基于時(shí)頻分析的非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲輻射特性研究

李靖祥，趙升噸，鐘 斌，趙仁峰

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 模具與先進(jìn)成形技術(shù)研究所，陜西 西安 710049）

0 引言

氣動(dòng)裝置如氣動(dòng)摩擦離合器（PFC）和氣動(dòng)摩擦制動(dòng)器（PFB）等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，采用壓縮空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)裝置在工作時(shí)需經(jīng)常進(jìn)行進(jìn)排氣操作，特別是排氣動(dòng)作時(shí)，氣缸內(nèi)的氣體在短時(shí)間內(nèi)通過氣動(dòng)閥排出到大氣中，會(huì)產(chǎn)生沖擊性很強(qiáng)的高達(dá)125dB（A）的非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的85dB（A）及其以下的要求，對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重危害車間工人的身心健康[1-3]。

氣動(dòng)裝置非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲與常見的穩(wěn)定性排氣噪聲有所不同，具有明顯的脈沖沖擊特性。該排氣噪聲主要由非穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流引起的單極子聲源和湍流四極子聲源組成，在頻域上呈現(xiàn)馬鞍狀，即有較高的低頻和高頻段的噪聲聲壓級[4-6]。然而，如果僅是單純地從時(shí)域或者頻域的角度進(jìn)行分析，并不能完全表征該噪聲信號的特征，比如無法反映出各頻率信號隨時(shí)間變化的規(guī)律等[7]。因此有必要通過時(shí)頻分析手段，即采用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表征該氣動(dòng)裝置排氣所輻射出的噪聲信號，對該噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和輻射特性進(jìn)行分析與研究，從而為工程實(shí)際中對該噪聲實(shí)施有效控制奠定基礎(chǔ)。

1 氣動(dòng)裝置排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 氣動(dòng)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源、氣缸、氣動(dòng)閥、不同口徑的管道以及排氣消聲器裝置等，如圖1所示。氣源（如空氣壓縮機(jī)）提供的高壓氣體，通過氣動(dòng)閥及管道流入氣缸內(nèi)，控制氣動(dòng)裝置動(dòng)作；隨后氣動(dòng)閥換向或打開排氣閥，使得氣缸內(nèi)的高壓氣體經(jīng)由閥和管道排出。本文研究的是氣動(dòng)系統(tǒng)的排氣過程，因此主要對排氣通路進(jìn)行研究。

1.2 氣動(dòng)排氣系統(tǒng)的工作原理

圖1所示氣缸為一個(gè)單作用氣缸，這種單作用氣缸被廣泛應(yīng)用于氣動(dòng)執(zhí)行裝置中，如機(jī)械壓力機(jī)的PFC和PFB氣缸等，通過高壓氣體的通入與排放實(shí)現(xiàn)摩擦盤的接合與脫離。當(dāng)高壓氣體通入時(shí)，氣缸內(nèi)的活塞被高壓氣體推動(dòng)，摩擦盤接合；而當(dāng)排氣時(shí)，氣缸內(nèi)壓力降低，活塞通過復(fù)位彈簧復(fù)位，摩擦盤實(shí)現(xiàn)脫離動(dòng)作。氣動(dòng)閥與排氣過程的空氣動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)，通常可以采用二位三通換向閥來實(shí)現(xiàn)氣缸的進(jìn)氣和排氣的切換，有時(shí)也會(huì)設(shè)置單獨(dú)的排氣閥或者快速排氣閥來完成氣缸的排氣動(dòng)作。圖1中的氣動(dòng)閥為一個(gè)電氣比例換向閥（如日本SMC公司生產(chǎn)的VY1700型氣動(dòng)閥）。不同于普通的二位三通換向閥，電氣比例換向閥除了通過換向操作實(shí)現(xiàn)氣缸進(jìn)排氣的切換外，還可以設(shè)定調(diào)節(jié)壓力來控制氣缸端的壓力值。

圖1 氣動(dòng)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

氣動(dòng)閥VY1700通過調(diào)節(jié)先導(dǎo)氣腔的壓力值來調(diào)節(jié)進(jìn)氣端（P口到A口）和排氣端（A口到R口）的提升閥芯的開啟與閉合。當(dāng)氣缸端的壓力值與給定先導(dǎo)氣腔壓力相等時(shí)，調(diào)節(jié)活塞保持在平衡位置，進(jìn)氣端和排氣端的閥芯均處于關(guān)閉不導(dǎo)通的狀態(tài)；當(dāng)氣缸端的壓力值低于給定的先導(dǎo)氣腔壓力時(shí)，排氣端閥芯閉合，調(diào)節(jié)活塞下壓帶動(dòng)進(jìn)氣端的閥芯開啟，導(dǎo)通P口和A口，使得氣源提供的高壓氣體通入氣缸；當(dāng)氣缸端的壓力值高于給定的先導(dǎo)氣腔壓力時(shí)，進(jìn)氣端閥芯閉合，調(diào)節(jié)活塞上升帶動(dòng)排氣端的閥芯開啟，將A口和R口導(dǎo)通，使得氣缸內(nèi)的氣體經(jīng)過氣動(dòng)閥排出。

