一種多測點變工況倍頻程快速處理方法

孫 濤, 高愛軍, 王 祎, 都治國

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一種多測點變工況倍頻程快速處理方法

孫 濤, 高愛軍, 王 祎, 都治國

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

針對傳統倍頻程分析方法處理多測點變工況振動噪聲數據耗時費力的不足, 提出一種改進的適用于多測點變工況振動噪聲數據快速處理的倍頻程方法。首先對整個試驗過程所有測點的數據進行分塊倍頻程處理, 然后利用工況參數確定穩定工況, 根據穩定工況的起止時間計算對應的性能參數均值及連續頻段振級均值, 最后, 以判定工況的性能參數為索引將各測點相同工況的性能參數均值及連續頻段振級均值比鄰放置, 得到滿足統計要求的3D統計矩陣。工程應用表明, 采用改進算法不但大大提高了試驗數據的分析效率, 而且相對傳統算法明顯提高了分析深度。

倍頻程分析方法; 振動噪聲; 數據處理; 倍頻程譜

0 引言

倍頻程譜是根據人耳對聲音的響應特性構造的一種頻域分析方法, 具有譜線少頻帶寬的特點, 廣泛應用于聲學信號的分析處理。聲音來源于振動, 二者之間有很好的相關性, 因此倍頻程譜也常用于環境振動的測量分析與評估。此外, 針對在工業現場難以直接使用噪聲測量儀器來測試機器的噪聲, 一些學者開展了“以振代聲”的研究, 將倍頻程譜引入到機電設備的監測診斷領域, 取得較好的應用效果。目前倍頻程處理已成為各類商用振動噪聲分析軟件必不可少的功能。

大型變工況振動噪聲試驗(比如船用發動機、飛機發動機、魚雷動力裝置的振動噪聲試驗)通常需要連續采集幾十甚至幾百個測點的多工況數據, 對每個測點的數據按照工況進行倍頻程處理是評估被測對象振動噪聲水平的最常用手段之一。目前的商用振動噪聲分析軟件只具備單測點單工況/多測點單工況倍頻程處理功能, 用其處理多測點變工況振動噪聲數據十分費時耗力: 從計算角度而言, 每計算一種工況條件下的倍頻程譜就必須修改一次參數設置, 對整個試驗過程數據的處理就需要多次中斷計算過程修改參數設置; 從結果輸出而言, 每次只能將一種工況對應的倍頻程計算結果輸出到文件中, 要得到滿足統計要求(根據試驗流程將相同工況對應的振級序列排列在一起)的振級序列排列結果需靠手工調整不同文件中的數據, 非常繁瑣且易出錯。

為了彌補傳統的倍頻程分析方法在實際工程應用中的不足, 本文提出了一種多測點變工況振動噪聲試驗數據的倍頻程快速處理方法, 通過將性能參數和振動參數有效融合, 實現了輸入和輸出均一次完成, 大大減少了數據處理時間, 降低了工作強度, 并可挖掘出更多的有用信息。

1 單測點單工況倍頻程譜算法

倍頻程譜實際上是頻域分析中頻率的一種相對尺度, 由一系列頻率點以及對應這些頻率點附近頻帶內信號的有效值所構成。單測點單工況倍頻程譜算法如下。

(2)

(3)

計算不同頻段振級可得到以中心頻率為橫坐標, 中心頻率對應級值為縱坐標的倍頻程譜。

2 多測點變工況倍頻程快速處理算法

機電設備變工況振動噪聲測試過程中, 除了測量不同位置和方向的振動噪聲, 還測量變工況運行過程中的性能參數(含工況參數), 二者是緊密聯系在一起的。傳統的倍頻程分析技術無法將這兩種信息有效融合, 因而無法實現變工況倍頻程的批處理和統計處理, 并且處理結果不含任何性能信息。為了將振動參數和性能參數進行有效融合, 構造了如圖1所示的多測點變工況振動噪聲數據倍頻程分析流程, 具體算法如下。

1) 將整個試驗過程的振動數據按測點分塊進行倍頻程處理, 得到由不同的頻段振級塊組成的連續頻段振級矩陣和塊號時間矩陣。

圖1 多測點變工況振動噪聲數據倍頻程分析流程

2) 根據與振動參數同步測量的性能參數來確定穩定工況對應時間段(判定穩定工況的性能參數及條件視試驗而定), 進而計算性能參數均值, 建立工況時間矩陣和工況性能參數均值矩陣。

