与边界层噪声有关。大约670赫兹的音调与发动机涡轮速度有关并意味着存在发动机结构噪声。

6 其他噪声源识别的常规方法

Thien已经成功地使用声导管作为选择性密封方法的替代方案（参见图12）。管道的一端通过“隔音”弹性连接到检查的机器的部分。

Nakamura和Nakano也使用类似的方法来识别发动机上的噪声源。Thien声称，使用这种方法可以获得准确的重复性结果。

图10飞机表面有助于识别重要机载和结构传播路径。

发动机

发动机

但是，这种方法也存在一定的局限性：主要是很难从管道密封到机器；同时还应尽可能使环境尽可能地消声，以防止来自任何混响场的污染。理论上，除了在重合频率区域外，管道可以改变来自被检查的机器部件的声辐射。幸运的是，这个频率区域通常是重型机械的最重要的频率区域，并且由于在该区域中，辐射主要垂直于表面，所以可能在实践中几乎不受影响。

声导管或导轨也被用于研究噪声的路径。图13给出了将空中噪声引导到轻型飞机的机舱壁上的例子。

测量通过飞机壁的噪声降低量并与理论值进行比较。这里的噪声降低被定义为外部声压级SPL和内部声压级SPL之间的差。频率低于250Hz时，实验结果和理论值是一致的。

近场测量经常用于识别机器上的主要噪声源。这种方法必须谨慎使用。 如果麦克风被放置在声学近场中，其中kr小（k是波数=2pi;频率fdivide;波速， r是麦克风的源距离），则声音强度不与声压平方成比例，并且这种方法会产生误导结果。低频下尤其如此。 声近场是反应性的：声压几乎完全与声粒子速度异相。因此，这种近场方法不适合在相对小的机器（例如发动机）上使用。然而，对于大型机器，例如具有发动机冷却风扇，排气或进气入口的车辆，近场方法已被证明是有效的。如果是特征尺寸为1（长度或宽度 ）的大型机器，可以将麦克风定位在近似几何场（其中r / l小）和远声场中。在这种情况下，麦克风可以相对靠近每个主要噪声源放置。声音强度与声压的平方成比例，并且适用于熟知的平方反比法。 除了已经提及的声近场效应之外，该方法还有两个潜在的问题：（i）源指向性和需要使用多于一个麦克风来描述大噪声源，以及（ii）麦克风声音信号受到来自其他更强的来源的声音的污染。 不幸的是，因为那么声近场更强，通过将麦克风放置得更靠近源这种措施不能减少污染。 然而，可以通过使用反平方律和到污染源的距离的经验校正来自其他强源的污染。

尽管近场方法存在各

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