天線轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)噪聲分析與試驗(yàn)研究

朱曾輝，孟慶芹，施永柱

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

天線轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為齒輪系統(tǒng)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中受到同時(shí)發(fā)生嚙合的輪齒對(duì)數(shù)改變、輪齒受到外力作用下導(dǎo)致的彈性變形和齒輪加工裝配過程中產(chǎn)生的誤差等因素的影響。齒輪受到的嚙合激勵(lì)是動(dòng)態(tài)的，從而造成齒輪系統(tǒng)振動(dòng)。振動(dòng)通過其傳動(dòng)軸傳遞到軸承座，最終振動(dòng)傳遞至天線轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪箱的箱體，引起箱體側(cè)壁產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)通過空氣傳播噪聲。機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于齒輪傳動(dòng)過程中導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)[1-2]。

齒輪系統(tǒng)的噪聲分為結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲，其中結(jié)構(gòu)噪聲是分析齒輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。近年來(lái)，由于機(jī)械振動(dòng)學(xué)以及聲學(xué)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電系統(tǒng)的噪聲研究實(shí)現(xiàn)了較大的突破，其涉及領(lǐng)域更加廣泛。對(duì)于齒輪系統(tǒng)，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，探討分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及噪聲的傳播、衰退和吸收抑制原理，對(duì)齒輪系統(tǒng)輻射的噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，同時(shí)采用合適的方案來(lái)減少齒輪系統(tǒng)的噪聲。這樣能有效提高機(jī)電產(chǎn)品的聲隱身性[3-5]。

本文對(duì)某天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)研究，通過不同工況下其振動(dòng)加速度頻譜圖以及空氣噪聲頻譜圖，對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行噪聲源定位，為后續(xù)天線轉(zhuǎn)臺(tái)減振降噪提供指導(dǎo)性意見。

1 振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及測(cè)試儀器

基于LMS數(shù)據(jù)采集器，搭建了機(jī)械振動(dòng)與噪聲測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。表1為測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成。

表1 測(cè)試系統(tǒng)組成

3個(gè)預(yù)極化電容傳聲器分別布置在與齒輪嚙合中心點(diǎn)的距離為1 m的3個(gè)方向，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1、2、3，測(cè)量天線轉(zhuǎn)臺(tái)的空氣噪聲值。4個(gè)單軸加速度傳感器分別貼敷在靠近輪齒嚙合處的4個(gè)方向上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為4、5、6、7，測(cè)量天線轉(zhuǎn)臺(tái)的橫向振動(dòng)加速度。1個(gè)單軸加速度傳感器貼敷在轉(zhuǎn)臺(tái)的垂向端面上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為8，測(cè)量天線轉(zhuǎn)臺(tái)的垂向振動(dòng)加速度。4種測(cè)試工況分別為空載轉(zhuǎn)臺(tái)15 r/min轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)臺(tái)30 r/min轉(zhuǎn)速、天線轉(zhuǎn)臺(tái)15 r/min轉(zhuǎn)速和天線轉(zhuǎn)臺(tái)30 r/min轉(zhuǎn)速。振動(dòng)加速度和空氣噪聲測(cè)試完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究。

對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，傳聲器所有測(cè)點(diǎn)處的空氣流速應(yīng)不高于5 m/s。若空氣流速超過1 m/s時(shí)，預(yù)極化電容傳聲器均需加裝防風(fēng)罩。距離所有傳聲器測(cè)點(diǎn)1 m的范圍中不允許存在反射面以及其他設(shè)備(除地面外)。天線轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)各傳聲器測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)平均值應(yīng)比相應(yīng)測(cè)點(diǎn)背景噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)平均值高4 dB以上[6-7]。

2 天線轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)噪聲分析

2.1 空氣噪聲分析

天線轉(zhuǎn)臺(tái)空氣噪聲測(cè)量過程為：天線轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作后，采用3個(gè)預(yù)極化電容傳聲器分別獲取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)信號(hào)，經(jīng)過LMS-SCM05數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)采集以及前處理，在LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)輸入的聲壓級(jí)空氣噪聲時(shí)域曲線進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)，可獲取各傳聲器測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)空氣噪聲頻域響應(yīng)曲線。

圖2為天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級(jí)空氣噪聲頻譜圖，傳聲器3的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，為57 dB(A)。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)齒輪嚙合頻率為

圖3為對(duì)圖2的局部放大圖。由圖3可知，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為167、235、432、531、929、962、1 064 Hz。以上頻率均是齒輪嚙合頻率33.25 Hz的倍頻，表明天線轉(zhuǎn)臺(tái)空氣噪聲主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

圖4為天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級(jí)空氣噪聲頻譜圖，傳聲器3的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，為74 dB(A)。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min時(shí)齒輪嚙合頻率為

