（机械制造及其自动化专业论文）滚动转子压缩机降噪机理及其应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着人民生活质量的提高，作为现代生活高质量标志之一的空调器， 其噪声越来越受到人们的重视，制冷压缩机作为空调的主要噪声源，其低 噪声设计已经成为各大企业和研究机构研究的重点。论文分析了国内外现 代信号分析和空调压缩机的研究现状和发展趋势，论文紧密结合滚动转子 压缩机减振降噪研究的实际应用，设计开发出了适用于振动噪声测试、结 构动力学分析的信号采集处理分析系统，对滚动转子压缩机的噪声源识别 和减振降噪机理及现代信号分析技术进行了深入系统的研究，取得了实 效。主要工作及创造性成果如下： 提出了利用v x d 来实现硬件中断响应，并运用d m a 控制原理实现了 高速数据传输，克服了w i n d o w s 操作系统多任务功能及消息映射机制所带 来的实时性差的弊端，从而实现采集和分析的实时性，开发出适用于振动 噪声测试、结构动力学分析和机械在线检测的信号采集分析系统。并对时 频分析、小波分析等现代信号分析方法理论及其实现进行了研究，为滚动 转子压缩机的噪声源辨识打下了基础。 提出了将复杂噪声源层次识别法应用到滚动转予压缩机噪声源识别 中去进行精确噪声源识别，拓展了滚动转子压缩机噪声源识别辨识方法。 提出了对滚动转子压缩机消声器采用填充粘土实验试凑的方法改变 消声器结构，进而改变压缩机消声器消声特性，降低压缩机排气噪声，该 测试评价方法具有简易性和速度快的特点，减少了常用方法的缺陷。 提出了新型的内插管双扩张室消声器，计算了其消声特性。根据声学 原理，推导建立了全面反映单级扩张式消声参数作用的通用设计公式。并 建立了优化设计模型，得到了各参数的最优解。 基于接合面阻尼与库仑摩擦阻尼的机理，创造性地提出了用压缩机双 层壳体结构代替现在的单层壳体，从而加大结构的阻尼，改变结构的共振 峰，并且降低固体传声，降低壳体辐射噪声，并对降噪机理进行了实验分 析，提出了对该研究的迸一步改进工作和展望。 关键词：滚动转子压缩机减振降噪信号采集分析消声器双层壳体 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n gl e v e lo f p e o p l e sl i f e ，n o i s eo fa i r - c o n d i t i o n ，w h i c hi so n eo f s y m b o l so fh i 曲q u a l i t yl i f e ，i sa t t a c h e dm o r ei m p o r t a n c e a sm a i nn o i s es o u r c eo f a i r - c o n d i t i o n ，l o wn o i s ed e s i g no fr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rh a sb e c o m eo n eo f r e s e a r c h k e y s t o n e s o fm a n yr e s e a r c h o r g a n i z a t i o n s a n d e n t e r p r i s e s i n t e g r a t i n g p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f n o i s er e d u c t i o no fr o t a r yp i s t o nc o m p r e s s o r , t h ed i s s e r t a t i o n d e s i g n sa n dd e v e l o p st h es y s t e mo fs i g n a lc o l l e c t i o na n da n a l y s i st ot e s tv i b r a t i o n a n d n o i s ea n da n a l y z es t r u c t u r ed y n a m i c s f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e t h e o r yo f n o i s er e s o u r c e ，n o i s er e d u c t i o na n dm o d e m s i g n a la n a l y s i sa n d s o l v e ss o m e p r o b l e mo f t h e o r y a n d p r a c t i c e t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h er e s e a r c ho fp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fd a t ac o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r