聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)在齒輪箱噪聲監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

劉宗財(cái)　王培培

摘 要：本文在分析噪聲檢測(cè)過程中遵循基本原理、聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，與普通環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了實(shí)驗(yàn)齒輪箱，并基于齒輪箱體有限元模型自帶的輻射聲場(chǎng)區(qū)檢驗(yàn)證實(shí)數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，于齒輪副理論嚙合頻率位置，箱體輻射聲場(chǎng)估測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相符性處于較高水平，滿足監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)對(duì)精確性提出的要求。

關(guān)鍵詞：噪聲測(cè)試;聲強(qiáng)測(cè)試;齒輪箱;技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.082

0 引言

在工程作業(yè)華景內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)出測(cè)量面的聲壓指存在較大難度，主要是由于環(huán)境噪聲與場(chǎng)地中的混合聲響不能被忽略不計(jì)。在仿真與測(cè)算輻射聲場(chǎng)階段，基本上是在消音室內(nèi)獲得測(cè)量面聲壓檢測(cè)數(shù)據(jù)，因聲源設(shè)備裝置受限于幾何尺寸，無法進(jìn)入消音室。盡管逐點(diǎn)掃描法用于工程領(lǐng)域中表現(xiàn)出良好效能，但迄今為止其在業(yè)內(nèi)尚未達(dá)成共識(shí)。為在工程層面有所創(chuàng)新，本課題研究中于較寬敞的室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射聲場(chǎng)的近場(chǎng)式聲強(qiáng)測(cè)試，期待能借此方式獲得真實(shí)度更高的齒輪箱輻射聲場(chǎng)狀態(tài)。

1 噪聲檢測(cè)的原理

1.1 聲音的特征

檢測(cè)工程環(huán)境內(nèi)的噪聲，等同于測(cè)試噪聲的聲級(jí)與頻譜。基本是采用聲級(jí)計(jì)測(cè)量噪聲，其內(nèi)有頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)分為A、B、C三種類型。在測(cè)量噪聲階段，不管其是強(qiáng)是弱，均可利用A網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)。

對(duì)噪聲進(jìn)行分頻時(shí)，需連接頻譜儀與聲級(jí)計(jì)，用于檢測(cè)與分析噪聲不同頻帶的聲壓級(jí)的大小與分布狀況，進(jìn)而更便利的了解噪聲的頻譜特性。

1.2 聲強(qiáng)級(jí)

在物理學(xué)上，聲強(qiáng)被定義成單位面積上聲波的功率，可用下式表示：

I（聲強(qiáng)）=P（功率）×S（面積）

W/為聲強(qiáng)的單位，對(duì)于個(gè)體的聽覺來說，分貝（dB）這一單位更具實(shí)用性，其呈現(xiàn)出的是聲強(qiáng)級(jí)，有：

L（聲強(qiáng)級(jí)）=10×lg（I/I0）

I0為聲強(qiáng)級(jí)的基準(zhǔn)聲強(qiáng)，一般會(huì)選擇人耳能夠聽到的最低聲強(qiáng)。在噪音測(cè)量實(shí)踐中，一般還會(huì)采用“標(biāo)準(zhǔn)A”去確定基準(zhǔn)聲強(qiáng)，于1000Hz時(shí)其對(duì)應(yīng)值是10-12W/m2，基于該標(biāo)準(zhǔn)獲得的聲強(qiáng)級(jí)計(jì)為dB（A）。

1.3 波形

聲音的波形實(shí)質(zhì)上就是振動(dòng)函數(shù)的圖像，因?yàn)橛型饬ψ饔糜诼曇舻膫鞑ミ^程，因而波形無時(shí)無刻不在發(fā)生改變。電子錄音與放音設(shè)備內(nèi)配置的電路會(huì)誘導(dǎo)波形改變過程，以上這種情況在業(yè)內(nèi)被稱之為波形的失真。參照集成電路的屬性，各電路均有最大的頻率范疇，比如100～10000Hz，一旦超出這一范疇波形失真的概率就會(huì)顯著增加。很多失真問題中濾波電路是罪魁禍?zhǔn)祝热珉娐芬獮V除電網(wǎng)內(nèi)50Hz的噪音，當(dāng)接收到的聲音約50Hz時(shí)，波形失真現(xiàn)象就很嚴(yán)重了。

