基于時頻分析的非穩(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

氣動裝置如氣動摩擦離合器（PFC）和氣動摩擦制動器（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力源驅(qū)動零部件的運(yùn)動。氣動裝置在工作時需經(jīng)常進(jìn)行進(jìn)排氣操作，特別是排氣動作時，氣缸內(nèi)的氣體在短時間內(nèi)通過氣動閥排出到大氣中，會產(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，同時會嚴(yán)重危害車間工人的身心健康[1-3]。

氣動裝置非穩(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間變化的規(guī)律等[7]。因此有必要通過時頻分析手段，即采用時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表征該氣動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 氣動裝置排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 氣動排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的氣動系統(tǒng)包括氣源、氣缸、氣動閥、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，通過氣動閥及管道流入氣缸內(nèi)，控制氣動裝置動作；隨后氣動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 氣動排氣系統(tǒng)的工作原理

圖1所示氣缸為一個單作用氣缸，這種單作用氣缸被廣泛應(yīng)用于氣動執(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，氣缸內(nèi)的活塞被高壓氣體推動，摩擦盤接合；而當(dāng)排氣時，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)脫離動作。氣動閥與排氣過程的空氣動力學(xué)特性密切相關(guān)，通?？梢圆捎枚蝗〒Q向閥來實(shí)現(xiàn)氣缸的進(jìn)氣和排氣的切換，有時也會設(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作。圖1中的氣動閥為一個電氣比例換向閥（如日本SMC公司生產(chǎn)的VY1700型氣動閥）。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 氣動排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

氣動閥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，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，排氣端閥芯閉合，調(diào)節(jié)活塞下壓帶動進(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，進(jìn)氣端閥芯閉合，調(diào)節(jié)活塞上升帶動排氣端的閥芯開啟，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的直接排氣過程所輻射的噪聲。氣動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噪聲進(jìn)行測量，傳聲器和聲級計(jì)設(shè)置在距離氣動閥排氣口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 短時傅里葉變換

短時傅里葉變換作為最早提出的一種時頻分析方法，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)到時域的局部化，短時傅里葉變換采用加窗的方式，隨時間窗的移動對信號進(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變特性。給定一個時間寬度很短的窗函數(shù)w（t），隨著時間窗的滑動，信號 x（t）的短時傅里葉變換（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，在等間隔的時間和頻率網(wǎng)格點(diǎn)（mΔt，nΔf）處采樣，以 Δt和 Δf分別作為時間變量和頻率變量的采樣間隔，則短時傅里葉變換的離散形式為：

2.2 氣動裝置排氣噪聲的時頻分析

2.2.1 排氣噪聲的時頻域聲壓級結(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，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)行短時傅里葉變換，采用海明窗作為窗函數(shù)，時間間隔1.25ms，頻譜分辨率100Hz，并計(jì)算時頻域上的聲壓級，如圖3所示，其中排氣過程從0.045s處開始。

圖3 氣動裝置排氣噪聲信號的時頻域聲壓級

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

2.2.2 排氣噪聲不同時刻的功率譜密度

為了反映出氣動裝置排氣噪聲的頻譜隨時間的變化規(guī)律，圖4給出了在不同時間段的噪聲信號功率譜圖。選取的幾個時間段中心點(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（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 排氣噪聲在不同時刻的功率譜密度

2.2.3 排氣噪聲各頻率功率譜密度隨時間的變化

圖5是氣動裝置排氣噪聲信號在不同頻率的功率譜密度隨時間變化的結(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間變化結(jié)果

從圖5可以看出，各頻率噪聲的功率譜隨時間的變化有明顯的起伏，其幅值脈動基本和總的噪聲時域聲壓幅值波動接近，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)位時產(chǎn)生的機(jī)械沖擊噪聲，這從單純的時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氣缸通過氣動閥VY1700直接排氣時產(chǎn)生的氣動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，通過對氣動裝置排氣噪聲進(jìn)行時頻分析，可以反映出噪聲信號在時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

本文通過短時傅里葉變換，對氣動裝置的非穩(wěn)態(tài)排氣噪聲進(jìn)行了時頻域分析，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)束后一段時間完全降低到背景聲以下；由不同頻率噪聲的功率譜時域變化結(jié)果，除了可以分析得出氣動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)位時產(chǎn)生的機(jī)械沖擊噪聲。總體來看，采用時頻分析方法能夠?qū)鈩友b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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