在排氣口處安裝消聲器可有效降低排氣噪聲，本文為了分析氣動(dòng)裝置非穩(wěn)態(tài)排氣所輻射噪聲的特性，主要研究未安裝消聲器裝置時(shí)的直接排氣過程所輻射的噪聲。氣動(dòng)裝置排氣噪聲的試驗(yàn)測試平臺基于JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)上的PFC排氣系統(tǒng)，如圖2所示。采用丹麥B&K公司的Type4189型傳聲器和Type2270型聲級計(jì)對排氣過程輻射的瞬時(shí)噪聲進(jìn)行測量，傳聲器和聲級計(jì)設(shè)置在距離氣動(dòng)閥排氣口1m，與排氣口軸線夾角45°的位置。噪聲信號通過研華的PCI-1712型高速多功能數(shù)據(jù)采集卡記錄到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析，采樣頻率為200kHz。

圖2 JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)及其PFC排氣系統(tǒng)

2 排氣噪聲輻射特性分析

2.1 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換作為最早提出的一種時(shí)頻分析方法，概念清晰、物理意義明確，成為研究非平穩(wěn)信號的主要方法，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。為了達(dá)到時(shí)域的局部化，短時(shí)傅里葉變換采用加窗的方式，隨時(shí)間窗的移動(dòng)對信號進(jìn)行傅里葉變換，得到一組局部頻譜，通過局部頻譜的差異來考察信號的時(shí)變特性。給定一個(gè)時(shí)間寬度很短的窗函數(shù)w（t），隨著時(shí)間窗的滑動(dòng)，信號 x（t）的短時(shí)傅里葉變換（STFT）定義為[8]：

在實(shí)際應(yīng)用中，由于采集的信號往往是離散的，因此對STFT（t，f）進(jìn)行離散化處理，在等間隔的時(shí)間和頻率網(wǎng)格點(diǎn)（mΔt，nΔf）處采樣，以 Δt和 Δf分別作為時(shí)間變量和頻率變量的采樣間隔，則短時(shí)傅里葉變換的離散形式為：

2.2 氣動(dòng)裝置排氣噪聲的時(shí)頻分析

2.2.1 排氣噪聲的時(shí)頻域聲壓級結(jié)果

當(dāng)PFC/B-63型機(jī)械壓力機(jī)上的PFC氣缸初始?xì)鈮?.48MPa時(shí)，對通過VY1700型電氣比例換向閥直接排氣所輻射的噪聲信號進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，采用海明窗作為窗函數(shù)，時(shí)間間隔1.25ms，頻譜分辨率100Hz，并計(jì)算時(shí)頻域上的聲壓級，如圖3所示，其中排氣過程從0.045s處開始。

圖3 氣動(dòng)裝置排氣噪聲信號的時(shí)頻域聲壓級

從這一時(shí)頻域上的聲壓級譜圖可以看出，該噪聲在各個(gè)頻率上均表現(xiàn)出隨時(shí)間變化的脈沖沖擊特性；在有排氣流量噴出的一段時(shí)間間隔內(nèi)，均表現(xiàn)出噴注噪聲的寬頻特性。

2.2.2 排氣噪聲不同時(shí)刻的功率譜密度

為了反映出氣動(dòng)裝置排氣噪聲的頻譜隨時(shí)間的變化規(guī)律，圖4給出了在不同時(shí)間段的噪聲信號功率譜圖。選取的幾個(gè)時(shí)間段中心點(diǎn)為0.04s、0.048s、0.06s、0.075s、0.1s和 0.18s，分別代表了排氣開始前、排氣開始后、排氣初期、排氣流量最大、排氣后期以及排氣結(jié)束后的典型時(shí)刻。

