天線轉(zhuǎn)臺振動噪聲分析與試驗研究

朱曾輝，孟慶芹，施永柱

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

天線轉(zhuǎn)臺的動力傳動系統(tǒng)為齒輪系統(tǒng)。齒輪傳動系統(tǒng)在工作過程中受到同時發(fā)生嚙合的輪齒對數(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是動態(tài)的，從而造成齒輪系統(tǒng)振動。振動通過其傳動軸傳遞到軸承座，最終振動傳遞至天線轉(zhuǎn)臺齒輪箱的箱體，引起箱體側(cè)壁產(chǎn)生振動，同時通過空氣傳播噪聲。機電設(shè)備的振動噪聲主要來源于齒輪傳動過程中導(dǎo)致的機械振動[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)動態(tài)性能的關(guān)鍵指標。近年來，由于機械振動學以及聲學相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，機電系統(tǒng)的噪聲研究實現(xiàn)了較大的突破，其涉及領(lǐng)域更加廣泛。對于齒輪系統(tǒng)，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，探討分析其機械結(jié)構(gòu)振動以及噪聲的傳播、衰退和吸收抑制原理，對齒輪系統(tǒng)輻射的噪聲進行預(yù)報，同時采用合適的方案來減少齒輪系統(tǒng)的噪聲。這樣能有效提高機電產(chǎn)品的聲隱身性[3-5]。

本文對某天線轉(zhuǎn)臺進行噪聲實驗研究，通過不同工況下其振動加速度頻譜圖以及空氣噪聲頻譜圖，對天線轉(zhuǎn)臺進行噪聲源定位，為后續(xù)天線轉(zhuǎn)臺減振降噪提供指導(dǎo)性意見。

1 振動噪聲實驗測試方法及測試儀器

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

表1 測試系統(tǒng)組成

3個預(yù)極化電容傳聲器分別布置在與齒輪嚙合中心點的距離為1 m的3個方向，測點編號為1、2、3，測量天線轉(zhuǎn)臺的空氣噪聲值。4個單軸加速度傳感器分別貼敷在靠近輪齒嚙合處的4個方向上，測點編號為4、5、6、7，測量天線轉(zhuǎn)臺的橫向振動加速度。1個單軸加速度傳感器貼敷在轉(zhuǎn)臺的垂向端面上，測點編號為8，測量天線轉(zhuǎn)臺的垂向振動加速度。4種測試工況分別為空載轉(zhuǎn)臺15 r/min轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)臺30 r/min轉(zhuǎn)速、天線轉(zhuǎn)臺15 r/min轉(zhuǎn)速和天線轉(zhuǎn)臺30 r/min轉(zhuǎn)速。振動加速度和空氣噪聲測試完成后對實驗結(jié)果進行對比分析研究。

對天線轉(zhuǎn)臺進行噪聲測試時，傳聲器所有測點處的空氣流速應(yīng)不高于5 m/s。若空氣流速超過1 m/s時，預(yù)極化電容傳聲器均需加裝防風罩。距離所有傳聲器測點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)臺正常運轉(zhuǎn)工作時各傳聲器測點處的A計權(quán)聲壓級平均值應(yīng)比相應(yīng)測點背景噪聲的A計權(quán)聲壓級平均值高4 dB以上[6-7]。

2 天線轉(zhuǎn)臺振動噪聲分析

2.1 空氣噪聲分析

天線轉(zhuǎn)臺空氣噪聲測量過程為：天線轉(zhuǎn)臺正常運轉(zhuǎn)工作后，采用3個預(yù)極化電容傳聲器分別獲取相應(yīng)測點處的聲壓級信號，經(jīng)過LMS-SCM05數(shù)據(jù)采集器進行信號采集以及前處理，在LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對輸入的聲壓級空氣噪聲時域曲線進行FFT(快速傅里葉變換)，可獲取各傳聲器測點處的聲壓級空氣噪聲頻域響應(yīng)曲線。

圖2為天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級空氣噪聲頻譜圖，傳聲器3的A計權(quán)聲壓級最大，為57 dB(A)。

天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min時齒輪嚙合頻率為

圖3為對圖2的局部放大圖。由圖3可知，A計權(quán)聲壓級峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺空氣噪聲主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

