基于频谱分析的挖掘机噪声特性研究

1、基于频谱分析的挖掘机噪声特性研究基于频谱分析的挖掘机噪声特性研究73文章编号:1006-1355(2011)010073.04基于频谱分析的挖掘机噪声特性研究胡效东,彭智兴,陈荔,巩利晓(1.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510;2.兖矿国泰化工有限公司,山东滕州277527)摘要:通过采集挖掘机柴油机的排气噪声,消声器排气噪声,柴油机壳体辐射噪声和操作室内噪声的声压信号,分析了空载条件下噪声声压信号的频谱特性,给出各噪声信号在不同柴油机转速下的a声级噪声值.得出结论:柴油机排出噪声覆盖高,中,低频段;各噪声频谱特征比较类似;共振导致怠速时的柴油机振动比较大;各噪声强度均随柴油机

2、转速的提高而增大;噪声源以及消声器排出噪声的低频段声压比较大的频率均是柴油机转速基频的倍数.关键词:卢学;挖掘机;柴油机;噪声;频谱分析法中图分类号:u464.134.4;tb535.2文献标识码:adoi编码: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工程机械的主要噪声源有柴油机振动与噪声,传动系统噪声,液压噪声和车体噪声

6、等,其中柴油机噪声又包括本体噪声,进气噪声,排气噪声和冷却风扇噪声u.过高的噪声会干扰驾驶员的听力,危害工作人员的身体健康,影响工程施工的安全性.降低工程机械的振动和噪声一直是提高其性能的主要研究方向之一.研究工程机械噪声的方法主要有:基于有限元和边界元的仿真法;实验室研究噪声的模拟法;丰动消声的有源消声法;试验场地实地测量法等.但是由于声波传输受温度影响比较大收稿日期:20100322;修改日期:20100419作者简介:胡效东(1971.),男,山东曹县人,博士,目前从事噪声与振动控制等方向研究.email:和内燃机噪声的复杂性,试验测量仍然是研究工程机械最有效的

7、方法.本文主要通过测量某型号挖掘机的内燃机辐射和排出噪声,排气消声器的排气噪声,操作室内噪声等信号的测量,分析和总结,为工程机械噪声治理提供一些参考结论.1挖掘机噪声信号采集1.1挖掘机简介本文所选用的履带式挖掘机如图1所示,图中的序号为采集噪声信号时对应的位置.该履带式挖掘机的主要参数见表1,四缸四冲程康明斯柴油机的主要参数见表2.1.2噪声信号采集系统挖掘机声学性能试验选择在空旷的试验场上夜噪声与振动控制第1期间进行,试验的环境噪声a计权l/3倍频程声压级为51.2db,环境风速比较小.液压工作部分的噪声特性不在本文的研究范围.噪声采集位置如图1所/j.位置1为挖掘机操作室内噪声采集点,声

8、级计位1操作室内中间位置,传感器向前方.图1挖掘机外观图及洲量1=寺_置fig.1schemeofexcavatorandthemeasurementpositions1.测节操作审内噪声何置;2.测量柴油机排气噪声位置;3.测龟消卢器排气噪声位置;4.为测量柴油机腔壁辐射噪声位置衷1实际研究挖掘机主要规格参数tab.1parametersofthepracticalexcavator表2实际研究柴油机主要参数tab.2parametersofthediesel位置2和3分别为柴油机排出噪声和抗性消声器排出噪声采集位置.采用一个相同直径的弯管安装在和消声器相同位置测量柴油机的排出噪声信号,两个

9、位置噪声信号测量均按照gb/t4759(内燃机排气消声器测量方法的要求,采用距排气管口0.5m,水平位置45.方向,并目传声器面对气流方向进行测量;位置4为柴油机辐射噪声信号采集位置,距离柴油机腔壁500mm处,信号采集时将该处的外壳打开.试验装置主要包括:f1)振动及动态信号采集分析系统:南京安正软件工程有限公司;(2)声级计:2230,丹麦b&k公刊.所采集信号丰要包括以上阴个位置,柴油机转速为970r/min,1100r/min,1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200r/min等时各位置的噪声信号,其中970r/min为怠速,2200r/min为额定

10、速度.2额定转速下各噪声信号分析实际操作表明,柴油机在额定转速下的噪声分贝值最大,所以此处主要研究柴油机额定转速下挖掘机相关噪声信号的频谱分析.在进行频谱分析时,为了能更好地表达噪声信号的频谱特性,对功率谱的幅值进行了调整,幅值超过定值部分被削平,如各图中所示,被削平部分的频谱特性第4部分进一步分析.2.1柴油机排出噪声信号分析柴油机为额定转速时的噪声信号功率频谱如图2所示.在进行频谱分析时,为了能更好地表达噪声信号的频谱特性,对功率谱的幅值进行了调整,幅值超过一定值部分被削平,如各图中所示,被削平部分的频谱特性存第4部分进一步分析.图2柴油机排气噪信弓频fig.2signalspectrum

