2023液压传动油液噪声特性测定第2部分管道油液中声速的测量

液压传动 油液噪声特性测定 第2分：管道中油液声速的测量目 次前言 Ⅱ引言 Ⅲ1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14符号 25测量仪器要求 36液压噪声发生器 47试验条件 48试验台 59试验程序（方法1） 810试验程序（方法2） 9试验报告 1012标注说明 附录A（规范性）平均值的误差和测量等级 12附录B（规范性）动态测量的误差和等级 13附录C（规范性）数据简化算法 14附录D（资料性）采用三传感器法（方法1）计算声速的编程示例 19附录E（资料性）采用反共振法（方法2）计算声速的编程示例 21þþI液压传动 油液噪声特性测定 第2部分管道油液中声速的测量范围本文件描述了通过对安装在管路中的压力传感器进行测量，确定管路油液中声速的方法。本文件适用于稳态工况下运行的液压回路，其压力波动的频率范围为10Hz～3000Hz。规范性引用文件（包括所有的修改单适用于本文件。GB/T17446油液传动系统及元件词汇（GB/T17446—2012，ISO5598:2008，IDT）术语和定义GB/T17446界定的以及下列术语和定义适用于本文件。流量波动flowripple液压油液中流量的波动。压力波动pressureripple由流量波动源与系统的相互作用引起的液压油液中压力的变动分量。基频fundamentalfrequency理论分析的或由仪器测量的压力波动（或流量波动）的最低频率。示例1：Nr/sNHzk个排量组件的液压泵或马达，如果在不同周期之间没有明显的测量偏差，则基频也可取为NkHz。示例2：数字频率分析仪根据第一谱线的频率定义基频。谐波harmonic以基频整数倍出现的压力波动或流量波动的正弦分量。注：谐波可以用其幅值和相位来表示，也可以用其实部和虚部来表示。液压噪声发生器hydraulicnoisegenerator在回路中产生流量波动，从而导致压力波动，或在回路中产生压力波动，从而导致流量波动的液压元件。1测量管measurementpipe安装压力传感器的管路。阻抗impedance液压系统中给定点在给定频率下的压力波动与流量波动的复数比。声反共振频率acousticantiresonancefrequency测量管入口阻抗幅值极小的频率。符号和下标符号表1中列出的符号适用于本文件。表1 符号符号说明单位A,A',B,B'与频率相关的波传播系数（复数）3-1 -1m∙s∙Paa,b与频率相关的波传播系数Hz有效体积弹性模量Pac油液中的声速3-1m∙sd管路内径mf谐波频率Hz测量时的频率矢量Hz第一阶声反共振频率HzH校准后两个压力传感器信号之间的传递函数（复数）—H'校准时两个压力传感器信号之间的传递函数（复数）—H两个压力传感器信号之间的传递函数（复数）—j虚数单位—L传感器1和2之间的距离（方法1）mL'传感器2和3之间的距离（方法1）ml传感器1到管路末端的距离（方法2）mP传感器PT1的压力波动（复数）Pa2GB/T×××××.2—××××P传感器PT2的压力波动（复数）PaP传感器PT3的压力波动（复数）PaQ12位置1的流量波动，流动方向从1到2（复数）3-1m∙sQ21位置2的流量波动，流动方向从2到1（复数）3-1m∙sQ23位置2的流量波动，流动方向从2到3（复数）3-1m∙sS对应测量频率f的相干函数—ε误差（复数）—ε的共轭复数（复数）—x复数ε的实部—y复数ε的虚部—ρ油液密度3kg/mν运动粘度mm2/sω角速度（2πf）rad/s注：H,H',H*,PP,P,Q ,Q ,Q 都是与频率相关的符号，用大写字母表示。1 2 3 12 21 23本文件使用的单位符合ISO80000。除非另有说明，本文件图形符号符合GB/T786.1。下标旧值新值测量仪器要求静态测量测量下列参数的仪器：平均流量（仅适用于方法1）；b)c)油液温度。应满足附录A中给出的C级测量精度的要求。动态测量用于测量压力波动的仪器应具有以下特性：共振频率：≥30kHz；b) 线性度：±1%；c) 最好带有加速度补偿。3GB/T×××××.2—××××仪器应满足附录B中给出的A过滤掉所有稳态信号分量，滤波后的测量值不应引入超过当前测量值0.5%的幅值误差或0.5°的相位误差。