圖4為天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級空氣噪聲頻譜圖，傳聲器3的A計權(quán)聲壓級最大，為74 dB(A)。

天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min時齒輪嚙合頻率為

圖5為對圖4的局部放大圖。由圖5可知，A計權(quán)聲壓級峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)嚙合傳動產(chǎn)生的。

2.2 振動加速度分析

天線轉(zhuǎn)臺振動加速度測量步驟為：天線轉(zhuǎn)臺正常運轉(zhuǎn)工作后，采用5個單軸加速度傳感器分別獲取相應(yīng)測點處的加速度級振動信號，經(jīng)過LMS-SCM05數(shù)據(jù)采集器進行信號采集以及前處理，在LMS Test.Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對輸入的振動加速度時域曲線進行FFT(快速傅里葉變換)，可獲取各單軸加速度傳感器測點處的振動加速度頻域響應(yīng)曲線。

圖6為天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動加速度頻譜圖。由于加速度傳感器6、7均貼敷在齒輪嚙合點附近，測量的是空載轉(zhuǎn)臺的橫向振動，齒輪嚙合作用力方向為水平方向，因此加速度傳感器6、7的振動加速度值較大。由于加速度傳感器8測量的是轉(zhuǎn)臺的垂向振動，因此其振動加速度值較小。加速度峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺振動主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

圖7為天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動加速度頻譜圖。由圖可知，加速度峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺轉(zhuǎn)速30 r/min的振動主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

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

3 空載轉(zhuǎn)臺振動噪聲分析

3.1 空氣噪聲分析

圖8為空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級空氣噪聲頻譜圖，傳聲器2的A計權(quán)聲壓級最大，為58.5 dB(A)。

圖9為對圖8的局部放大圖。由圖9可知，聲壓級峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺空氣噪聲主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

圖10為空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min傳聲器1、2、3的聲壓級空氣噪聲頻譜圖，傳聲器1的A計權(quán)聲壓級最大，為74 dB(A)。

圖11為對圖10的局部放大圖。由圖11可知，聲壓級峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺轉(zhuǎn)速30 r/min的空氣噪聲主要也是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

3.2 振動加速度分析

圖12為空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動加速度頻譜圖。振動加速度峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺的振動主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

圖13為空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min加速度傳感器4、5、6、7、8的振動加速度頻譜圖，振動加速度峰值點出現(xiàn)的頻率點為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)臺轉(zhuǎn)速30 r/min的振動主要是由于齒輪嚙合傳動產(chǎn)生的。

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

4 結(jié)束語

通過機械振動與噪聲測試平臺對天線轉(zhuǎn)臺進行了振動加速度以及空氣噪聲測試，實驗結(jié)果表明，隨著天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速由15 r/min增加到30 r/min，其最大A計權(quán)聲壓級空氣噪聲由57 dB(A)增加到74 dB(A)，空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速由15 r/min增加到30 r/min，其最大A計權(quán)聲壓級空氣噪聲由58.5 dB(A)增加到74 dB(A)。由于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速增大，齒輪系統(tǒng)傳動過程中所受到的動載荷變大，因此其空氣噪聲增大。相同轉(zhuǎn)速下，天線轉(zhuǎn)臺相對于空載轉(zhuǎn)臺其齒輪系統(tǒng)所受到的動載荷更大。但是，由于天線轉(zhuǎn)臺齒輪系統(tǒng)為閉式傳動，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，噪聲在對外傳播路徑上有所損失，因此相同轉(zhuǎn)速下天線轉(zhuǎn)臺和空載轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的空氣噪聲較為接近。4種工況下(天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min、天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min、空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速15 r/min、空載轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30 r/min)3個傳聲器測得的空氣噪聲峰值點出現(xiàn)的頻率點以及5個加速度傳感器測得的振動加速度峰值點出現(xiàn)的頻率點均為相應(yīng)齒輪嚙合頻率的倍頻。這表明天線轉(zhuǎn)臺的振動噪聲主要是由于齒輪系統(tǒng)嚙合傳動產(chǎn)生的。對齒輪系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及在天線轉(zhuǎn)臺側(cè)壁貼敷阻尼材料來降低齒輪系統(tǒng)因嚙合傳動產(chǎn)生的振動，可有效降低天線轉(zhuǎn)臺正常運轉(zhuǎn)工作時產(chǎn)生的空氣噪聲。