11、ofnoisedischargedofdiesel从图2中噪声源信号功率谱可以看出,柴油机噪声信号主要在以卜几个频段声压值比较强烈:220-450r/min,850-1400r/min,1480-1550r/min,19402080r/min和25003000r/min几个频段.图2可以看出来,柴油机排出噪声覆盖高,中,低频.噪声源声压信号随着柴油机转速的提高,逐渐增强.除了一些山于柴油机转速的增加而增加的基于频谱分析的挖掘机噪声特性研究75基频噪声和相应谐波发生变化外,中高频噪声产生的机理并不随之而变化.所以对于柴油机燃烧和排气系统产生的高频噪声的产生频段变化不大,由于柴油机转速的提高增加了

12、柴油机燃烧和排气的次数,进而增加了相应频段的噪声强度.2.2柴油机腔壁辐射和风扇噪声信号分析柴油机壳体辐射噪声测量如图3.测量时,声学传感器距离发动机侧壁平面0.5m.测量得到的噪声信号主要包括:发动机通过侧壁辐射噪声,风扇造成的流体紊流噪声(发动机散热风扇距离发动机比较近)等.图3柴油机壳体辐射噪声测量图fig.3noiseradiatedofdieselmeasurement图4为发动机辐射噪声声功率频谱图.从图中可以看出,声功率比较大的波段主要在350450hz,5501100hz,12001900hz,29503150hz,低于4000hz的中低频段.4柴油机辐射噪声信号频谱图fig.

13、4signalspectrumofnoiseradiatedofdiesel此处噪声主要包括柴油机风扇噪声,柴油机腔体辐射噪声,主要噪声频段和柴油机排出噪声比较相似,但是噪声频谱的幅值要小一些.从图2和图4对比也能看出来,柴油机腔体本身有一定的隔音所用,只有比较少频段噪声能从腔体传出来.特别是柴油燃烧产生的高频信号辐射出来比较少.但是对于和腔体共振频率比较接近的频段复制比较高,如图4所示,8002000hz频段的噪声信号比噪声源噪声幅值还要高.2.3消声器排气噪声信号特性分析图5为装上消声器后,排气系统排出噪声的功率谱.可以看出来,消声器对中高频有很好的消声效果,功率幅值大幅度降低.但是在中低

14、频段仍然有较强的噪声信号,主要是消声器未能消去的噪声信号,但是也不排除一些环境噪声的影响.丑珀髓报驾整褂卷1jill,il.jj图5消声器排气噪声信号频谱fig.5signalspectrumofnoiseexchangedoutofmuffler2.4挖掘机操作室内噪声信号分析图6为挖掘机操作室内噪声信号频谱图,挖掘机经过消声器消声和挖掘机机箱隔音之后采集到的噪声信号.从图6看出,操作室内的噪声信号比较弱,信号幅值最高的频率幅值不到40,绝大部分频率噪声信号频谱幅值低于4,而柴油机额定转速下的噪声a声级在为72.4db.图6挖掘机操作室内噪声信号频谱图fig.6signalspectrumo

15、fnoiseinthemanipulateroom3低频段噪声信号分析在低频段功率谱比较高的幅值所对应的频率和2010年2月噪声与振动控制第1期柴油机转速之间的关系.对于本文四缸四冲程的柴油机来讲,柴油机转速与内燃机完成做功频率之间的关系为l厂斋(hz)其中,柴油机完成做功频率,hz;:柴油机转速,r/min;/:柴油机每旋转一周完成的做功次数,对于四缸四冲程柴机油机,船=2.比如柴油机转速为2000r/min时,对于四缸四冲程的柴油机来说,完成完整做功的频率为燃烧的基频为66.7hz.经过对柴油机排出噪声,柴油机壳体辐射噪声,消声器排出噪声和驾驶室内噪声信号在970r/min,1100r/m

16、in,1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200r/min转速下的各噪声信号功率频谱分析,发现低频段噪声声压比较高的频率基本上都是柴油机做功频率的倍数,特别是在1倍,2倍,3倍和四倍频率上,频谱的幅值比较高.也就是说这些频率信号的幅值大小比较有代表性,现整理如表3所示.表3各基频噪声信号频谱幅值对应表tab.3amplitudecomparisonsofnoisespectrums为970r/min和1100r/min时由于挖掘机共振等现象,造成噪声信号比较大,相比较而言区别不是很大.但是柴油机转速为1400r/min,1700r/min,2000r/min和2200