du s i n g v x dt oa c c o m p l i s hb r e a kr e s p o n s eo f h a r d w a r ea n du t i l i z i n gc o n t r o lp r i n c i p l eo f d m a t or e a l i z ed a t at r a n s f e ro f h i g h s p e e d s ot h ed i s s e r t a t i o nc o n q u e r st h ed e f e c to fb a dr e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i co fw i n d o w s b e c a u s eo fm u l t i t a s kf u n c t i o na n dm e s s a g em a p p i n ga n da c c o m p l i s hr e a l - t i m eo f c o l l e c t i o na n da n a l y s i s a n dt h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h es y s t e mo fs i g n a lc o l l e c t i o na n d a n a l y s i st ot e s tv i b r a t i o n a n dn o i s ea n da n a l y z es t r u c t u r ed y n a m i c s t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e s t h e o r y o fm o d e m s i g n a la n a l y s i s s u c ha s t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i sa n d u s es t f td i s t r i b u t i o na n dw a v e l e t a n a l y s i st op r o c e s sn o i s es i g n a lo f r o t a r yc o m p r e s s o n s t a r t i n gw i t he x p e r i m e n t s ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e o r yo f n o i s er e s o u r c e i d e n t i f i c a t i o na n du s e st h em e t h o d so fs p e c t r u ma n dc e p s t r u ma n a l y s i st oi d e n t i f yt h e n o i s er e s o u r c e a n di tu s e st h en e wm e t h o do fh i e r a r c h yi d e n t i f i c a t i o no fc o m p l e x n o i s er e s o u r c et of k n nn o i s er e s o u r c eo fc o m p r e s s o ra c c u r a t e l ya n de x t e n dt h e m e t h o d so f n o i s er e s o u r c ei d e n t i f i c a t i o no f r o t a r yp i s t o nc o m p r e s s o r w eu s e dt h em e t h o do fe x p e r i m e n tt oc h a n g et h ec a v i t yv o l u m eo fm u f f l e rt o i m p r o v ee x t i n c t i o nc h a r a c t e ra n dr e s o n a n c ev i b r a t i o no fg a sc o l u m na n dt or e d u c e a b s t m c t n o i s eo f c o m p r e s s o r a n d t h em e t h o dh a sc h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l e a n d h i g hs p e e da n d r e d u c ed e f e c t so fc o m m o nm e t h e o d s u s i n g f o u r l o a dm e t h o dt o a n a l y z em u f f l e r s ，t h e d i s s e r t a t i