基于頻譜分析的挖掘機噪聲特性研究

1、基于頻譜分析的挖掘機噪聲特性研究基于頻譜分析的挖掘機噪聲特性研究73文章編號:1006-1355(2011)010073.04基于頻譜分析的挖掘機噪聲特性研究胡效東,彭智興,陳荔,鞏利曉(1.山東科技大學機械電子工程學院,山東青島266510;2.兗礦國泰化工有限公司,山東滕州277527)摘要:通過采集挖掘機柴油機的排氣噪聲,消聲器排氣噪聲,柴油機殼體輻射噪聲和操作室內(nèi)噪聲的聲壓信號,分析了空載條件下噪聲聲壓信號的頻譜特性,給出各噪聲信號在不同柴油機轉(zhuǎn)速下的a聲級噪聲值.得出結論:柴油機排出噪聲覆蓋高,中,低頻段;各噪聲頻譜特征比較類似;共振導致怠速時的柴油機振動比較大;各噪聲強度均隨柴油機

2、轉(zhuǎn)速的提高而增大;噪聲源以及消聲器排出噪聲的低頻段聲壓比較大的頻率均是柴油機轉(zhuǎn)速基頻的倍數(shù).關鍵詞:盧學;挖掘機;柴油機;噪聲;頻譜分析法中圖分類號:u464.134.4;tb535.2文獻標識碼:adoi編碼:10.3969.issn.100613552011.01.015noisecharacterstuofexcavatorbasedonspectrumanalysishxiaodong,pengzhi-xing,chenli,gongli-xiao(1.collegeofmechanicalandelectronicengineering,shandonguniversityofsci

3、enceandtechnology,qingdaoshandong266510,china;2.yankuangcathaycoalchemicalsco.ltd.,tengzhoushandong277527,china)abslraet:inthispaper,differentsoundsignalswithinexcavatoraregiven.thereincludingdieselengineexhaustionnoise,muffler,radiationnoiseofenginesshell,andinteriornoiseofcabinetc.thespectrumchara

4、cteristicsofthesoundsignalsinthenonloadingandloadedconditionareanalyzedandmeasured.itisconcludedthattheexhaustionnoisecovershigh,middleandlowfrequencybands;allkindsofnoisesignalshavesimilarspectrumcharacteristicsbutdifferentamplitudes;thevibrationoftheengineismuchlargeratidlespeedthantheothersduetot

5、heresonance;thenoiseintensityincreaseswhentheenginespeedup;thefrequenciesofthenoisesourcesandtheexhaustionnoiseofthemufflerwithlargeramplitudesinlowfrequencybandaremultiplesofrotationspeedofthedieselengine.keywords:acoustics;excavator;diesel;noise;spectrumanalysis工程機械的主要噪聲源有柴油機振動與噪聲,傳動系統(tǒng)噪聲,液壓噪聲和車體噪聲

6、等,其中柴油機噪聲又包括本體噪聲,進氣噪聲,排氣噪聲和冷卻風扇噪聲u.過高的噪聲會干擾駕駛員的聽力,危害工作人員的身體健康,影響工程施工的安全性.降低工程機械的振動和噪聲一直是提高其性能的主要研究方向之一.研究工程機械噪聲的方法主要有:基于有限元和邊界元的仿真法;實驗室研究噪聲的模擬法;豐動消聲的有源消聲法;試驗場地實地測量法等.但是由于聲波傳輸受溫度影響比較大收稿日期:20100322;修改日期:20100419作者簡介:胡效東(1971.),男,山東曹縣人,博士,目前從事噪聲與振動控制等方向研究.email:和內(nèi)燃機噪聲的復雜性,試驗測量仍然是研究工程機械最有效的

7、方法.本文主要通過測量某型號挖掘機的內(nèi)燃機輻射和排出噪聲,排氣消聲器的排氣噪聲,操作室內(nèi)噪聲等信號的測量,分析和總結,為工程機械噪聲治理提供一些參考結論.1挖掘機噪聲信號采集1.1挖掘機簡介本文所選用的履帶式挖掘機如圖1所示,圖中的序號為采集噪聲信號時對應的位置.該履帶式挖掘機的主要參數(shù)見表1,四缸四沖程康明斯柴油機的主要參數(shù)見表2.1.2噪聲信號采集系統(tǒng)挖掘機聲學性能試驗選擇在空曠的試驗場上夜噪聲與振動控制第1期間進行,試驗的環(huán)境噪聲a計權l(xiāng)/3倍頻程聲壓級為51.2db,環(huán)境風速比較小.液壓工作部分的噪聲特性不在本文的研究范圍.噪聲采集位置如圖1所/j.位置1為挖掘機操作室內(nèi)噪聲采集點,聲