性能參數測試數據對應的時刻由性能數據的采樣率決定, 設采樣率為, 穩定工況對應的性能數據序號為, 則穩定工況對應時間段為。

3) 由穩定工況對應的時間段確定其所對應的起止頻段振級塊號。

4) 計算任意測點任意工況的連續頻段振級均值, 任意頻段的振級均值計算方式如下。

5) 按照工況發生先后順序計算所有測點所有工況的連續頻段振級均值。

6) 按照測點編號將不同測點所有工況的連續頻段振級均值存入與之對應的矩陣。

7) 依次將性能參數均值矩陣和各測點的連續頻段振級均值矩陣合并形成各測點的綜合矩陣。

8) 以判定工況是否相同的性能參數為索引按照相同工況比鄰放置的原則調整各測點綜合矩陣的列, 得到滿足統計要求的統計矩陣。

9) 依次將各測點的統計矩陣輸出到Excel文件的各張電子表。

3 工程應用

航速航深是魚雷動力裝置重要的技術指標。為了對動力裝置的工作性能進行有效考核, 功率試驗過程中需多次變換工況(變換速制和深度), 并測量反映動力裝置振動特性和工作性能的幾十種振動和性能數據(包括轉速、轉矩、功率、背壓、流量及眾多位置的振動信號)。穩定工況指在速制不變的情況下, 流量調節器背壓的測量值與該時間段內平均值的相對偏差不超過允許范圍。下面以某次功率試驗的測試數據為例來說明倍頻程快速處理方法的工程應用及其優越性。

試驗流程包括由速制(試驗規定在一定范圍的轉速為同一速制)和背壓組合而成的若干工況。動力裝置上布置了20個振動測點及若干性能參數測點, 性能參數為緩變信號, 采用慢采, 振動信號為中高頻信號, 采用快采。穩定工況涉及速制和背壓2個參數, 因此調整各測點的綜合矩陣時, 首先將相同速制的各列數據放在一起, 然后按照背壓的升序對相同速制的數據按升序排列, 得到滿足統計要求的統計矩陣。

數據處理結果得到各個測點的統計矩陣。統計矩陣的第1行為工況對應的起始時間, 第2行為工況對應的終止時間, 第3行到第7行分別對應速制、壓力、流量、轉速和功率的均值, 其余行分別對應1/3倍頻程的各頻段振級。基于MALTAB的程序可將統計矩陣輸出到Excel文件, 這樣就將振動信息、性能信息和工況的對應關系在一張表中顯示, 既便于使用者瀏覽又便于對振動和工作性能之間的關系做進一步的分析。與采用傳統的倍頻程分析方法相比, 數據處理效率提高了約20倍。

本方法不但處理多測點變工況振動噪聲數據倍頻程譜的效率高于傳統方法, 而且能提供更多的有用信息。本次試驗某測點在4個相同工況下的平均振級譜見圖2。實線和點線對應磨合前的2個工況, 虛點線和虛線對應磨合后的2個工況。可以看出, 在相對中心頻率21.5以上(含21.5)的頻率范圍, 磨合后各頻段的振級低于磨合前相同頻段的振級。采用商業軟件處理這種多測點變工況數據時, 為了節約處理時間, 通常只從相同工況中挑一組數據來處理, 則無法得出磨合前后振動差異的規律, 更無法為樣機確定合理的磨合時間。該測點的綜合矩陣輸出到Excel文件“試驗數據處理”的第一張電子表sheet1, 利用Excel的繪圖功能繪出的某速制某頻段振級壓力變化的折線圖見圖3。可以看出, 當壓力持續增加到某臨界值(壓力序號11對應的值)之上, 振級的增加出現突變。如果不將振動信息和性能信息結合, 則無法得出振動隨壓力的變化規律。