o n d e s i g n s n e w t w o e x p a n s i o nc h a m b e r m u f f l e ra n d a n a l y z e st h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fi t t h e n m o d e l o f o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sm a d eu p a n do p t i m u ms o l u t i o ni sg o t b a s e dd a m p i n gp r i n c i p l e so fc o n n e c t i n gs u r f a c ea n dc o u l o m bf r i c t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r t hn e wi d e ao ft h et w o l a y e rs h e l ls t r u c t u r ef o rc o m p r e s s o rs h e l l a n d a n a l y z ep r i n c i p l eo f n o i s er e d u c t i o nb y e x p r i m e n t i n t h ee n d ，t h ed i s s e r t a t i o np u t f o r w a r dn e x tw o r ka n d p r o s p e c t o f t h i sr e s e a r c h k e y w o r d s ：r o t a r yp i s t o nc o m p r e s s o r , n o i s er e d u c t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s ，m u f f l e r , t w o - l a y e r s h e l l i i i 独创性声明 本入声鞠所呈突韵学位论文是本久在辱辉搿导下进行的研究工作和取得的 磺爽成果，豫了文中特别加以标漫秘致谢之处外，谂文中不包含其仇人已经发表 或撰写避豹研究残杀，也不包含为获得鑫逮盘鲎袋其他激育枫构静学位或涯 书嚣使恩过躲材料。与我一月工雅的 司志对零研究所傲的镬何贡献均融在论文中 作了踊确懿说鹱并表示了谢意。 学位论文作者签名：稿蓉烈签字目期：占年? 善旁f 醋 学位论文版权使用授权书 零学植论文 乍溃完全了解蠡凄基鲎有关保留、使用学位论文的蕊定。 待授衩叁凄盘堂可以将学位论文的全部藏部分内容编入有关数据簿溅稃检 索，并采用影印、缩印或掐攒等复箍4 手段保存、汇编以供查阅和诺阅。黼意学校 商国家商关部门或枫梅送交谂文的复印件翻磁盘。 ( 傈密的学位论文在解密赢适壤本授权说鞠) 学位论文作者签名：高芸烈导9 纂篾名： 签字目麓：昼年未月爨 缝字日期一。哞，。月f 孑曰 第一章续论 1 1 课题的提出与意义 1 。1 。l 课题来源 第一牵绪论 该课题基于韩国l g 电子电器有限公罚资助项目和美国艾默生电气公 司提出的在华博士论文基金资助项目。课越主要内容是威用现代信弩分析 技术等手段研究滚动转子压缩机的振动噪声特性，开发出测试蓬缩梳状态 的软硬件系统，对滚动转予压缩机进行减振降降嗓视淫和低噪声结构应用 方面的研究。 本论文醣空调压缩梳为研究对象，针对结构动态特健、信弩分析、消 声理论和壳体结构等进行降嗓梳理的磷究。主要研究了孺代蓿号采集分桥 处理方法应糟技术、压缩梳噪声源辨谈理论、篷缩辊噪声控耩祝毽及虚耀。 结合现代信号分析技术开发密萋予多任务操作平台韵实辩傣号采集分 祈处理软硬件系统，该系统在漂瑟静磷究王佟中起刭7 鬟要作塌。辑究了 辞颓分析、，j 、波分析等现代信号处理方法，势应耀手压绦规豹声振特挫分 析，敬得了翳显实效，劳逡嚣? 丞缩撬动态特性方霹的磅究 本文深入碜 究了空调莲维擞噪声源系统辨识技术、压缨枧低噪声结构、 壳体隧愁减攘降嗓楗理及葵在援缨捉减摄烽噪孛豹应用，创造性地提出了 一些篷绥秘i 减摄降嗓捉理纛 磊嗓声结梭及实验蠢法，以韩国l g 电子电器 纛限公司生产兹q k l 8 5 j t 2 4 a 型全封翅滚动转子压缀规为实验对象，进雩亍 了实验验涯，取终了实效。 1 1 2 课题意义 2 蛰毽纪瓣嚣半峙，噪声终必环境污染豹第三犬公害，一直困扰着人 们。在翠期每噪声作斗争懿过程孛，搀为声学矮域孛的一令重要的分支学 辩臻境声学逐濒发展越来我国噪声控制双究始予1 9 8 5 年，至今已建立 第一章绪论 了支颇有水平的科技队伍，噪声控制工程已经成为环境保护产业的一个 重要组成部分。然嚣隧聋黧民经渗装飞速发展，噪声污染依然严重，仍占 各种环境污染投诉的首位。面临新世纪的到来，环境噪声控制如何发展已 成炎大家营遮关注驰霹持续发展的战略毽瀑题。欧洲共阕钵委炭会于1 9 9 6 年1 月4 曰发表了题为“来来噪声政策”的绿皮书，就2 1 世纪欧洲在环 境控制方嚣应该如何开展工l 乍，傲了有蕊驰探索，指出了未来繇境噪声控 制的对策是避一步开展噪声暴露评价的研究工作，降低道路交通、铁路、 飞机和户强机械噪声，重视土地使用规划和噪声激育，提高全民意识。 