压力波动频率分析应使用满足如下要求的仪器测量压力波动的幅值和相位。在特定谐波条件下，仪器应能同时获得每个压力传感器的压力波动，并相互同步。仪器在10Hz～3000Hz的频率范围内测量谐波时，应具有以下准确度和分辨率：a) 幅值：±0.5%；b) c) ：±0.5%。不确定度符合上述规范的测量仪器可使声速测量的不确定度小于±3%。液压噪声发生器通则液压噪声发生器应在压力传感器上产生足够的压力波动水平，以便进行精确测量。（柱塞等）数量的乘积。高频响的液压阀也可作为液压噪声发生器。发生器振动如有必要，测量管宜在结构上与发生器隔离，减少振动的影响。试验条件通则试验过程中应保持表2规定的试验条件。油液温度油液温度应为测量管入口处测量的温度。油液密度和粘度油液的密度和粘度应符合表3规定的精度。平均油液压力平均油液压力应为测量管入口处测量的油液压力。平均流量平均流量应在测量管下游测量（仅适用于方法1）。4GB/T×××××.2—××××表2 测试条件允许的变化范围试验参数允许的变化范围平均流量±2%平均压力±2%温度±2℃表3 油液特性参数的准确度要求油液特性准确度密度2粘度5试验台通则如果在试验过程中压力波动幅值太小，无法进行有效的频谱分析，应选择其他噪声发生器。压力传感器安装时应确保其敏感膜片与管路内壁平齐，误差在±0.5mm以内。根据所采用的试验方法，给出测量管和传感器位置的规范。隔热应在测量管两端测量温度，测量管两端的温差不应超过2℃，否则应在测量管上加装隔热层。1：三传感器法（测量管应安装在试验回路中需要测量声速的位置。如有必要，可同时使用多个测量管。测量管应均匀平直，其内径应为与其连接的管路或元件端口直径的80%～120%。管路宜采用尽量减少振动的固定方式。（发生器）。另一端应安装加载阀（其阀芯组件不可自由移动），如针阀。应在测量管的上游末端测量平均压力。11LL4表4 传感器间距（方法1）L330mm±2mmL'470mm±2mm测量管两端与最近的压力传感器之间的距离应至少为10d，其中d是管路的内径。传感器之间的距离L和L'如图1所示，其测量误差应为±0.5mm。测量管进出口之间不应连接其他元件。5GB/T×××××.2—××××a压力传感器。1 b传感器到测量管末端的距离x≥10d，x≥10d1 图1 测量管中三个压力传感器的布置2：反共振法由于系统中产生压力共振，该方法不适用于同时进行其他液声特性的测量。2a与测量管相同的内径。压力传感器PT1和PT2（见图2a）位于测量管的两端。PT2应安装在距离测量管路末端3d范围以内，其中dPT1应安装在距离测量管与主回路连接点的5dPT1与测量管之间的连接件内径应与测量管内径相同。图2b的示例中，测量管端部安装了包含针阀组件的专用连接件。噪声发生器连接到回路，如图2a所示。（或噪声发生器一。安全阀的开启压力至少比平均试验压力高10%。50%～100%。应采用尽量减少管路振动的固定方式。PT1l应根据公式（1）f1确定。1 41 4f1 有效体积弹性模量Be可使用制造商提供的试验油液数据进行估算，不需精确的值。频率f1宜在100Hz～200Hz范围内选择。传感器PT1到管路末端距离的测量误差应为±0.5mm。6GB/T×××××.2—××××1112111211022X34lP7P658标引序号说明：1——通流管；2——温度传感器；3——测量管；4——排气阀；5——泵；6——压力传感器PT2；7——压力传感器PT1；8——电机；9——液压噪声发生器；10——压力计；11——加载阀；12——安全阀。试验回路7GB/T×××××.2—××××标引序号说明：1——通流管；2——温度传感器；3——测量管；4——排气阀；5——接油箱；6——压力传感器PT2；7——压力传感器PT1。传感器位置和排气阀安装示图2 典型反共振试验回路压力传感器的校准应对压力传感器进行校准。将压力传感器安装在公共油路块中测量相同的压力波动以进行相对校准。应使所有压力传感器沿油路块轴向流道同一横截面周向分布，如图3所示。图3 压力传感器校准分布示例将一个传感器作为参考，在一定频率范围内测量各压力传感器之间的幅值和相位关系。若传感器之间的幅值差超过1%或相位差超过0.5°，需对测试数据分析中的差异进行校正（见9.3和10.3），并记录校准过程中得到的传递函数。HP1