圖2 分析測點在4個相同工況下的平均振級譜

圖3 分析測點某頻段振級隨壓力變化的規律

4 結束語

隨著科學技術的飛速發展, 機電設備朝著大型化、復雜化、自動化和一體化方向發展, 對振動噪聲測量分析提出了更高的要求。多測點變工況振動噪聲測試已成為工程振動噪聲測試的發展方向, 然而目前的商用振動噪聲分析軟件處理多測點變工況振動噪聲數據的倍頻程譜相當費時耗力。為此, 本文提出一種多測點變工況倍頻程快速處理方法。該方法在魚雷動力裝置功率試驗振動數據處理的應用表明, 其“傻瓜式”操作大大降低了多測點變工況性能參數和振動參數的處理時間和工作強度, 基本實現了試驗結束即可給出不同工況不同測點不同頻段的振動大小及熱力參數統計值, 據此可現場評判振動是否達標, 并確定超標頻段。本方法是對倍頻程方法的改進, 在倍頻程方法的應用領域具有一定的推廣價值。

[1] 龐劍, 諶剛, 何華. 汽車噪聲與振動—理論與應用[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2006.

[2] 申躍奎,丁潔民, 陸秀麗. 地鐵激勵下房屋的環境振動與隔振設計[J]. 建筑結構, 2010, 40(10): 78-81.

Shen Yue-kui, Ding Jie-min, Lu Xiu-li. Environment Vibration Induced by Subway and Vibration Isolation of a building[J].Building Structure, 2010, 40(10): 78-81.

[3] 王文斌, 劉維寧, 馬蒙, 等. 梯形軌道系統動力特性及減振效果試驗研究[J]. 中國鐵道科學, 2010, 31(2): 24-28.

Wang Wei-bin, Liu Wei-ning, Ma Meng, et al. Expe- rimental Study on the Dynamic Characteristics and the Vibration Mitigation Effect of Ladder Track System[J]. China Railway Science, 2010, 31(2): 24-28.

[4] 葛勇, 張希黔, 嚴春風, 等. 無砟軌動車組運行激勵場地振動譜分析[J]. 地震工程與工程振動, 2010, 30(1): 15-21.

Ge Yong, Zhang Xi-qin, Yan Chun-feng, et al. A Test of the Ground Vibrations Induced by Ballastless Truck Running[J]. Journal of Earthquake Engineering and En- gineering Vibration, 2010, 30(1): 15-21.

[5] 李聯玉, 馬孝江, 蔡慶喜. “以振代噪”在汽車變速箱性能檢測中的應用研究[J]. 機床與液壓, 2004(7): 156- 157.

Li Lian-yu, Ma Xiao-jiang, Cai Qin-xi. Application and Research of “Substituting Vibration for Sound” App- roach in Test for Performance of Motorcar-Gearbox [J]. Machine Tool & Hydraulics, 2004(7): 156-157.

[6] 袁云龍, 袁超勇, 楊超珍. 頻段能量統計法在機械設備工作狀態監測中的應用[J]. 輕工機械, 2010, 28(2): 85-88.

Yuan Yun-long, Yuan Chao-yong, Yang Chao-zhen. App- lication of Frequency Band Energy Statistics Method to Monitoring the Work Conditions of Mechanical Equip-ment[J]. Light Industry Machinery, 2010, 28(2): 85-88.

[7] 王濟, 胡曉. MATLAB在振動信號處理中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

(責任編輯: 陳 曦)

A Fast CPB Processing Method of Off-design Vibration and Noise Data from Multiple Channels

SUN Tao, GAO Ai-jun, WANG Yi, DU Zhi-guo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To solve the time-consuming and laborious problem in processing the off-design vibration and noise data from multiple channels through the traditional constant proportional bandwidth (CPB) method, an improved CPB method is proposed. Firstly, the data from all channels are divided into multi-segment, and each segment is calculated via octave algorithm based on fast Fourier transform (FFT) algorithm. Secondly, technical parameter mean and average octave sequence are calculated according to the starting and ending time corresponding to the stable condition determined by the condition parameter curve. Finally, technical parameter mean and average octave sequence of the same working condition are adjusted to the adjacent columns by indexing the condition-determining parameters. Engineering application shows that the analysis efficiency and depth of test data are improved significantly.

constant proportional bandwidth (CPB) method; vibration and noise; data processing; octave spectrum

TJ630; TB52

A

1673-1948(2011)06-0455-04

2011-01-24;

2011-05-12.

孫 濤(1977-), 男, 博士, 高級工程師, 研究方向為機械信號處理、制造工藝過程振動控制、故障診斷及健康監測.