2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

受多種主客觀因素的約束，本課題研究?jī)H能于空間偏高室中開展，分析到齒輪系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)作業(yè)環(huán)境內(nèi)存在多種誤差因素，基于這樣的環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與分析，能更好的把控大功率齒輪箱輻射聲場(chǎng)的現(xiàn)狀，更客觀的分析誤差。設(shè)定在晚間20∶0這一較安靜的時(shí)段開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，將室內(nèi)溫度調(diào)控為26℃;空氣密度（ρ0）1.205 kg/m3;空氣內(nèi)聲速（c0）為343 m/s;背景噪聲20dB左右，明顯低于設(shè)備運(yùn)行階段形成的噪聲;實(shí)驗(yàn)用齒輪系統(tǒng)加載桿自身形成的扭矩（P）為1.4 g（Nm），電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到了2900 rpm。

于齒輪試驗(yàn)機(jī)的包絡(luò)平面上，基于逐點(diǎn)掃描法去測(cè)量聲強(qiáng)。參照近場(chǎng)聲全息測(cè)量提出的要求，及網(wǎng)格劃分對(duì)分析頻次形成的約束，現(xiàn)實(shí)中采用細(xì)鋼管焊接成矩形框架，框架上配置了活套管，可拉伸范圍為0.1～0.2 m，進(jìn)而更好的滿足聲強(qiáng)測(cè)試階段的距離提出的要求，在0.3mm2電纜線的協(xié)助下順利的搭建了網(wǎng)格。圖1是測(cè)點(diǎn)圖示。具體掃描路線先從左到右，再由右向左推進(jìn)，將掃描速度調(diào)控在0.1～0.5 m/s間，各個(gè)面元上掃描持續(xù)時(shí)間≥20 s。測(cè)試全過程均要嚴(yán)格參照現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行。

使用3599 聲強(qiáng)探頭+3560C PULSE 多分析儀輔助開展測(cè)試工作，配合使用12 mm聲強(qiáng)探頭空間距離間隔器，分析頻率區(qū)間0～4000Hz，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出PI、PRI指數(shù)，已知FPI

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)推進(jìn)階段，檢測(cè)到整個(gè)息面上 100～4000 Hz 頻率范疇中的聲壓與聲強(qiáng)信息，試驗(yàn)檢測(cè)出齒輪箱包絡(luò)面的端面各個(gè)頻率位置的聲強(qiáng)（W/m2）云圖與聲壓（Pa）。

為更客觀、準(zhǔn)確的判斷出設(shè)備的輻射聲場(chǎng)狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)有初步性了解是第一步。本試驗(yàn)研究的目標(biāo)對(duì)象內(nèi)，在本次試驗(yàn)的對(duì)象中，驅(qū)動(dòng)與試驗(yàn)齒輪箱內(nèi)的兩對(duì)齒輪副的加工制造水平一致，僅是在后期運(yùn)維保養(yǎng)等問題狀況存在一定差異性。此外，彈性軸既往曾受外力的作用，形體發(fā)生不同程度變化，以上因素均可以完整的呈現(xiàn)在輻射聲場(chǎng)內(nèi)。

對(duì)以上聲強(qiáng)和聲壓分布狀況進(jìn)行觀察，能較容易的察覺到齒輪箱的輻射噪聲的復(fù)雜性更高，特別是于端面的輻射聲相互作用十分強(qiáng)烈，故而在這樣的情景下，檢測(cè)到的聲強(qiáng)符號(hào)屢次發(fā)生變動(dòng)，表明端面周邊聲能量流向復(fù)雜度處于較高水平。比較端面的聲壓與聲強(qiáng)分布狀況，低頻時(shí)聲壓幅值和10#面元相毗鄰，即是傳動(dòng)軸處，試驗(yàn)齒輪箱的軸頻及其倍頻占據(jù)著主體地位;伴隨分析頻率遞增過程，處于試驗(yàn)齒輪箱正后側(cè)即測(cè)量方向呈90°驅(qū)動(dòng)齒輪箱的輻射聲緩緩顯現(xiàn)出來。