(2)122HP3

(3)322试验程序（1）216H12*H12H32*H32

8GB/T×××××.2—××××12计算一定频率范围内基频及其谐波频率fi的相干函数Si4H*和12H32*的典型示例。H32H*,H*的模12 32H*,H*的相位12 32图4 传递函数H*和H*的典型示例12 32（8.5H2H2(2)(3)对综H12H32进行校正。如果不需校正（见8.5），则H12=

H*H1212H*H3232H21232H*，H32=H*1232

(6)(7)CC.1Si0.95Si相关函数的值总是一个1C.15%，则该方法无效，结果不应用于试验报告。试验程序（2）（如适用并将所有变量（包括油液的状态参数）2在稳定化期间，排气阀宜完全打开，让油液通过测量管。在这一阶段，宜调整加载阀，使其产生的平均压力略低于所需测试压力0.5MPa。9GB/T×××××.2—××××在使用压力传感器进行测量之前，应立即关闭排气阀，必要时可通过调节加载阀重新建立平均压力。16H21*P2P1H21

(8)21器T1和PT2校过程中获得的传递函数H1P/P1见8.5），使用式（9）校量传递函数H*。 21H*H2121H1

(9)如果不需要校正（见8.5），则H

=H*。21 21H21C.3试验报告通则试验报告应包含以下信息：测试单位的名称和地址；测试人员姓名；试验油液的相关参数；测试日期和地点；符合性声明（12）。测试数据试验报告应包含以下试验数据。测量管的特性和安装条件：测量管特性（长度、内径、壁厚、材质）；试验台说明（2）；液压回路的说明以及隔振和隔热处理方式。采用的试验方法（12）。测量仪器：测量等级；用于压力波动测量的设备详情，包括型号、序列号和制造商；频率分析仪的带宽；仪表系统整体频率响应及上次校准日期和方法；压力传感器的校准方法和上次校准的日期和地点。试验条件：油液类型；运动粘度；油液密度；油液温度；10GB/T×××××.2—××××平均压力；平均流量（1）。试验结果试验报告应包含以下试验结果：声速；测量管入口处的油液温度和平均压力。标注说明当选择遵守本文件时，宜在试验报告、产品目录和销售文件中使用以下说明：“试验中声速的确定符合GB/T《液压传动油液噪声特性测定第2测量》”。11GB/T×××××.2—××××附 录 A（规范性附录）平均值的误差和测量等级根据测量精度的要求，可选择A、B或C三种测量等级中的一种进行试验。试验方法默认变量平均值的测量值符合表A.1的CA级或BA级和B的成本。表A.1 测量仪器的允许系统误差测量等级ABC平均流量%±0.5±1.5±2.5平均压力%±0.5±1.5±2.5温度°C±0.5±1.0±2.0注：表A.1中给出的百分比限值是对应被测值的大小，而不是试验（数据）的最大值或仪器的最大读数。12GB/T×××××.2—××××附 录 B（规范性附录）根据试验精度的要求，可选择A、B或C三种动态测量等级中的一种进行试验。试验方法默认瞬时压力的测量值符合表B.1的A级。表B.1 测量仪器的允许系统误差动态测量等级ABC瞬时压力%±1.5±3.0±5.0注：表B.1中给出的百分比限值是对应测量值的大小，而不是试验（数据）的最大值或仪器的最大读数。13GB/T×××××.2—××××附 录 C（规范性附录）数据简化算法介绍据处理最好使用频率分析仪和数字计算机进行。本附录描述了数据处理所涉及的数学方法。进入一段恒定直径管路的流量波动是该点和同一管路中另一点压力波动的线性组合,管路如图C.1所示。图C.1管路示例Q12AP1BP2Q21AP2BP1