全封闭制冷压缩机，很多是使用在空调器、电冰箱、冰柜和等家用电 器上，因此，对压绒枧的噪声要求比较嵩。随着人民生活质量的提商，作 为现代生活离质量标志之一豹空调器，箕噪声越来越受潮人们的重视，空 调压缩机作为主要噪声源，成为空调进行减振降噪研究的主要对象。 随着现代生产的发展，枫褫设备的缩构越来越复杂，测试信号是设备 工作状况的综合反映。研究现代债号分析方法并将其应用于工程实际，以 及邋行在线簸溯，对信号避行在线分耩，对确傈生产韵摄常滋行具有熏要 意义。 1 2 课题的圈内外研究概况 1 2 1 空调压缩机降噪技术国内外研究现状 目前空调压缩机主要分为滚动转子式和涡旋戏。往复活塞式压缩机在 空弱牵已经斑翅瓣缀少，蓊些年鬻内癸铮辩往复活塞式疆缭撬懿减振辫嗓 做了较多的工作。但随着科学技术的进步，滚动转子式压缩机威运而缴， 峦予蒸塞身瓣众多爨焘，箕嚣蘸奁审小功搴家用窆溪中占骞绝辩靛谯势遵 位。 滚动转予式压臻艇篦徒复式溪塞压缘捉懿爨攘筵葶懿多，嚣晨傣获小、 重量轻、零部件少，尤其翁损件少，比同样制冷摄的往艇活塞式压缩机体 积霹减少6 0 ，重i t 减少3 5 ，零棒减少5 0 。只敛旋转运动，苓嘉撼旋 转运动转交为往复遮动，所以运转平稳、振动小、噪声低，质擞稳定、可 第一章绪论 靠性高。无排气阀，所以流动阻力小，导致容积效率高、性能好、能效比 高。但这种压缩机只有_ 二个转子且为偏心布置，转动起来振动和噪声仍然 比较大。仍需采取方案对其振动和噪声进行进一步的降低。 目前国外对滚动转子压缩机减振降噪有一定范围的研究，美国、韩国、 日本及欧洲一些国家走在了前列，美国t e c u m s e hp r o d u c t sc o m p a n y 的 n e l i kd r e i m a n 和k e n th e r r i c k 对滚动转子压缩机的噪声源进行了确定 3 4 1 ， 采用对压缩机壳体使用吸声阻尼的方法使噪声有所降低：美国p u r d u e 大学 的h j k i m 和w s o e d e l 对压缩机的消声器进行了传递参数的研究【2 0 】；美 国c i n c i n n a t i 大学的j a yk i m 对储液罐的噪声源进行了分析：韩国l g 电 子公司的c h a n g h ol e e 和h a e k a n gy o u n 对滚动转子压缩机的噪声源的辨识 进行了研究【”j ；韩国l g 电子公司的k w a n g h as u h 和j i n d o n g k i m 对旋 转压缩机的排气消声器进行了分析【2 2 】等。国外对滚动转子压缩机的噪声源 的辨识进行了大量的工作：也对其减振降噪进行了研究，取得了一定的效 果。但实际效果也并不特别明显，噪声水平降低的幅度小。 国内对滚动转子式压缩机减振降噪的研究工作进行的很少，相关的文 章发表的较少，高水平的就更少。而且一般仅局限于噪声源的确定上，减 振降噪也有所研究，但效果不理想。西安交通大学目前也正在进行相关的 研究。 1 2 2 信号采集处理分析技术国内外研究现状【4 7 】 纵观国内外数据采集分析系统市场，总体可以分为基于微处理器( 如 8 0 5 1 、d s p 等) 的信号分析仪及基于微机的数据采集系统( 微机上附带数 据采集、存储、分析、管理软件，信号后期处理由微机来完成) 。 信号分析仪是进行信号分析的基本手段。世界上有许多专门的公司在 研制和生产多种类型的信号分析仪，以满足不同的行业分析各种信号的需 要。在信号分析仪中谱分析是众多功能中的核心之一。信号分析仪的质量 也与谱分析的精度、实现谱分析所用的方法和器件密切相关。 早期的信号分析仪是模拟式的。主要用一组模拟式的带通滤波器来进 行谱分析。如丹麦b & k 公司的2 1 1 3 。由于模拟滤波器的带宽不是很窄， 所以谱分辨率很低。用电压表显示谱的幅度，精度不高。用这种方式进行 第一章绪论 谱分析的速度也非常慢。随着数字技术的发展，第二代信号分析仪成为模 拟一数字港台式戆。仪爨饺曩了部分数字接拳，鳐数字辩霹压缭等，显著 地提高了处理速度，但谱分析的实现仍然基于模拟带通滤波器组。因此， 模拟港分掇既些靛点仍然存在，如1 3 & k 公司静3 3 4 8 频谱分板仪。睦予 在谱分析方法中成功地提出了快逋傅里叶变换( f f t ) 算法，引起了谱分 毫斥应用，乃至信号分板仪的一场擎念。隧潢数字芯片的飞速发展，出现了 新一代的全数字化的信号分析仪，这类分析仅中的典型代表就怒基于f f t 的f f t 信号分析仪。如丹麦b & k 公司的2 0 3 2 、2 0 3 3 高分瓣率信号分析仪、 美国h p 公司的5 4 5 l a 、科学亚特兰大公司的s d 3 7 5 、s d 3 8 0 、小野测器 的c f 9 1 0 9 2 0 、3 5 0 1 3 6 0 等。它们分析速度快、精度赢、功能强、实时性好， 受弼用户的欢迎。新墅号储号分析仪正在向智能他方向发展。 自从8 0 年代初数据采集系统出现以来，经过近2 0 颦的发臌，数据采 集系统在工娩发透阕家已广泛应用予设备的盆溺和故障诊断，势取得了很 好的经济效益，我阑也于1 9 8 3 年歼展了状态监测及故障诊断工作，数据 采寨系统逐步进入中国市场。 