交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)

楊建紅，張認(rèn)成，吳曉梅

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)

楊建紅，張認(rèn)成，吳曉梅

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

首先通過(guò)大量的交流接觸器樣本實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)消聲室中分別使用傳聲器、加速度傳感器和聲級(jí)計(jì)提取振動(dòng)噪聲信號(hào)；然后，采用零階聲源模型構(gòu)建交流接觸器的標(biāo)準(zhǔn)聲輻射指數(shù)信息庫(kù)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聲輻射指數(shù)信息庫(kù)修正；最后，通過(guò)測(cè)振法開(kāi)發(fā)交流接觸器運(yùn)行噪聲在線測(cè)量系統(tǒng).測(cè)試結(jié)果表明：基于測(cè)振法在線測(cè)量系統(tǒng)和聲級(jí)計(jì)測(cè)量結(jié)果誤差為±1.5dB，重復(fù)性誤差為±1dB，測(cè)量結(jié)果不受背景噪聲影響.

交流接觸器；聲輻射；A計(jì)權(quán)；噪聲；測(cè)振法

國(guó)家機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)JB／T 7435－2006《CXJ系列交流接觸器》中規(guī)定：交流接觸器在控制吸合電壓為額定電壓的85%～110%時(shí)，在距離0.5m處，運(yùn)行噪聲應(yīng)在40dB以下［1-2］.因此，交流接觸器吸合后的運(yùn)行噪聲測(cè)量是其重要的檢測(cè)指標(biāo).由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的背景噪聲，將導(dǎo)致交流接觸器運(yùn)行噪聲無(wú)法直接在線測(cè)量，同時(shí)無(wú)法將每個(gè)交流接觸器都放入消聲室中進(jìn)行測(cè)量 .由于復(fù)雜背景噪聲的干擾，聲級(jí)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量.很多交流接觸器生產(chǎn)公司僅僅依靠熟練工人的耳聽(tīng)、手摸來(lái)判斷其是否合格.人工經(jīng)驗(yàn)的判斷受到諸多因素影響，很容易產(chǎn)生漏判和誤判.德國(guó)BBC公司基于振動(dòng)法實(shí)現(xiàn)了交流接觸器噪聲自動(dòng)化在線檢測(cè)［2］.美國(guó)海軍軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL）中規(guī)定用振動(dòng)法測(cè)定微電機(jī)的噪聲.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）公布了測(cè)振法測(cè)量噪聲的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件［3］.國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)振動(dòng)法測(cè)量噪聲展開(kāi)了較為系統(tǒng)的研究，其研究技術(shù)在電機(jī)和電器上得到了一定的應(yīng)用 .但是，這些研究對(duì)電機(jī)和電器的測(cè)量都是基于標(biāo)準(zhǔn)的聲輻射指數(shù)曲線，而針對(duì)于交流接觸器的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)聲輻射指數(shù)的研究較少，基本上都基于電器標(biāo)準(zhǔn)聲輻射指數(shù)來(lái)測(cè)量交流接觸器，測(cè)量結(jié)果存在較大的誤差［4］.本文基于測(cè)振法開(kāi)發(fā)出交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量系統(tǒng).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 聲輻射指數(shù)測(cè)量方法

交流接觸器運(yùn)行噪聲是其表面機(jī)械振動(dòng)的結(jié)果 .表面機(jī)械振動(dòng)使周?chē)諝饨橘|(zhì)發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)，從而以聲波的形式向外輻射聲音.輻射的噪聲來(lái)自于多個(gè)振源并具有較寬的頻率特征.交流接觸器內(nèi)部組件較多，而且存在不同的聯(lián)接形式 .由于其表面振動(dòng)振型非常復(fù)雜，無(wú)法直接使用理論推導(dǎo)得到振動(dòng)噪聲輻射指數(shù)效率，因此必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得到交流接觸器聲輻射指數(shù)曲線.交流接觸器尺寸較小，采用球面波的理論分析較為合理，其振動(dòng)速度的聲強(qiáng)級(jí)為

式（1）中：K為波數(shù)；L為振動(dòng)速度聲強(qiáng)級(jí)；v1為球表面振動(dòng)速度；v0為參考速度；ρc為聲阻抗；δmKr0為聲輻射指數(shù)的Hankel函數(shù).