(C.1)πd2j LA4cajbcotajbc C.2)πd2jB4cajbsinajbL

(C.3)a

2v

c

(C.4) d2 b4v

2v

(C.5)d2 d2 三传感器法方法基础这种方法要求同时测量恒定直径刚性管路内三个不同位置的压力波动。PT1PT2和PT3L和(C.1)得出：Q21AP2BP1Q23AP2BP314

(C.6)(C.7)GB/T×××××.2—××××在压力传感器PT2的上游：

Q21Q230AA0

(C.8)(C.9)因此：

1

BP30

(C.10)AP AP2 2如果声速精确已知，在任何频率下方程(C.10)在理论上都成立。在实际应用中，通过测量压力波动传递函数，上式的结果为非零。因此，方程(C.10)可以写成：1BHA

BHA

(C.11)把公式(C.2)～公式(C.5)代入上式，得到：H

sinL(ajb)

sinL(ajb)sinLL(ajb)

(C.12)12 c

c 声速计算步骤要确定声速，可使用最小二乘误差方法得到总误差E的最小值：NNE1

(C.13)NN总误差E是对应频谱中每个频率的幅值误差的平方和(表示第1次到第N次谐波频率对应变量的1和)。当满足以下条件时，总误差E的值最小：因此：

E0c

(C.14)()

(

c c利用一阶牛顿插值公式，可得：

NcNc0

(C.15)(cc)

(C.16)O N O Nc(cc)

(C.17)O N O Nc将公式(C.16)和公式(C.17)中的N和N代入公式(C.15)：

(c

c)+

(c

c)0

(C.18)Oc

O Nc

O

O Ncc2(c

c)

+

(C.19)O Ncc

O

OcO

Oc

(C.20)15GB/T×××××.2—××××2(cc

)

2Re

2Re

(C.21)O Ncc

Oc Oc 声速计算的迭代公式为：Re Oc Bcc (初始迭代值ce

(C.22)N O O cccNcOccNcOcN其中：cO——c的旧值；cN——c的新值。详细计算由公式(C.12)可得：ajbLcosL(ajb)LcosL(ajb)(LL)cosLL(ajb)

(C.23)c c2

c

c

c

2 2 和用复数表示为：c

xjyxjy

(C.24)(C.25)则：

c c cxjyxjy

(C.26)(C.27)c c c

x

yj

y

x

(C.28)c xc

y

xc yc

2

2x

y

(C.29)因此公式(C.22)可写为：

cc

c cNxN

xc

yccc

1

(C.30)N O N2

2 xy1c c16GB/T×××××.2—××××附录D给出了该迭代运算的MATLAB程序。封闭管路的“反共振”法该方法对一端封闭的刚性管路的共振频率进行测量。该管路连接在液压回路的X点。压力传感器位于封闭管路的两端。XlXlPP标引序号说明:1——二次源。图C.2传感器的安装位置之间的频率范围。在管路封闭端的压力传感器PT2处，其流量波动Q21=0。由公式(C.1)可得：Q21AP2BP10

(C.31)B

(C.32)A cosl(ajb)c 传递函数P2的模在每阶“反共振”频率处为极大值。P1P2P1P2P11cos2lasinh2lbcc极大值出现的频率为f1,f2,f3…。由于在这些特定频率下，传递函数模的导数等于零。因此，对公式(C.33)进行求导，可得：17GB/T×××××.2—××××

bsinh2lbsin2la0a c c

(C.34)由于声速的初值和实际值之间存在误差，因此存在以下关系：bsinh2lbsin2la

(C.35)a bsinh2lbsin2la

(C.36)其中：cO——c的旧值；cN——c的新值；

a cN cNε——由于c的不准确度而产生的误差。因为：110cN

(C.37)则可得公式(C.35)和公式(C.36)之间的近似差值：2lb211 2lb 1 1 2laac c

cosh

2la

ccos

(C.38)根据cN=cO+c，可得：

O N

O

O N OOc2O

bsinh2lbasin2la）c c□cO O lb2oh2ba2os2la

(C.39)迭代计算如下：c的初始迭代值cO

4fkl(2k1)