8、級計位1操作室內(nèi)中間位置,傳感器向前方.圖1挖掘機外觀圖及洲量1=寺_置fig.1schemeofexcavatorandthemeasurementpositions1.測節(jié)操作審內(nèi)噪聲何置;2.測量柴油機排氣噪聲位置;3.測龜消盧器排氣噪聲位置;4.為測量柴油機腔壁輻射噪聲位置衷1實際研究挖掘機主要規(guī)格參數(shù)tab.1parametersofthepracticalexcavator表2實際研究柴油機主要參數(shù)tab.2parametersofthediesel位置2和3分別為柴油機排出噪聲和抗性消聲器排出噪聲采集位置.采用一個相同直徑的彎管安裝在和消聲器相同位置測量柴油機的排出噪聲信號,兩個

9、位置噪聲信號測量均按照gb/t4759(內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法的要求,采用距排氣管口0.5m,水平位置45.方向,并目傳聲器面對氣流方向進行測量;位置4為柴油機輻射噪聲信號采集位置,距離柴油機腔壁500mm處,信號采集時將該處的外殼打開.試驗裝置主要包括:f1)振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng):南京安正軟件工程有限公司;(2)聲級計:2230,丹麥b&k公刊.所采集信號豐要包括以上陰個位置,柴油機轉(zhuǎn)速為970r/min,1100r/min,1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200r/min等時各位置的噪聲信號,其中970r/min為怠速,2200r/min為額定

10、速度.2額定轉(zhuǎn)速下各噪聲信號分析實際操作表明,柴油機在額定轉(zhuǎn)速下的噪聲分貝值最大,所以此處主要研究柴油機額定轉(zhuǎn)速下挖掘機相關噪聲信號的頻譜分析.在進行頻譜分析時,為了能更好地表達噪聲信號的頻譜特性,對功率譜的幅值進行了調(diào)整,幅值超過定值部分被削平,如各圖中所示,被削平部分的頻譜特性第4部分進一步分析.2.1柴油機排出噪聲信號分析柴油機為額定轉(zhuǎn)速時的噪聲信號功率頻譜如圖2所示.在進行頻譜分析時,為了能更好地表達噪聲信號的頻譜特性,對功率譜的幅值進行了調(diào)整,幅值超過一定值部分被削平,如各圖中所示,被削平部分的頻譜特性存第4部分進一步分析.圖2柴油機排氣噪信弓頻fig.2signalspectrum

11、ofnoisedischargedofdiesel從圖2中噪聲源信號功率譜可以看出,柴油機噪聲信號主要在以卜幾個頻段聲壓值比較強烈:220-450r/min,850-1400r/min,1480-1550r/min,19402080r/min和25003000r/min幾個頻段.圖2可以看出來,柴油機排出噪聲覆蓋高,中,低頻.噪聲源聲壓信號隨著柴油機轉(zhuǎn)速的提高,逐漸增強.除了一些山于柴油機轉(zhuǎn)速的增加而增加的基于頻譜分析的挖掘機噪聲特性研究75基頻噪聲和相應諧波發(fā)生變化外,中高頻噪聲產(chǎn)生的機理并不隨之而變化.所以對于柴油機燃燒和排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲的產(chǎn)生頻段變化不大,由于柴油機轉(zhuǎn)速的提高增加了

12、柴油機燃燒和排氣的次數(shù),進而增加了相應頻段的噪聲強度.2.2柴油機腔壁輻射和風扇噪聲信號分析柴油機殼體輻射噪聲測量如圖3.測量時,聲學傳感器距離發(fā)動機側壁平面0.5m.測量得到的噪聲信號主要包括:發(fā)動機通過側壁輻射噪聲,風扇造成的流體紊流噪聲(發(fā)動機散熱風扇距離發(fā)動機比較近)等.圖3柴油機殼體輻射噪聲測量圖fig.3noiseradiatedofdieselmeasurement圖4為發(fā)動機輻射噪聲聲功率頻譜圖.從圖中可以看出,聲功率比較大的波段主要在350450hz,5501100hz,12001900hz,29503150hz,低于4000hz的中低頻段.4柴油機輻射噪聲信號頻譜圖fig.