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)交流交流接觸器為零階次振型，則式（1）可簡(jiǎn)化為

式（2）中：σ為聲輻射指數(shù).由式（2）可知，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采集振動(dòng)速度和振動(dòng)速度聲強(qiáng)級(jí)信號(hào)，可以得到交流接觸器的聲輻射指數(shù)；通過(guò)加速度傳感器測(cè)量得到振動(dòng)加速度，而由一次離散積分得到振動(dòng)速度，噪聲聲強(qiáng)級(jí)信號(hào)通過(guò)傳聲器測(cè)量得到.

1.2 聲輻射指數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在開(kāi)發(fā)在線測(cè)量系統(tǒng)之前，精確測(cè)量各種類(lèi)型交流接觸器聲輻射指數(shù)是非常關(guān)鍵的，其實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示.為了保證所開(kāi)發(fā)的噪聲在線測(cè)量系統(tǒng)能直接用于交流接觸器自動(dòng)化生產(chǎn)線上，自行開(kāi)發(fā)了交流接觸器自動(dòng)定位工裝系統(tǒng).工裝采用輕質(zhì)鎂鋁合金，加速度傳感器通過(guò)螺栓直接安裝在工裝底部，同時(shí)在底部安裝減震阻尼器，減少環(huán)境振動(dòng)對(duì)接觸器振動(dòng)的影響.聲輻射效率指數(shù)的測(cè)量需要在消聲室中完成，在消聲室中同時(shí)采集聲壓、聲功率和振動(dòng)加速度信號(hào).

在圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備：AWA14422型傳聲器（帶寬為10.0～2.0×103Hz）；TES－1352H型聲級(jí)計(jì)；A計(jì)權(quán)（測(cè)量范圍為30～130dB）；LC0101型朗斯加速度傳感器（靈敏度為100mV·g－1，頻率范圍為0.5～1.5×105Hz）；MC USB－1608FS型數(shù)據(jù)采集卡.對(duì)于每種型號(hào)，實(shí)驗(yàn)中從30～80dB取出50個(gè)交流接觸器樣本，在消聲室中進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，得到不同接觸器樣本在1／3倍頻段的聲輻射效率平均值.

圖1 聲輻射指數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Testing system for measuring sound radiation exponent

2 基于測(cè)振法的振動(dòng)噪聲計(jì)算

2.1 聲輻射指數(shù)

將采集的加速度信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，取1／3倍頻的頻段信號(hào)，采樣信號(hào)頻率范圍為44.7～8.91×103Hz，共22個(gè)頻段.由離散積分將每個(gè)頻段加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)，其計(jì)算式［5-6］為

式（3）中：fd和fu分別為上下限截止頻率；A（i）為采集的振動(dòng)信號(hào)；Δf為采集信號(hào)頻率分辨率；V（r）為計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)速度信號(hào)；N為采樣點(diǎn)數(shù).

傳感器和工裝對(duì)交流接觸器表面振動(dòng)速度將產(chǎn)生一定影響，因此必須對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行修正.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將交流接觸器和工裝的整體看成平板模型，則振動(dòng)速度修正式為

式（4）中：fc為1／3倍頻的中心平率；ms為傳感器及工裝質(zhì)量；ρ為工裝材料密度；c為振動(dòng)在鎂鋁合金材料中縱波的速度；h為安裝傳感器平板的厚度.

將傳聲器測(cè)量的聲壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后從傅里葉變換后聲壓信號(hào)中取1／3倍頻頻段.由式（2）計(jì)算每個(gè)1／3倍頻段的聲輻射效率指數(shù)，計(jì)算50個(gè)交流接觸器樣本的每個(gè)頻段聲輻射效率指數(shù) .最后，求每個(gè)頻段聲輻射效率平均值 .聲輻射效率計(jì)算流程，如圖2所示.