17、r/min时,各频率的噪声信号基本上都是转速的增高而变大.所以主要分析柴油机转速较高的几种情况.噪声信号各频率功率谱幅值随着柴油机转速的提高而增大.由于柴油机本身对与高频噪声具有较好的消声效果,而对于低频噪声的消声效果要差一些.对于柴油机排出噪声中的低频信号消声效果差一些,在表1中能看出来.但是远超过消声器排出噪声信号,看来本消声器对柴油机产生的低频噪声有比较好的消声效果.柴油机壳体辐射噪声除了内部活塞,曲轴,连杆与壳体的机械噪声之外,还有柴油机燃烧噪声辐射出来的噪声.和柴油机燃烧噪声相比,柴油机壳体辐射噪声声压小得多.但是和消声器排出噪声相比,辐射噪声还受柴油机散热风扇噪声的污染.室内低频噪

18、声功率谱幅值都比较小,只有柴油机燃烧的基频噪声幅值比较高.这个是由于各项附件振动频率等于内燃机燃烧基频,产生的噪声通过机械构件和操作室壳体传到操作室内部.经过操作室的过滤,其它频率的噪声均大大降低.4各位置a声级噪声对比分析图7为柴油机排出噪声,柴油机壳体辐射噪声,消声器排出噪声和驾驶室内噪声信号的a声级分贝值随柴油机转速的变化情况.互乌乏图7各噪声a声级值随随柴油机转速的变化情况fig.7comparisonsofnoisedecibelwithdifferentrotations由于柴油机的设定转速和实际调整转速之间有些许偏差,表3中给出的都是实际转速条件下的幅各噪声均随柴油机转速的增加而

19、增加,并且柴值,虽然有些偏差,但是不影响对噪声信号的分析结油机排出噪声最大,发动机腔壁和风扇噪声次之,消果.声器出口再次,室内噪声最小.从表1可以看出来,低频段噪声存柴油机转速(下转第85页):2:8刚构一连续梁桥健康监测系统设计856结语大型桥梁结构的健康监测是一个非常复杂的系统问题,涉及土木工程,力学,测试技术,计算机,图形学,通信等多门学科.本文以金水沟大桥健康监测系统建设为背景,对刚构.连续梁桥的健康监测系统作了研究,结合刚构.连续梁桥的特点和具体结构形式,构造了一个科学合理的健康监测系统,介绍了系统的监测内容,组成和功能.本文的研究对金水沟大桥健康监测系统建设有科学指导的作用,为今后

20、同类型桥梁结构健康监测系统建设提供参考.参考文献:缪长青,李爱群,韩晓林,等.润扬大桥结构健康监测策略jl东南大学(自然科学版),2005,35(5):780785.2宗周红,孙建林,徐立群,等.下白石大桥健康监测系统的设计与研究j铁道,2008,30(5):65-71.3缪长青,李爱群,冯兆祥,等.润扬大桥结构健康监测系统设计研究j.世界桥梁,2006(3):6366.4】杨雅勋.基于动力测试的桥梁结构损伤识别与综合评估理论研究d.西安:长安大学博士学位论文,2008.5吴小平.复杂桥梁结构综合监测系统开发研究d.杭州:浙江大学博士学位论文,2005.6王若林.桥梁实时在线检测与健康监测若干

21、问题研究.武汉:武汉大学博士学位论文,2005.【7】张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计j.同济大学,2001,29(1):65.69.8余波,邱洪兴,王浩,等.苏通大桥结构健康监测系统设计j.地震工程与工程振动,2009,29(4):170177.9谢开仲,韦立林,李海.钢管混凝土拱桥健康监测系统研究j.广西大学(自然科学版),2009,34(2):127.130.10苏木标,杜彦良,孙宝臣,等.芜湖长江大桥长期健康监测与报警系统研究j.铁道,2007,29(2):71.76.0.c.o.c.o.o.0(上接第76页)但是当柴油机转速为970r/min时,柴油机辐射参考文献:噪声比排出噪声还高,实际上是由于机械结构自身1蒋真平,周守艳.工程机械噪卢与控制分析j.建筑机的原因而产生共振造成的,当频率进一步升高时,则械2007,4:8184.振动幅度明显降低.2pospiech,lucyna.theinfluenceofvibrationonthe壹士五hearingorganandthevestibule