基于聲學(xué)頻譜的液壓主泵噪聲分析

朱聰聰，蘇俊收，薛　卡

（1.徐工集團工程機械有限公司，江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州221004；2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州221004）

0　引言

隨著國家對工程機械噪聲排放的要求日益嚴格，特別是歐美高端市場的嚴格要求，工程機械的噪聲問題受到越來越多的重視[1]，主泵作為工程機械液壓系統(tǒng)的核心部件，其工作中自身引起的噪聲也是工程機械的主要噪聲源。本文以某型中挖主泵為例，研究兩種主流主泵（以下標記為A型、B型）在挖掘機整機工作負荷狀態(tài)下的噪聲特性，對其進行頻譜分析，識別噪聲關(guān)鍵信號，為主泵選型提供參考[2]。

1　實驗條件及參數(shù)設(shè)置

1.1　實驗條件

以配置A型和B型主泵的同型挖掘機主機為測試對象進行實驗。

現(xiàn)場環(huán)境噪聲40 dB，周圍50 m內(nèi)無明顯反射物，傳聲器距離主泵端面1 m距離，正對主泵，傳聲器的軸線靠近主泵主軸線，A型、B型主泵的主機測試轉(zhuǎn)速從高到低各測試4個檔位，為保證獲得比較穩(wěn)定的噪聲信號，采用溢流憋壓的加載條件，溢流時間為10 s.

1.2　儀器參數(shù)設(shè)置

數(shù)采儀分析頻率為5 000 Hz，奈奎斯特采樣因子為2.56.

1.3　發(fā)動機各檔怠速下及憋壓下轉(zhuǎn)速

兩車各擋怠速及憋壓下轉(zhuǎn)速見表1.

表1　兩車各擋怠速及憋壓下轉(zhuǎn)速

2　噪聲頻譜分析

2.1　A型主泵噪聲分析

通過分析每個檔位下加載及卸載的整個過程中的聲壓變化，可以準確識別出加載下才會產(chǎn)生的噪聲頻率，圖1為二檔下整個運行過程的瀑布圖，圖中縱坐標為時間歷程，圖中頻率的偏移表明進行了三次加載，時間分辨率為0.25 s，頻率分辨率為1 Hz[3].

圖1　二檔下聲壓瀑布圖

從圖1中可以看出，加載后18倍頻下存在聲壓的增強以及轉(zhuǎn)速的下降，因為主泵為兩個9柱塞的串聯(lián)泵，每個柱塞都是錯開的，所以18倍分量為主要分量，忽略18倍以后的主泵噪聲分量。加載過程中的聲壓幅值譜圖如圖2，其中3倍頻為發(fā)動機點火頻率，最大聲壓幅值來自18倍頻率分量。圖3為二檔怠速過程中的聲壓幅值譜圖，通過圖2和圖3可以看到頻率的偏移及幅值的變化。

圖2　二檔加載下聲壓頻譜圖

圖3　二檔怠速下聲壓頻譜圖

通過識別不同檔位的怠速及加載下聲壓幅值譜，來識別關(guān)鍵的3倍、9倍及18倍分量聲壓變化，如圖3所示。

從圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速降低，A型主泵的噪聲是18倍分量噪聲占優(yōu)，特別在2檔下，18倍分量的噪聲非常大。

圖4A型主泵車各檔位主要頻率下的聲壓曲線

2.2　B型主泵噪聲分析

圖5為B型主泵三檔下，典型的三次加載的聲壓瀑布圖，時間分辨率為0.25 s，頻率分辨率為1 Hz.從中可以看出9倍分量下聲壓高于18倍分量下聲壓，忽略18倍以后的主泵噪聲分量，與A型主泵聲壓特性完全不同，圖6為加載下的聲壓頻譜圖，顯示9倍分量下幅值非常高，18倍分量反而很低，而圖7的怠速條件下9倍分量由于太小而未標出。圖8為格擋轉(zhuǎn)速下主要聲壓分量的對比圖。

圖5　三檔下聲壓瀑布圖

圖6　三檔加載下聲壓頻譜圖

圖7　三檔怠速下聲壓頻譜圖

圖8　B型主泵車各擋位主要頻率下的聲壓曲線

從圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速降低，B型主泵的噪聲主要是9倍分量的貢獻，18倍分量隨轉(zhuǎn)速明顯下降。

3　最大噪聲的對比分析

從圖4及圖8可以看出，兩臺主泵的最高聲壓相差不大，將每個主泵的最高聲壓提取出來，對比其聲壓級。

兩個關(guān)鍵噪聲分量提取后，對其進行A計權(quán)，計權(quán)曲線通過數(shù)據(jù)擬合獲得，擬合方程[4]為：

式中x＝lg10（f）為取對數(shù)后的頻率，A計權(quán)曲線如圖9所示。

圖9　A計權(quán)擬合曲線

通過表2可以看出，B型低噪聲主泵噪聲低是利用了人耳對低頻不明感的特點，因為兩個主泵其最大噪聲幅值基本不變[5]，但是頻率相差很大導(dǎo)致計權(quán)后聲壓差異大，合成后兩個主泵最高聲壓相差5.23 dB.

表2　兩款主泵聲壓及聲壓級

4　結(jié)束語

（1）通過以上聲學(xué)頻譜分析可以看出，在兩項關(guān)鍵頻率噪聲上，B型主泵的噪聲比A型主泵的計權(quán)聲壓低5.23 dB.

（2）B型低噪聲泵噪聲低的主要原因是因為噪聲的主要頻率分量是9倍頻，而A型主泵噪聲的主要分量在18倍頻，通過帶通濾波及噪聲回放確定A型主泵類似電鋸的嘯叫聲來自于主泵18倍分量。

（3）利用聲學(xué)的頻譜分析法可以快速鎖定目標頻率和幅值，提高分析效率，為主泵的選擇及評價提供一定的參考依據(jù)。