從不同排氣階段的頻譜聲壓級可以看出：在排氣開始前（圖4a），各頻帶的聲壓級均低于背景噪聲60dB（包含數(shù)據(jù)采集中的干擾噪聲），信號主要以背景的低頻段噪聲為主；當(dāng)氣動(dòng)閥打開后（圖4b），氣流從排氣口開始排出并產(chǎn)生排氣噪聲，此時(shí)主要是低頻段噪聲增大，高頻段的增加量較小，顯示在排氣剛剛開始時(shí)的輻射噪聲主要是以排氣流量突然變化產(chǎn)生的單極子聲源輻射為主；隨著排氣的進(jìn)行（圖4c），高頻段噪聲的聲壓級明顯增大，說明在排氣口處的噴注射流開始產(chǎn)生劇烈的湍流，并輻射出四極子的高頻噪聲；當(dāng)排氣流量達(dá)到最大值時(shí)（圖4d），注意到和排氣初期相比低頻段的聲壓級基本保持不變，而高頻段噪聲繼續(xù)增大，使得噪聲的聲壓幅值達(dá)到瞬態(tài)峰值；其后，隨著氣缸內(nèi)壓力降低、排氣流量下降（圖4e），湍流噪聲開始減弱，而由于質(zhì)量流變化引起的單極子聲源使得低頻段噪聲繼續(xù)維持在75dB左右，隨后各頻段的聲壓級逐漸減弱直到排氣過程結(jié)束；在排氣結(jié)束后（圖4f），高頻段噪聲迅速衰減，低頻段聲壓級也逐漸恢復(fù)到背景噪聲以下。

圖4 排氣噪聲在不同時(shí)刻的功率譜密度

2.2.3 排氣噪聲各頻率功率譜密度隨時(shí)間的變化

圖5是氣動(dòng)裝置排氣噪聲信號在不同頻率的功率譜密度隨時(shí)間變化的結(jié)果，頻率值分別取為 100Hz、200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz和 16kHz。

圖5 排氣噪聲各頻率功率譜密度隨時(shí)間變化結(jié)果

從圖5可以看出，各頻率噪聲的功率譜隨時(shí)間的變化有明顯的起伏，其幅值脈動(dòng)基本和總的噪聲時(shí)域聲壓幅值波動(dòng)接近，但各頻率的噪聲也具有不同的特點(diǎn)。和低頻段及高頻段的噪聲相比，500Hz和1kHz的噪聲能量較低，這也體現(xiàn)出了氣動(dòng)裝置排氣噪聲頻譜的馬鞍狀特點(diǎn)；在低頻段頻譜中，0.1s附近出現(xiàn)了比較明顯的峰值，分析原因?yàn)镻FC氣缸內(nèi)活塞復(fù)位時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊噪聲，這從單純的時(shí)域或頻域分析是很難看出的；在8kHz處的噪聲功率譜密度很高，說明通過PFC氣缸通過氣動(dòng)閥VY1700直接排氣時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)裝置排氣噪聲的能量主要集中在這一頻率段，這與頻譜分析的結(jié)果也是一致的；另外可發(fā)現(xiàn)，在排氣開始到0.05s前的這一段時(shí)間內(nèi)，低頻率噪聲（100Hz和200Hz）的功率譜密度值達(dá)到0.02Pa2s左右，而中高頻率噪聲（1kHz～16kHz）則非常小，說明在這一時(shí)間段內(nèi)的噪聲主要由低頻段的單極子噪聲組成，而高頻的湍流噪聲還未完全產(chǎn)生，這與前述分析結(jié)果相似。

總體看來，通過對氣動(dòng)裝置排氣噪聲進(jìn)行時(shí)頻分析，可以反映出噪聲信號在時(shí)間域與頻域的變化及分布情況，從而更清楚地分析出排氣過程與輻射噪聲間的內(nèi)在聯(lián)系，了解噪聲的產(chǎn)生原因和聲源構(gòu)成等情況。

3 結(jié)論

本文通過短時(shí)傅里葉變換，對氣動(dòng)裝置的非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲進(jìn)行了時(shí)頻域分析，從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在寬頻帶的范圍內(nèi)各頻率的聲壓幅值都表現(xiàn)出脈沖沖擊特性；通過分析噪聲頻譜隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)排氣最初階段的噪聲主要由質(zhì)量流變化產(chǎn)生的單極子聲源為主，隨后由于噴注射流產(chǎn)生的湍流噪聲迅速增強(qiáng)并在排氣質(zhì)量流最大時(shí)使得總的噪聲幅值達(dá)到峰值，在排氣后期湍流噪聲迅速減弱，低頻噪聲逐漸衰減，直至排氣結(jié)束后一段時(shí)間完全降低到背景聲以下；由不同頻率噪聲的功率譜時(shí)域變化結(jié)果，除了可以分析得出氣動(dòng)裝置排氣噪聲的脈沖沖擊特性及馬鞍狀頻譜特點(diǎn)外，還可以發(fā)現(xiàn)PFC氣缸活塞復(fù)位時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊噪聲?？傮w來看，采用時(shí)頻分析方法能夠?qū)鈩?dòng)裝置非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、聲源組成以及輻射規(guī)律進(jìn)行更為全面的分析，為該噪聲的控制研究提供指導(dǎo)。

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