随着各种新型8 位、1 6 位微处理器及大规模祭成电路的出现以及集成 电路价格韵降低，裢不蹭翱数蕹采集系统成本蓊摄下，可大大强嵩其功能 和性能。其内存容爨显著增加，使得采集器能够存储大擞的有效数据，为 精密诊断撬供了更多静信惑萤。采集专静采集逮菠、转羧速度、遗遂数、 采集精度等旗本参数也都得到了不断的提高。 瓣翦，象产采豢系统静厂家众多，枣溺上静产晶也缀丰富，疑薄产品 如北京振通检测技术研究所的z h 9 1 1 型小型数据采集器，s p 2 0 0 ，s o 2 4 7 鍪中篷鼗据集系绕，还裔絮美国i r d 公司豹f a s tt r a c t 大登数攒采 集器等( 同时可以存储上千个时域波形) ，以它们为代表的数据采集系统 在奁线诊薮及预测缓掺方嚣歪发撵藿越寒越大静嚣霜。 同时，在数据采集和处理领域，d s p 数字信号处理器) 正在得到越来 越广泛瓣瘦瓣。d s p 因其霉蘧鳃热缝在实瓣控铡领域褥到了缀好茨评爨。 其和一般微处理器不同的结构设计使得其运算速度得到了很好的提高。并 虽投内荣毒足够熬内存羁事富数磺 孛接口( 包括鸟计算枧戆瓮肇接墨) ， 还可进行a i d 、d a 功能的集成，这是般的m c u 和普通采集卡所无法 煎一章绪论 眈拟的。目前生产d s p 的厂家有茨国德州仪器公司( t i ) 及美国a d 公司 等。不管在数采仪研制方厩还是零用的熬予微搬的数摄采集分据系统上， d s p 都能发挥其快速运算能力及大容量存储能力，使得系统实时性得到很 好的提高。 国内在d s p 韵开发上可以说和国际上保持了同一个水平。1 9 8 5 年就研 制完成了棚应的开发系统( a t d 系列产品) ，但是在实时控制和数据采集 方两应用的还是眈较少。专家指出，在朱来的几年内，在实对控制和数据 采集、处理领域，d s p 将得到广泛的应用。 在数采硬件条件侠速发展的阏时，信号分褥与信号处理的簸俘也翔雨 后誊笋般地迅猛发展起来。随着相邻科学技术的飞速发展，新的信号分析 静瑷论和方法大量涌现。这些方法薪，铤算法般较复杂。然露它戳诗算 机为基础，充分发挥计算机的优点，用软件来实现，灵活、方便，并能利 霜计算税给鑫各晕孛荚甏静强形分橱结采，萼 起了久翻静广泛关注。信譬分 析软件异军突起，它不仅能反映信号分桥理论和方法的最新成果，而版扩 充筑力强，更薪羧代容努，弥羚了信号分据铰静苓是，浅戈与信号分耩坟 并驾齐驱的一种信号分析手段。 在售号分辑与处理软 串戆爨袋与秀发方瑟毽爨各鬓蝰卡分霪援。举在 七十年代，美国i e e e 声学、语裔和信母处理学会就组织力量编制与熬理 了警露有钱袭缝戆信号分援与处溪较终，予1 9 7 9 年爨舨了数字售譬处 理程序库书，影响很大。我国信号处理学会也十分煎视该方面的工作， 走聪组织蠢关方霞专家学嚣，骚糍反映国际八卡年代裁期求平静售霹分 析与处理方面的软件程序，并列入国家“六五”攻关项目，予1 9 8 8 年出 版了近代数字镶号处毽逶用程窿秘振动数字镶弩处理援序瘴，提 供了大量信号分析的新方法和新程序。同时国内外有不少信号分析与处理 方嚣的软传发行。在国骣上，如h y p e r c e p t i o n 公霹、s i g n a lt e c h n o l o g y 公 司、d s pd e v e l o p m e n t 公司、e n t e k 公司等陆续推出一嫠信号分析与处理 软l 譬。这类软 牛主要侧重予常用的信号分析与滤波器设计。在谱分析方露 仍使用基于f f t 的经典谱分析方法，个剐也包括部分时序分析方法。 随着操作系统的不断慝耨，特别是隧着w i n d o w s 的推出，传统的单任 务操作观念得到了彻底的改变，使得建立基于多任务搡作系统的信号采集 第一章绪论 分掇系统戏为可鼹。基予徽视豹数据采集分辑系统结秘氇凑发生校大交 化。从基于d o s 的数据采集和分析系统到基于w i n d o w s 的数据采集分析 系绞，其发震穰浚。壶予嚣囊奁攥终系统凌棱方嚣应蜀鹣经验跑较少，耩 以在数据聚集的开发上已经落后于国外。随着多任务操作、v x d ( 虚拟设 套驻凄程黪) 、多线程等皴寒戆孳| 进，墓彝也在努力开发基予w i n d o w s 豹 实时采集分析系统，以跟上时代潮流，并取得了一定的成绩。目前一魑厂 家如台湾磷鳟帮醪牮等已经嚣发趱基予w i n d o w s 平台的数据采集软传，但 是在采集速度、通道和稳定性等方面还需要进一步的改进。 1 2 3 信号分祈援术国内夕| 、研究溉疆及发袋趁势 信号分凝是人键麸髅号中提墩冬静缓急救整蒺手段，是遮华来现代辩 学技术中迅速发展的涉及各个领域的边缘科学。数字信号处理技术广泛地 痰瘸子各耱现代秘学中，黯不弼豹信号采取不瓣豹分掇方法，以获褥基于 不同领域评价标准的客观评价。传统的信号分析方法在平稳信号的分析 中，效果熟著，爨在 # 平稳信号的分析巾，则不能正确地反映设备的运行 状况。 信号分板技术虽然是一门新兴豹科学，但在理论上早已成熟。目前在 动态信号的研究国益广泛的情况下，已经从确定性信号分析发展到随机信 号分析盼段。它的理论基础在数学方面主要是概率论、统计原理及各釉变 换理论，特别是傅立叶交换成为随机数据处理与分析的基础。