當(dāng)分析頻率達(dá)到1250 Hz時(shí)，聲壓與聲強(qiáng)云圖被細(xì)化為兩部分，上、下部分別對(duì)應(yīng)的是驅(qū)動(dòng)、試驗(yàn)齒輪箱輻射聲的到達(dá)聲、直達(dá)聲，聲源位置顯而易見;于更高頻段，上部的到達(dá)聲進(jìn)一步被強(qiáng)化并演變成彈性軸形變形成的倍頻與分倍頻，該位點(diǎn)由振動(dòng)加速度測(cè)得數(shù)據(jù)中也能被察覺到，提示當(dāng)有另一個(gè)聲源存在于聲源正后側(cè)時(shí)，兩聲源輻射值的疊加結(jié)果便是測(cè)量面的值。外加十分劇烈的外力作用，于聲壓偏小的部位時(shí)常和負(fù)聲強(qiáng)相對(duì)應(yīng)，時(shí)而也會(huì)形成相逆的狀況，伴隨傳動(dòng)軸輻射聲壓值上升過程，聲強(qiáng)值有降低趨勢(shì)。究其原因，可能是同個(gè)軸上的兩對(duì)齒輪副同步嚙合時(shí)，于軸向輻射聲場(chǎng)形成方向相逆的聲強(qiáng)，而在其周邊卻形成了方向一致的聲強(qiáng)，以上情況于數(shù)值仿真測(cè)算內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)。

4 對(duì)比預(yù)測(cè)面和全息面

針對(duì)齒輪試驗(yàn)機(jī)數(shù)值仿真測(cè)算情況，使用ANSYS專業(yè)軟件進(jìn)行理論分析，需要?dú)v經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證實(shí)測(cè)值方能抵達(dá)可信度。具體是把齒輪試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)模型整合至 Virtual.Lab Acoustics 聲學(xué)軟件內(nèi)，而后導(dǎo)進(jìn)由箱體動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)算到的結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)位移值，在直接邊界元法的協(xié)助下，測(cè)算出箱體表層與場(chǎng)點(diǎn)聲場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)分布狀況。場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格和聲強(qiáng)計(jì)掃描檢測(cè)面網(wǎng)格維持高度統(tǒng)一性圖2是齒輪箱的有限元分析模型。歷經(jīng)測(cè)算后便會(huì)獲得齒輪試驗(yàn)機(jī) 5 個(gè)包絡(luò)面相對(duì)應(yīng)的聲壓云圖，圖3對(duì)應(yīng)的是1250 Hz，7×4×10 場(chǎng)點(diǎn)的聲壓幅值部署圖。針對(duì)仿真以及動(dòng)態(tài)求解過程合理程度，和實(shí)測(cè)值之間存在多打的出入等問題，均值得在后續(xù)研究中分析探究。當(dāng)然，不考慮測(cè)量?jī)x器自身形成的系統(tǒng)誤差，齒輪系統(tǒng)的運(yùn)作狀態(tài)決定了真實(shí)值與實(shí)測(cè)值，數(shù)值測(cè)算出的結(jié)果僅是齒輪系統(tǒng)的一種理想化運(yùn)作狀態(tài)。盡管聲強(qiáng)測(cè)試無法像于消音室中檢測(cè)傳聲器陣列一樣扎實(shí)掌握聲場(chǎng)信息量，但于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下開展的檢測(cè)工作，聲強(qiáng)檢測(cè)階段表現(xiàn)出的抗干擾能力及精確度均得到較高的肯定。