(C.40)式中：fk——传递函数|H21|的第k个极大值对应的频率；cNcOcN使用公式(C.39)计算cNcOcN当

0.0001，迭代中止。最后得到的c值是声速的一个特解。附录E给出了该迭代运算的MATLAB程序。c值计算的有效性f2/f1≈3c值才是有效的声速。如果频谱测量结果准确，fk/(2k-1)会近似恒定。18GB/T×××××.2—××××附 录 D（资料性附录）采用三传感器法（方法1）计算声速的MATLAB编程示例functionc=speedsnd(l12,l23,d,visc,c0,omega,h12,h32,coher,g)%functionc=speedsnd(l12,l23,d,visc,c0,omega,h12,h32,coher,g)%1%传感器2介于1和3之间% c m*s-1% l12压力传感器1和2之间的距离 m% l23压力传感器2和3之间的距离 m% d 刚性管内径 m% visc试验条件下油液的运动粘度 m2*s-1% c0 声速初选值 m/s%omega(2*pi*f)单个频率的矢量用于测量%h12,h32二维矩阵包含传递函数P1/P2及相关系数，P3/P4及相关系数。h12(:,1)和h321)包含复数格式的传递函数；h122),h322)包含相应的实数系数。%这些矩阵的长度与omega向量相同。% coher 验证计算有效性的测量一致性系数最小值(coher0.95)% g 打印选项（g==1，屏幕上的文本和图形）% 寻找可用频率coherenceminvaluenrc=0; %初始化可用频率的数目fornc=1:length(omega)if(h12(nc,2).*h32(nc,2)>=coher*coher)nrc=nrc+1;nv(nc)=1;%可用频率的指数化elsenv(nc)=0;%不可用频率的指数化end%ifend%fornv(1)=0;%未考虑零频率%------------循环算法开始-----------------------a=omega(:)+sqrt(2*omega(:)*visc)/d;b=4*visc/(d*d)+sqrt(2*omega(:)*visc)/d;amjb=a(:)-j*b(:);l12xamjb=l12*amjb;l23xamjb=l23*amjb;ik=1;%算法的初始迭代次数c=c0;dc=10;19GB/T×××××.2—××××while(abs(dc/c)>0.0001)memc(ik)=c;%记忆连续值的数目l12_=l12xamjb/c;l23_=l23xamjb/c;E=nv(:).*(sin(l23_).*h12(:,1)+sin(l12_).*h32(:,1)-sin(l12_+l23_));dEsurdc=nv(:).*amjb(:)/(c*c).*(-l23*cos(l23_).*h12(:,1)-l12*cos(l12_).*h32(:,1)+(l12+l23)*cos(l12_+l23_));dc=-sum(E.*conj(dEsurdc))/sum(dEsurdc.*conj(dEsurdc));dc=real(dc); real:使c变为实数c=abs(c+dc);%abs:c成为正值%----------------屏幕上的文本（可选）-----------------------if(g==1)if(ik==1)fprintf('\ndeterminationofspeedofsoundwithcoherenceimposed>%g\n',coher);fprintf('numberofavailablefrequencies:%gon%gmaxi\n',nrc,length(omega));fprintf('c%g=%6.2fdc=%6.4f\n',ik,c0,dc);elsefprintf('c%g=%6.2fdc=%6.4f\n',ik,memc(ik),dc);endelse;end;%if(g==1)% if(ik>50)

息 else;

fprintf('numberofiterationvalues>50\n');fprintf('somethingiswrong!,verifytheinitialvalues\n');returnend;%if(ik>50)ik=ik+1;%增加迭代次数end%endofloopwhile(abs(dc/c)>0.0001)% GRAPHICS(optional) if (g==1)fprintf('\nfinalvalueofspeedofsound=%6.0fm/s\n\n',real(c));np=1:ik-1;plot(np,memc(np),'*w',np,memc(np)