傅立叶分析 方法是1 8 0 7 年由法国数学家和工程师约瑟夫傅立叶提出的。 六十奄兰代末戳来由予萃车学按术迅速的发展，特赛罴涟着电子计算褫萃萼 学灼发展，信号分析可娥向数字分析方法迅速地发展。特别是接着出现了 快速傅立叶变换( f f t ) 技术，使得对予信号的分析运算速度发玺了大数 量级变化( 提高了几百僚) ，这就把信号分析技术推向一个崭新的时代， 随之也形成了一熬套静穗论和方法，应翔豹部门也越来越广泛。 在现实中，往往存在变化的频谱，引起时变频谱的原因很多，主要物 理梳理詹瑟菇下两个，一是幸睾定鹣频率产生取决予那鍪在辩阕上霉麓交往 的一些物理参数；二是波在媒质中的传播一般怒与频率有关的。在此，我 们主要考惫交 毫伤瑾参数弓| 超的猿率成分豹交纯，帮囊予税嚣设备的运行 6 第一章绪论 状况变化引起的频率成分随时间的变化。众所周知，一个信号有多种描述 方式，比如，时间历程可用来描述信号幅值随时间的变化情况；傅立叶变 换则描述了信号幅值随频率变化的信息：而时频分布则描述了信号幅值随 时间和频率综合变化的信息。 信号的时间历程图表现了信号在时域的详细信息，而频谱图则表现了 信号在频域的详细信息，但是它们并不能同时表现信号在时域和频域的综 合信息，而在实际中存在着变化的频谱，例如往复机械振动等时变信号， 因而需要寻找一种能够同时表现信号时域和频域信息的方法，时频分析就 应运而生了。 数据采集及动态测试系统是设备状态监测与故障诊断系统中的重要环 节。数据采集器可以在现场进行数据采集、数据存储，然后进行分析判断。 这样，不但可以进行故障诊断，指导设备维修，使设备维修具有针对性、 科学性，逐步实现状态维修，而且可以存储大量的设各状态信息，因此数 据采集成为设备状态监测与故障诊断的重要组成部分。现在已有的数据采 集系统大多运行于d o s 环境，大多为离线分析，每次采集完数据后，都采 用人工计算出相应的参数值，然后进行分析，工作量大，而且费时、效果 也不好，由此实时信号采集分析受到影响，不能实现对设备运行状态的实 时监测，因此应用受到限制。 1 2 4 压缩机阻尼减振降噪技术研究现状 滚动转子压缩机的壳题为圆柱壳体，是最基本的构件之一，随着它在 各工业领域中应用的日益广泛以及被动控制显著的优越性，许多学者对带 有阻尼附加结构的圆柱壳结构振动和声辐射特性产生了浓厚的兴趣并进 行了广泛的研究。从5 0 年代初，o b e r s t 首次对自由阻尼处理梁结构的研究 1 2 1 ，到6 0 年代中期以后，人们对阻尼复合圆柱壳体结构振动和声特性的研 究。几十年来复合圆柱壳体阻尼减振降噪技术在理论研究和数值计算方面 都得到了一定的发展。l e s s i a 1 1 5 j 和b e r t t 4 】对壳的振动进行了较详细的评 述，对基本构件阻尼处理应用的一些形式作了评述，但主要考虑的是梁和 板单元，内筒设计非常少，文献f 1 0 4 对具有粘弹性阻尼层的复合圆柱壳体 几十年的研究进展作了回顾，为这类结构的进一步研究提供了参考依据。 第一章绪论 据。 在早期的壳体减振降噪工作中，国内外学者广泛地采用了约束阻尼结 构，在陲懋减掇楚理中终寒隧鼹结穆暴蠢交努瓣减振效果，毽约素毽蓬经 理给理论分析和实际应用带来的复杂性在很大程度上抵消了它的有效性， 严整影璃了它在实际工程孛静疲震。麦予歪缨辘德定斡工 睾条静积瓣尾耱 料自身的特点，也决定了约束阻尼减振降噪技术虽然能取得定的效果， 毽楚还是蠢着一定静爨袋缝。 但是对于制冷压缩机而言，压缩机壳体的振动和噪声以低频噪声为 主，著显| ；奠麦蒋受遭援动声辐射为主，王季# 竣态裘覆发热选8 0 1 0 0 摄氏发， 这样的高温破坏了阻尼的工作条件，这一原因使得常规的约束阻尼减振降 噪方法只能取褥定麴效果，达不裂卡分令人濂意的效果，为了进一步对 压缩机壳体结构进行阻尼降噪瑷论的研究，必须考虑采取另一种壳体阻尼 黪噪静方法。 基予以上的研究背景，通过查阅大堂的相关资料，我们提出了下一步 的磺究工捧设想，局郝约寒阻愿虽然对压缩枫壳体减振降噪有一定的效 果，但受制于热传导不畅及具体条件的限制，戮而在安用上有定的限制。 我 | 、 考虑将腿缩机巍馋结构由单层结构改进为双层或多鼷结构，最初 的高压容器主要采用单层结构，2 0 世嬲3 0 年代以来，因为多层结构在筒 体结构、材料利用、制谶装备、防腐蚀、破裂安全性等方面傥于单屡结构 而在工程中得到隧益广泛的应藤。僵多层容器在核反威、热冷壁搡律等场 合下的使用受到定的限制，主要是由于多层容器层岛层之间不可避免的 存在着间隙，对肖传热黉求的容器需要增加传热面积，戳至予要增翔金属 的消耗量同时还会造成威力的复杂化，但多层容器独特的优越性促使人们 糠方设法去攻尧这些难点。这方瑟的磷究主簧蹩从应力帮导煞往髓瑟个角 度进行的。在应力分析方面，m a n i n g 、森勰鼹一、藤野真一、y n a k a i 、 r w s c h n e i d e r 等人得囊了一些初步静络论。鼙鬻瑾工大学在瓣辑分轿、实 验及应用方面取得了初步的成绩。在导热分析方面，w e l l s 和r y d e r 、 t u a o s u d o 、y a b m a g a c h i 、兔出蔑志等在瑾论j 鼯试验蠢瑟秧了诲多王终， 对多层容器和单层容器进行了对比实验，得出了一些绪论。 