圖5為對(duì)圖4的局部放大圖。由圖5可知，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為133、330、399、598、1 064、1 130 Hz。以上頻率均是齒輪嚙合頻率66.5 Hz的倍頻。和轉(zhuǎn)速15 r/min一樣，天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min的空氣噪聲主要也是由于齒輪系統(tǒng)嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

2.2 振動(dòng)加速度分析

天線轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)加速度測(cè)量步驟為：天線轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作后，采用5個(gè)單軸加速度傳感器分別獲取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的加速度級(jí)振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過LMS-SCM05數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)采集以及前處理，在LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)輸入的振動(dòng)加速度時(shí)域曲線進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)，可獲取各單軸加速度傳感器測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度頻域響應(yīng)曲線。

圖6為天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動(dòng)加速度頻譜圖。由于加速度傳感器6、7均貼敷在齒輪嚙合點(diǎn)附近，測(cè)量的是空載轉(zhuǎn)臺(tái)的橫向振動(dòng)，齒輪嚙合作用力方向?yàn)樗椒较?，因此加速度傳感?、7的振動(dòng)加速度值較大。由于加速度傳感器8測(cè)量的是轉(zhuǎn)臺(tái)的垂向振動(dòng)，因此其振動(dòng)加速度值較小。加速度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為167、432、531、962、1 064 Hz。以上頻率均是齒輪嚙合頻率33.25 Hz的倍頻，表明天線轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

圖7為天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動(dòng)加速度頻譜圖。由圖可知，加速度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為399、1 064、1 130、1 266 Hz。以上頻率都是齒輪嚙合頻率66.5 Hz的倍頻。和轉(zhuǎn)速15r/min一樣，天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min的振動(dòng)主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

綜上可知，天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為15 r/min和30 r/min的振動(dòng)噪聲主要是由于齒輪系統(tǒng)嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

3 空載轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)噪聲分析

3.1 空氣噪聲分析

圖8為空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級(jí)空氣噪聲頻譜圖，傳聲器2的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，為58.5 dB(A)。

圖9為對(duì)圖8的局部放大圖。由圖9可知，聲壓級(jí)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為100、299、532、565 Hz。以上頻率均為齒輪嚙合頻率33.25 Hz的倍頻。由此可知，空載轉(zhuǎn)臺(tái)空氣噪聲主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

圖10為空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級(jí)空氣噪聲頻譜圖，傳聲器1的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大，為74 dB(A)。

圖11為對(duì)圖10的局部放大圖。由圖11可知，聲壓級(jí)峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為1 006、1 064、1 094 Hz。以上頻率均為齒輪嚙合頻率66.5 Hz的倍頻，表明空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min的空氣噪聲主要也是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

3.2 振動(dòng)加速度分析

圖12為空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動(dòng)加速度頻譜圖。振動(dòng)加速度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為100、433、532 Hz。以上頻率都是其齒輪嚙合頻率33.25 Hz的倍頻。由此可知，空載轉(zhuǎn)臺(tái)的振動(dòng)主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

圖13為空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動(dòng)加速度頻譜圖，振動(dòng)加速度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)為599、944、1 064、1 125 Hz。以上頻率都是其齒輪嚙合頻率66.5 Hz的倍頻，表明空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min的振動(dòng)主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

由以上可知，空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為15 r/min和30 r/min的振動(dòng)噪聲主要是由于齒輪嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過機(jī)械振動(dòng)與噪聲測(cè)試平臺(tái)對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)加速度以及空氣噪聲測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速由15 r/min增加到30 r/min，其最大A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)空氣噪聲由57 dB(A)增加到74 dB(A)，空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速由15 r/min增加到30 r/min，其最大A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)空氣噪聲由58.5 dB(A)增加到74 dB(A)。由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速增大，齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)過程中所受到的動(dòng)載荷變大，因此其空氣噪聲增大。相同轉(zhuǎn)速下，天線轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于空載轉(zhuǎn)臺(tái)其齒輪系統(tǒng)所受到的動(dòng)載荷更大。但是，由于天線轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪系統(tǒng)為閉式傳動(dòng)，齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過頂部天線艙側(cè)壁的反射吸收，噪聲在對(duì)外傳播路徑上有所損失，因此相同轉(zhuǎn)速下天線轉(zhuǎn)臺(tái)和空載轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的空氣噪聲較為接近。4種工況下(天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min、天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min、空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速15 r/min、空載轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30 r/min)3個(gè)傳聲器測(cè)得的空氣噪聲峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)以及5個(gè)加速度傳感器測(cè)得的振動(dòng)加速度峰值點(diǎn)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)均為相應(yīng)齒輪嚙合頻率的倍頻。這表明天線轉(zhuǎn)臺(tái)的振動(dòng)噪聲主要是由于齒輪系統(tǒng)嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的。對(duì)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及在天線轉(zhuǎn)臺(tái)側(cè)壁貼敷阻尼材料來(lái)降低齒輪系統(tǒng)因嚙合傳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，可有效降低天線轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)產(chǎn)生的空氣噪聲。