針對(duì)可能存在的誤差始源，也能于實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值分析過程中表現(xiàn)出來，提出應(yīng)對(duì)與規(guī)避誤差的可行方法。

如下本文對(duì)比分析預(yù)測(cè)面與全息面。在觀察測(cè)試數(shù)據(jù)階段，不難發(fā)現(xiàn)處于頂面數(shù)據(jù)內(nèi)兩齒輪箱的相互作用最弱，主要是由于兩齒輪箱平行布設(shè)，箱體上方蓋板面積較為狹小，頂面的測(cè)量面積偏大，有助于減少測(cè)量誤差。

圖4是實(shí)測(cè)網(wǎng)格統(tǒng)一場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格與10 倍細(xì)化處理后，獲得基于場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格預(yù)測(cè)的頂面聲壓幅值部署圖，對(duì)應(yīng)的分析頻率是1250 Hz，主要受全息面網(wǎng)格劃分的約束。能夠發(fā)現(xiàn)聲壓值偏高的區(qū)域基本上和聲源方位相對(duì)應(yīng)，但傳動(dòng)軸中間軸承的輻射聲場(chǎng)預(yù)測(cè)值可能過高，這和模型的簡(jiǎn)化處理操作存在一定相關(guān)性。

因有聲強(qiáng)探頭的約束，于有限的測(cè)量孔徑上方很難檢測(cè)出大量的測(cè)量點(diǎn)，這是一個(gè)矛盾性較強(qiáng)的問題，特別是于測(cè)量端面上，若聲壓探頭能夠以0.02 m 為間距去部署36×20點(diǎn)陣，而實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)是7× 4點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，存在較顯著差異。比較分析頻率1250 Hz 位置預(yù)測(cè)面與實(shí)測(cè)全息面的聲壓分布圖。能夠觀察到，兩個(gè)圖形具有較高的相似度，相比之下聲強(qiáng)云圖的指向性更強(qiáng)，提示更能精確的辨識(shí)出聲源，基于實(shí)驗(yàn)研究獲得的數(shù)據(jù)能更快捷的對(duì)聲場(chǎng)狀況作出預(yù)判斷;比較分析預(yù)測(cè)面和全息面對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線，能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻段處于800～1250 Hz區(qū)間內(nèi)聲壓波動(dòng)趨向大體一致;預(yù)估面聲、實(shí)測(cè)全息面聲壓級(jí)最大值分別出現(xiàn)在58#、59#面元上，對(duì)應(yīng)值依次是79.9 dB、81.4 dB。綜合以上信息，我們認(rèn)為盡管存有數(shù)值測(cè)算上忽略與仿真模型內(nèi)簡(jiǎn)化的情況，但對(duì)齒輪試驗(yàn)機(jī)輻射聲場(chǎng)作出的預(yù)測(cè)結(jié)果已經(jīng)抵達(dá)了工程精準(zhǔn)度要求。

5 結(jié)束語

參照現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本課題基于逐點(diǎn)掃描法的聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)去測(cè)量齒輪試驗(yàn)機(jī)的輻射聲場(chǎng)。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)的抗干擾能力及精確度得到了認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)階段若能確定具體的測(cè)點(diǎn)，那么便能精確定位噪聲源，并基于數(shù)值測(cè)算的形式作出檢測(cè)驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，于齒輪副理論嚙合頻率位置，箱體輻射聲場(chǎng)估測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相符性處于較高水平，滿足監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的精確性要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王成龍，尚昱君，徐紅梅，等.基于聲強(qiáng)測(cè)試的聯(lián)合收獲機(jī)噪聲源識(shí)別與定位[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（06）：677-684.

[2]楊安坤，李本旺.固定式工業(yè)機(jī)器人噪聲輻射測(cè)試方法研究[J].機(jī)電技術(shù)，2020，（03）：85-86+98.

[3]楊攀.基于聲強(qiáng)技術(shù)的渦旋壓縮機(jī)噪聲源測(cè)試與分析[J].制冷與空調(diào)，2020，20（05）：19-21+70.