13、4signalspectrumofnoiseradiatedofdiesel此處噪聲主要包括柴油機風扇噪聲,柴油機腔體輻射噪聲,主要噪聲頻段和柴油機排出噪聲比較相似,但是噪聲頻譜的幅值要小一些.從圖2和圖4對比也能看出來,柴油機腔體本身有一定的隔音所用,只有比較少頻段噪聲能從腔體傳出來.特別是柴油燃燒產(chǎn)生的高頻信號輻射出來比較少.但是對于和腔體共振頻率比較接近的頻段復制比較高,如圖4所示,8002000hz頻段的噪聲信號比噪聲源噪聲幅值還要高.2.3消聲器排氣噪聲信號特性分析圖5為裝上消聲器后,排氣系統(tǒng)排出噪聲的功率譜.可以看出來,消聲器對中高頻有很好的消聲效果,功率幅值大幅度降低.但是在中低

14、頻段仍然有較強的噪聲信號,主要是消聲器未能消去的噪聲信號,但是也不排除一些環(huán)境噪聲的影響.丑珀髓報駕整褂卷1jill,il.jj圖5消聲器排氣噪聲信號頻譜fig.5signalspectrumofnoiseexchangedoutofmuffler2.4挖掘機操作室內(nèi)噪聲信號分析圖6為挖掘機操作室內(nèi)噪聲信號頻譜圖,挖掘機經(jīng)過消聲器消聲和挖掘機機箱隔音之后采集到的噪聲信號.從圖6看出,操作室內(nèi)的噪聲信號比較弱,信號幅值最高的頻率幅值不到40,絕大部分頻率噪聲信號頻譜幅值低于4,而柴油機額定轉(zhuǎn)速下的噪聲a聲級在為72.4db.圖6挖掘機操作室內(nèi)噪聲信號頻譜圖fig.6signalspectrumo

15、fnoiseinthemanipulateroom3低頻段噪聲信號分析在低頻段功率譜比較高的幅值所對應的頻率和2010年2月噪聲與振動控制第1期柴油機轉(zhuǎn)速之間的關系.對于本文四缸四沖程的柴油機來講,柴油機轉(zhuǎn)速與內(nèi)燃機完成做功頻率之間的關系為l廠齋(hz)其中,柴油機完成做功頻率,hz;:柴油機轉(zhuǎn)速,r/min;/:柴油機每旋轉(zhuǎn)一周完成的做功次數(shù),對于四缸四沖程柴機油機,船=2.比如柴油機轉(zhuǎn)速為2000r/min時,對于四缸四沖程的柴油機來說,完成完整做功的頻率為燃燒的基頻為66.7hz.經(jīng)過對柴油機排出噪聲,柴油機殼體輻射噪聲,消聲器排出噪聲和駕駛室內(nèi)噪聲信號在970r/min,1100r/m

16、in,1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200r/min轉(zhuǎn)速下的各噪聲信號功率頻譜分析,發(fā)現(xiàn)低頻段噪聲聲壓比較高的頻率基本上都是柴油機做功頻率的倍數(shù),特別是在1倍,2倍,3倍和四倍頻率上,頻譜的幅值比較高.也就是說這些頻率信號的幅值大小比較有代表性,現(xiàn)整理如表3所示.表3各基頻噪聲信號頻譜幅值對應表tab.3amplitudecomparisonsofnoisespectrums為970r/min和1100r/min時由于挖掘機共振等現(xiàn)象,造成噪聲信號比較大,相比較而言區(qū)別不是很大.但是柴油機轉(zhuǎn)速為1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200