8 第一章绪论 1 。3 本论文的囊要聚究蠹饔 论文主要研究工作有以下几点： ( 1 ) 信号采集处理分析授术研究及系统设计与应用 基于数据采集和处理的原理和方法，研究在线信号采集实时分析的原 磷，实现采集和分析的实时性。以模浚亿、邋用往为特点，开发鑫蹙有实 用价值的信号采集分析软件硬件系统及相关控制系统。 ( 2 ) 现代信号分祈方法静研究及应角 研究时频分析、小波分析等现代方法的撼本理论及算法。将现代信号 分祈方法应用予匿缩枫振动僖譬静分褥，进行实翻分耩帮验证。 ( 2 ) 空调压缩机噪声源辨识、降噪理论方法和措旄的研究 分轿总结磉声源辫识方法，瘫蠢遥震予滚凌转予压缩橇靛噪声源识剐 方法，对滚动转子压缩机的噪声源进行系统的识别，并对滚动转予压缩机 簿气游声器、德渡灌等结构逆行洚噪辍理寝方法熬系统懿分辨彝臻究，基 于结构的降噪机理分析，提出新的切嶷有效的低噪声结构，使压缩机的噪 声拳平大捂降低。 ( 3 ) 壳体阻尼减振降噪的应用研究 疆究壳傣瓣尾极纛，结会缑稳动态特臻、振魂啜声特 耋豹分掇，改变 瓷体的结构特性，创造性地提出选用双层压缩机壳体代替单层壳体，研究 7 双层蕊臻辊受簿藏掇簿嗓熬蜀牙蛙彝羧累。 第二章信号采集处理技术研究及系统设计与应用 第二章 信鼍采集处理分析技术研究及系统设计麓应用 信号采集与分析对于机械设备的振动、噪声分析、状态监测及故障诊 断是十分重瑟的。特别是随羲工业甥自动化、现代化、复杂化方向的发展， 在线检测就疆得尤英的重要。 近年来随着计冀机操作系统的不断更新，基于多任务操作平台的数据 分祈和处理疵错软件得至g 了广泛酌应用，豳此开发基于多任务操作平台的 实时数据采集应用软件势在必行。在实现赢速、实对数搬采集的基础上， 处理好采集模块帮处理、势褥模块的通讯接口将使实时撩镧及数据采集和 在线监控与诊断得以实现。与此同时，集成电路新技术的广泛威用也使备 耱高速采集卡及数攒处理卡不断雅辕密薪，在硬件上为建立更有效、簧稳 定可靠的数据采集和处理系统提供了很好的条件。 零章萋予数据采集和处理麓纛疆秘方法，逡孳亍多程务搡律警台的蓿号 采集分析系统硬件规划和设计。建立起适用于状淼监测和放障诊断的数据 采集稻处瑾仪器结梭。基予v x d 驻理，剃瘸w i n d o w s 搽终系绕提供豹多 任务功能，谯多任务操作系统下实时响应硬件中断和大数据量的传输，从 嚣实缓采集辩努辑豹实露谯。鼓模浃往、遥建缝鸯特熹，并发窭逶罴手凝 械在绒检测的在线信号采集和分析系统。并探讨和研究丁在多任务操作环 境下实瑷实瓣控铡褰大数撼藿簧输豹技本秘方寨。 信号分析是人们从信号中提取备种信息的重要手段，是近年来现代科 学技术孛迅速发展鹣涉及冬个领域豹边缘辩学。数掌售号处理藏寒广泛缝 应用于各种现代科学中，对不同的信号采取不同的分析方法，以获得基于 不围镶域谔份标准舱窖鼹谮徐。传统豹镶号分橱方法在平稳绩号鲍分辑 中，效果显麓，但猩非平稳信号的分析中，则不能正确地反映设备的运彳亍 状提。 本章对时频分析、小波分析等现代信母分析方法理论及其实现进行了 研究，并应用于滚动转子联缀枫等机器的噪声、掇动信号分析中，取褥明 显实效。 第二章信号采集处理技术研究及系统设计与应用 2 1 信号采集处理分析技术研究及系统设计与应用 2 1 1 实时信号采集分析系统的总体方案设计 系统主要由传感器( 振动传感器、声学传感器、力传感器等) 、电荷放 大器( 根据传感器类型配置) 、抗混滤波单元、数据采集系统、计算机、 软件、打印机等组成，总体构成如图2 1 所示。 传感器 图2 1 系统总体结构 ( 1 ) 传感器 传感器组件主要是拾取模拟信号，如加速度、噪声、温度、压力等信 号。本系统可选用普通传感器、i c p 传感器或声级计等类型。普通传感器 需要配置电荷放大器，以放大采集的微弱信号。i c p 传感器，如美国p c b 公司生产的振动加速度传感器该传感器采用内装集成电路前置电荷放大 器( i c p ) 及激光焊接技术，抗干扰性好，使用方便。这种传感器在应用 时，要求数据采集器配有恒流源。传感器拾取模拟信号，经过信号放大后 和前置处理后进行a d 转换，数字量输入计算机进行实时采集分析及保存。 f 2 ) 抗混滤波器 在早期的动态数据采集系统中，一般采用巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器 作为抗混滤波器，这种滤波器的优点是易于实现，缺点是其特性指标对于 抗混滤波器的要求而言依然有差距：通带衰减较大，阻带衰减较小，而过 渡带的衰减也不够。现代动态数据采集系统一般采用传递特性更好的低通 滤波器作为抗混滤波器，使用日益广泛的是椭圆滤波器( 又称c a u r e r 滤波 器) 。 f 3 1 数据采集系统 数据采集单元主要进行数据程控放大及a d 转换，将模拟信号转换为 第二章信号采集处理技术研究及系统设计与应用 数字信号。a d 板有外置和内插两种方式，外置方式通过并行口与计算机 进行通讯，内插方式将a d 板插入p c i 槽，这两种方式可以根据需要分别 配置。采样的精度与速度与a d 板的位数和转换时间有关，a d 芯片位数 多，采样所能达到的精度高，a d 转换速度快则系统可以获得较高的分析 频率。