2.2 振動(dòng)噪聲聲功率級(jí)

圖2 聲輻射效率計(jì)算流程Fig.2 Calculational procedure of sound radiation efficiency

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立不同類(lèi)型的交流接觸器運(yùn)行噪聲輻射效率信息庫(kù).調(diào)用聲輻射效率信息庫(kù)，在交流接觸器生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用加速度傳感器采集接觸器振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)變換后得到對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度；然后，代入式（2）可得到交流接觸器運(yùn)行噪聲聲功率級(jí)，并將其引入A計(jì)權(quán)系數(shù)，可得到每個(gè)交流接觸器運(yùn)行噪聲［7］.A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)的計(jì)算式為

式（5）中：LWA為以dB為單位的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)；LW為式（2）計(jì)算得到的1／3倍頻聲功率級(jí)；C1為倍頻中心頻率系數(shù).

由測(cè)量方法和計(jì)算原理可知：基于測(cè)振法交流接觸器運(yùn)行噪聲測(cè)量不受周?chē)h(huán)境噪聲的影響，能滿足交流接觸器生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行噪聲在線測(cè)量的需求.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 交流接觸器聲輻射效率指數(shù)

基于44.7～8.91×103Hz頻率之間，按照1／3倍頻提取22個(gè)頻段，實(shí)驗(yàn)得到的交流接觸器的聲輻射效率指數(shù)如圖3所示.圖3中：橫坐標(biāo)為1／3倍頻的中心頻率；接觸器類(lèi)型1指的是體積較小的單相交流接觸器；接觸器類(lèi)型2指的是體積較大的三相交流接觸器.

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：在較低頻率段，交流接觸器聲輻射指數(shù)波動(dòng)較大，高頻率段聲輻射指數(shù)比較平穩(wěn)，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所用樣本振動(dòng)不穩(wěn)定所致.為了盡可能得到振動(dòng)噪聲分布較均勻的樣本，實(shí)驗(yàn)中使用合格的交流接觸器樣本進(jìn)行人為破壞，將吸合觸點(diǎn)劃傷，在振動(dòng)過(guò)程中劃傷處不斷地磨損，從而導(dǎo)致振動(dòng)不穩(wěn)定.此外，不同類(lèi)型交流接觸器聲輻射指數(shù)存在一定差異，必須對(duì)不同類(lèi)型的交流接觸器樣本進(jìn)行聲輻射指數(shù)測(cè)定，構(gòu)建不同類(lèi)型交流接觸器聲輻射指數(shù)信息庫(kù).

3.2 交流接觸器運(yùn)行噪聲聲功率級(jí)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得到的聲輻射指數(shù)，對(duì)所開(kāi)發(fā)的交流接觸器運(yùn)行噪聲在線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.為了和聲級(jí)計(jì)測(cè)量精度對(duì)比，選取30個(gè)不同噪聲級(jí)的交流接觸器樣本，在消聲室中采用傳聲器、振動(dòng)傳感器和聲級(jí)計(jì)同時(shí)測(cè)量交流接觸器運(yùn)行噪聲，結(jié)果如圖4所示.圖4中傳聲器測(cè)量值是通過(guò)測(cè)量得到的聲壓進(jìn)行A計(jì)權(quán)計(jì)算得到的，聲級(jí)計(jì)為直接測(cè)量值.

圖3 交流接觸器的聲輻射效率指數(shù)Fig.3 Exponent of sound radiation efficiency of AC contactor

圖4 接觸器運(yùn)行噪聲測(cè)量結(jié)果對(duì)比 Fig.4 Comparison of the measuring results of running noise for AC contactor

從圖4的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：傳聲器和振動(dòng)法測(cè)量結(jié)果基本接近，但是振動(dòng)法和聲級(jí)計(jì)測(cè)量結(jié)果相比，存在一定的誤差，主要在特定的幾個(gè)交流接觸器樣本測(cè)量結(jié)果誤差較大.分析原因發(fā)現(xiàn)：個(gè)別測(cè)試交流接觸器振動(dòng)噪聲不穩(wěn)定，在短暫的吸合時(shí)間內(nèi)噪聲值始終是波動(dòng)的，聲級(jí)計(jì)測(cè)量值也存在一定波動(dòng)，從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確讀取噪聲值.