17、r/min時,各頻率的噪聲信號基本上都是轉(zhuǎn)速的增高而變大.所以主要分析柴油機轉(zhuǎn)速較高的幾種情況.噪聲信號各頻率功率譜幅值隨著柴油機轉(zhuǎn)速的提高而增大.由于柴油機本身對與高頻噪聲具有較好的消聲效果,而對于低頻噪聲的消聲效果要差一些.對于柴油機排出噪聲中的低頻信號消聲效果差一些,在表1中能看出來.但是遠超過消聲器排出噪聲信號,看來本消聲器對柴油機產(chǎn)生的低頻噪聲有比較好的消聲效果.柴油機殼體輻射噪聲除了內(nèi)部活塞,曲軸,連桿與殼體的機械噪聲之外,還有柴油機燃燒噪聲輻射出來的噪聲.和柴油機燃燒噪聲相比,柴油機殼體輻射噪聲聲壓小得多.但是和消聲器排出噪聲相比,輻射噪聲還受柴油機散熱風扇噪聲的污染.室內(nèi)低頻噪

18、聲功率譜幅值都比較小,只有柴油機燃燒的基頻噪聲幅值比較高.這個是由于各項附件振動頻率等于內(nèi)燃機燃燒基頻,產(chǎn)生的噪聲通過機械構件和操作室殼體傳到操作室內(nèi)部.經(jīng)過操作室的過濾,其它頻率的噪聲均大大降低.4各位置a聲級噪聲對比分析圖7為柴油機排出噪聲,柴油機殼體輻射噪聲,消聲器排出噪聲和駕駛室內(nèi)噪聲信號的a聲級分貝值隨柴油機轉(zhuǎn)速的變化情況.互烏乏圖7各噪聲a聲級值隨隨柴油機轉(zhuǎn)速的變化情況fig.7comparisonsofnoisedecibelwithdifferentrotations由于柴油機的設定轉(zhuǎn)速和實際調(diào)整轉(zhuǎn)速之間有些許偏差,表3中給出的都是實際轉(zhuǎn)速條件下的幅各噪聲均隨柴油機轉(zhuǎn)速的增加而

19、增加,并且柴值,雖然有些偏差,但是不影響對噪聲信號的分析結油機排出噪聲最大,發(fā)動機腔壁和風扇噪聲次之,消果.聲器出口再次,室內(nèi)噪聲最小.從表1可以看出來,低頻段噪聲存柴油機轉(zhuǎn)速(下轉(zhuǎn)第85頁):2:8剛構一連續(xù)梁橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計856結語大型橋梁結構的健康監(jiān)測是一個非常復雜的系統(tǒng)問題,涉及土木工程,力學,測試技術,計算機,圖形學,通信等多門學科.本文以金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設為背景,對剛構.連續(xù)梁橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)作了研究,結合剛構.連續(xù)梁橋的特點和具體結構形式,構造了一個科學合理的健康監(jiān)測系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容,組成和功能.本文的研究對金水溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設有科學指導的作用,為今后

20、同類型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)建設提供參考.參考文獻:繆長青,李愛群,韓曉林,等.潤揚大橋結構健康監(jiān)測策略jl東南大學(自然科學版),2005,35(5):780785.2宗周紅,孫建林,徐立群,等.下白石大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究j鐵道,2008,30(5):65-71.3繆長青,李愛群,馮兆祥,等.潤揚大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計研究j.世界橋梁,2006(3):6366.4】楊雅勛.基于動力測試的橋梁結構損傷識別與綜合評估理論研究d.西安:長安大學博士學位論文,2008.5吳小平.復雜橋梁結構綜合監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)研究d.杭州:浙江大學博士學位論文,2005.6王若林.橋梁實時在線檢測與健康監(jiān)測若干

21、問題研究.武漢:武漢大學博士學位論文,2005.【7】張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設計j.同濟大學,2001,29(1):65.69.8余波,邱洪興,王浩,等.蘇通大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計j.地震工程與工程振動,2009,29(4):170177.9謝開仲,韋立林,李海.鋼管混凝土拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究j.廣西大學(自然科學版),2009,34(2):127.130.10蘇木標,杜彥良,孫寶臣,等.蕪湖長江大橋長期健康監(jiān)測與報警系統(tǒng)研究j.鐵道,2007,29(2):71.76.0.c.o.c.o.o.0(上接第76頁)但是當柴油機轉(zhuǎn)速為970r/min時,柴油機輻射參考文獻:噪聲比排出噪聲還高,實際上是由于機械結構自身1蔣真平,周守艷.工程機械噪盧與控制分析j.建筑機的原因而產(chǎn)生共振造成的,當頻率進一步升高時,則械2007,4:8184.振動幅度明顯降低.2pospiech,lucyna.theinfluenceofvibrationonthe壹士五hearingorganandthevestibule