同时，系统的采样频率还与系统的通道数有关。数据采集器中还有 抗混滤波等处理。 ( 4 ) 信号采集分析软件系统 信号采集分析软件是系统的核心，实现对设备状态的实时监控和状态 信号存储，完成设备状态的自动辩识、特征提取、设备状态分析等。系统 采集模块基于底层v x d 开发，实时性很强。各分析模块在w i n d o w s 平台 上以v i s u a lc + + 为工具开发，纯中文图形界面，操作方便，容错性好。系 统实时分析功能由w i n d o w s 多线程技术保证，实用性强。该系统采用了面 向对象编程( o o p ) 的先进思想，有利于随着技术的发展实现系统的升级。 2 1 2 采集卡及其控制方式设计 考虑到具体的应用问题，为本系统设计了一块4 通道独立程控增益，8 通道采集的智能化数据采集板。板上带有8 0 c 1 9 6 单片机控制采集数据， 可以实现在w i n d o w s 下高速实时地数据采集，为取得实时、可靠的数据提 供了硬件保障。采集卡硬件结构如图2 2 所示。 f 1 ) 采集卡主要功能参数 采集通道数：8 通道，其中前4 通道为独立程控增益通道 采样速度：1 0 0 k h z 采集精度：1 6 位 采集综合误差：小于+ - 0 5 l s b 程控放大器放大倍数：1 、2 、4 、8 或1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 a d 芯片输入信号量程：+ - 5 0 v ，0 - 1 0 v ( 2 ) 本系统的工作原理 p c 机复位板上的从机8 0 c 1 9 6 后，在双口r a m 中设置采集板的通道 数、采集频率等参数，然后松开复位，让从机启动。从机启动后，就读取 第二章信号采集处理技术研究及系统设计与应用 双口r a m 中的数据，并按要求启动数据采集器，并将采集结果存放到双 口r a m 中。当从机采集到一定量的数据后，向主机发中断信号，然后继 续采集。主机接到从机的中断后，读取从机的采集结果，实现主机与从机 同时工作，因而达到高速数据采集的目的。 当p c 总线主c p u 需读取r a m 中数据时，只需执行逻辑控制指令后， 即可将r a m 地址区切换( 嵌入) 至主c p u 地址空间，因而可方便地读取 所存储的数据。该卡双向存取数据的功能是由逻辑控制电路所实现，它主 要包括进行地址线切换的7 4 h c t 2 5 7 和数据线切换的7 4 h c t 2 4 5 以及其它 逻辑电路，该卡须利用主c p u 中p c 总线的i o c h r d y 信号的判断决定 r a m 的切换与否。当此卡内部的8 0 c 1 9 6 占用双口r a m 时，主c p u 向i o 口写数据使i o c h r d y 线拉为低电平；当此卡内部的8 0 c 1 9 6 不占用双口 r a m 时，主c p u 向i o 口写数据使i o c h r d y 线保持高阻状态，将双口 r a m 切换到自己的寻址范围，进行读写。 图2 2 采集卡硬件结构 ( 3 ) 采集卡控制流程 一个数据采集系统的性能好坏，主要取决于它的速度和精度。特别是 工业生产过程中的数据采集系统，往往要求在保证精度的条件下，具有在 第二章信号采集鼹道技术研究及系统设计与斑增 线突簿静多籍娃璎凌麓。簧提褰数据采繁蕊速率，应逡翅裹速豹a d 转换 器和切换时间尽可能短的多路开关。针对长时间大数据流的采集需要，本 系绕采弼蠹存映鬟重方式遂嚣主撬蠲铁飘戆数提交抉，一方疆撼裹了系绞豹 速度，另一方面也提高了系统通讯的可靠性。针对8 0 c 1 9 6 及本采集卡的 特点，卡凑数据袋嶷软终熬设诗愚爨蛰窝2 3 。 数据采集予理序 | 避遭选撵 l j 延时，等待输入信号稳定l l 歼始a 毋转换l | 延时，簿德a 国转换完毕| j 数据存入存储区i i 地址指针增量i = ! 乏：卜 圈2 3 多薅采集系统程滓漉程潮 2 。1 。3系统抗瀵滤波器设计【4 3 】【4 9 】 滤波器是具肖一定传递特性的信号变换电路。理想的低通滤波器在通 带内传递特性麓l ，在裔于截捩频率静疆带内传递特经为0 ，僵理怒低透 滤波器在物理上是无法实现的。对于实际的低通滤波器，通常是分别对阻 带、遥带耱过渡带莳传递特性箍密一窥豹要求，经之羧近瑾憨滤波嚣戆传 递特性。对抗混滤波器通常要求为： f 1 1过渡带衰躐斜率一8 0 一1 2 0 d b o c t ； 苎三兰笪兰墨塞竺望垫查堑窒墨墨竺堡生量堕旦 ( 2 ) 阻带衰减7 5 8 0d b o ( 3 ) 通带波纹度 o ，te a 2 ，a 2 ，否则g ( r ) = 0 ，a 常称有效窗宽度a 考虑长度为n 、带宽为厶的离散时间信号s ( n ) ，其分析信号为x ( n ) ， 则可以将上式离散化，得到离散伪魏格纳分布： f 埘一i 、，2 w g ( n ，女) = 2 g ( m ) x ( n + m ) x + ( 月一m ) e 1 4 “ ( 2 8 ) 卅= 一面：1 1 ，2 式中竹，k 和m 分别对应于连续变量的，和r ，g ( m ) 是奇数长度的正 实窗函数，所以乘积g ( m ) x + m ) x 0 一所) 是h e r m i t i a n 对称的，这在计算 中可以减