幾種不同振動(dòng)噪聲測(cè)量方法所得到的測(cè)量結(jié)果誤差，如圖5所示.由圖5可知：振動(dòng)法測(cè)量結(jié)果的均值要比聲級(jí)計(jì)小1.5dB，主要是因?yàn)槭剑?）中10lg為和測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，此項(xiàng)存在一定誤差，在測(cè)量結(jié)果中應(yīng)除去該誤差.在除去個(gè)別不穩(wěn)定的測(cè)量樣本，基于振動(dòng)法所開(kāi)發(fā)的交流接觸器運(yùn)行噪聲在線測(cè)量系統(tǒng)能滿足測(cè)量精度的要求，從根本上解決了接觸器振動(dòng)噪聲無(wú)法在線準(zhǔn)確計(jì)量的問(wèn)題，提高交流接觸器的質(zhì)量和生產(chǎn)效率.

圖5 幾種不同振動(dòng)噪聲測(cè)量方法的比較Fig.5 Comparison of several different measuring methods of vibrational noise

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同類(lèi)型交流接觸器的聲輻射指數(shù)，基于測(cè)振法開(kāi)發(fā)了交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量系統(tǒng).對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：新開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)能滿足交流接觸器運(yùn)行噪聲的在線測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不受背景噪聲影響，測(cè)量精度能滿足運(yùn)行噪聲在線測(cè)量的要求 .該系統(tǒng)的應(yīng)用提高了接觸器的檢測(cè)精度和生產(chǎn)效率.

［1］成都機(jī)床電器所，天水二一三機(jī)床電器廠，桂林機(jī)床電器有限公司，等.JB／T 7435－2006CXJ系列交流接觸器［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］LEE C，YOUN H.Noise path identification of rotary compressor［C］.Proceeding of the 2000International Compressor Engineering Conference at Purdue，Purdue University，West Lafayette，Indiana，2000：510－518.

［2］趙菁.淺析交流接觸器的噪聲問(wèn)題［J］.低壓電器，2008（15）：4－7.

［3］沈玉琢，徐舜英.交流接觸器振動(dòng)噪聲測(cè)試裝置［J］.低壓電器，1993（2）：32－36.

［4］沈玉琢，韓競(jìng)生.交流接觸器振動(dòng)噪聲的分析和噪聲標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證［J］.低壓電器，1990（2）：21－25.

［5］王濟(jì)，胡曉.MATLAB在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：104－109.

［6］周廣林，陳劍，畢傳興，等.雙傳聲器聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)誤差分析與不確定度評(píng)定［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（5）：126－129，122.

［7］國(guó)家機(jī)械部上海電器科學(xué)研究所.GB／T 16539－1996聲學(xué) 振速法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí) 用于封閉機(jī)器的測(cè)量［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［8］張谷香，王懷應(yīng).水聲聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)及其在水下噪聲鑒別中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用聲學(xué)，1995，15（4）：33－37.

On Experiments about On－Line Measuring of Running Noise for AC Contactor

YANG Jian－h(huán)ong，ZHANG Ren－cheng，WU Xiao－mei
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

First，the vibrational noise for AC contactor is obtained using the sensors including microphone，accelerator，and sound level meter in the standard anechoic chamber by a lot of sample experiments.Second，the information database of acoustic radiation exponent for AC contactor is built using the zero－order sound source model，and the information database of the standard acoustic radiation exponent is corrected.Finally，based on the oscillometric method，an online measuring system of running noise for AC contactor was developed.The testing results have shown that the measuring error between using the oscillometric method and using the sound level meter is±1.5dB，the repeatability error is±1dB，and the measuring results were not influenced by the background noise.

AC contactor；acoustic radiation；A－weighting；noise；oscillometric method

黃曉楠 英文審校：鄭亞青）

TM 343.03

A

1000－5013（2012）02－0134－04

2011－06－11

楊建紅（1974－），男，副教授，主要從事先進(jìn)傳感與檢測(cè)技術(shù)的研究.E－mail：yjhong＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2010J01294）；福建省廈門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20113016）；華僑大學(xué)國(guó)家自然科學(xué)基金培育計(jì)劃資助項(xiàng)目（JB－ZR1102）