基于時頻分析的非穩態排氣噪聲輻射特性研究

李靖祥，趙升噸，鐘 斌，趙仁峰

（西安交通大學 機械工程學院 模具與先進成形技術研究所，陜西 西安 710049）

0 引言

氣動裝置如氣動摩擦離合器（PFC）和氣動摩擦制動器（PFB）等，廣泛應用于工業領域的生產實際當中，采用壓縮空氣作為動力源驅動零部件的運動。氣動裝置在工作時需經常進行進排氣操作，特別是排氣動作時，氣缸內的氣體在短時間內通過氣動閥排出到大氣中，會產生沖擊性很強的高達125dB（A）的非穩態排氣噪聲，遠高于國家標準規定的85dB（A）及其以下的要求，對周圍環境造成嚴重污染，同時會嚴重危害車間工人的身心健康[1-3]。

氣動裝置非穩態排氣噪聲與常見的穩定性排氣噪聲有所不同，具有明顯的脈沖沖擊特性。該排氣噪聲主要由非穩態質量流引起的單極子聲源和湍流四極子聲源組成，在頻域上呈現馬鞍狀，即有較高的低頻和高頻段的噪聲聲壓級[4-6]。然而，如果僅是單純地從時域或者頻域的角度進行分析，并不能完全表征該噪聲信號的特征，比如無法反映出各頻率信號隨時間變化的規律等[7]。因此有必要通過時頻分析手段，即采用時間和頻率的聯合函數來表征該氣動裝置排氣所輻射出的噪聲信號，對該噪聲的產生機理和輻射特性進行分析與研究，從而為工程實際中對該噪聲實施有效控制奠定基礎。

1 氣動裝置排氣系統結構

1.1 氣動排氣系統結構

典型的氣動系統包括氣源、氣缸、氣動閥、不同口徑的管道以及排氣消聲器裝置等，如圖1所示。氣源（如空氣壓縮機）提供的高壓氣體，通過氣動閥及管道流入氣缸內，控制氣動裝置動作；隨后氣動閥換向或打開排氣閥，使得氣缸內的高壓氣體經由閥和管道排出。本文研究的是氣動系統的排氣過程，因此主要對排氣通路進行研究。

1.2 氣動排氣系統的工作原理

圖1所示氣缸為一個單作用氣缸，這種單作用氣缸被廣泛應用于氣動執行裝置中，如機械壓力機的PFC和PFB氣缸等，通過高壓氣體的通入與排放實現摩擦盤的接合與脫離。當高壓氣體通入時，氣缸內的活塞被高壓氣體推動，摩擦盤接合；而當排氣時，氣缸內壓力降低，活塞通過復位彈簧復位，摩擦盤實現脫離動作。氣動閥與排氣過程的空氣動力學特性密切相關，通常可以采用二位三通換向閥來實現氣缸的進氣和排氣的切換，有時也會設置單獨的排氣閥或者快速排氣閥來完成氣缸的排氣動作。圖1中的氣動閥為一個電氣比例換向閥（如日本SMC公司生產的VY1700型氣動閥）。不同于普通的二位三通換向閥，電氣比例換向閥除了通過換向操作實現氣缸進排氣的切換外，還可以設定調節壓力來控制氣缸端的壓力值。

圖1 氣動排氣系統結構圖

氣動閥VY1700通過調節先導氣腔的壓力值來調節進氣端（P口到A口）和排氣端（A口到R口）的提升閥芯的開啟與閉合。當氣缸端的壓力值與給定先導氣腔壓力相等時，調節活塞保持在平衡位置，進氣端和排氣端的閥芯均處于關閉不導通的狀態；當氣缸端的壓力值低于給定的先導氣腔壓力時，排氣端閥芯閉合，調節活塞下壓帶動進氣端的閥芯開啟，導通P口和A口，使得氣源提供的高壓氣體通入氣缸；當氣缸端的壓力值高于給定的先導氣腔壓力時，進氣端閥芯閉合，調節活塞上升帶動排氣端的閥芯開啟，將A口和R口導通，使得氣缸內的氣體經過氣動閥排出。

在排氣口處安裝消聲器可有效降低排氣噪聲，本文為了分析氣動裝置非穩態排氣所輻射噪聲的特性，主要研究未安裝消聲器裝置時的直接排氣過程所輻射的噪聲。氣動裝置排氣噪聲的試驗測試平臺基于JH23-63型機械壓力機上的PFC排氣系統，如圖2所示。采用丹麥B&K公司的Type4189型傳聲器和Type2270型聲級計對排氣過程輻射的瞬時噪聲進行測量，傳聲器和聲級計設置在距離氣動閥排氣口1m，與排氣口軸線夾角45°的位置。噪聲信號通過研華的PCI-1712型高速多功能數據采集卡記錄到計算機中進行處理和分析，采樣頻率為200kHz。

圖2 JH23-63型機械壓力機及其PFC排氣系統

2 排氣噪聲輻射特性分析

2.1 短時傅里葉變換

短時傅里葉變換作為最早提出的一種時頻分析方法，概念清晰、物理意義明確，成為研究非平穩信號的主要方法，廣泛應用于很多領域。為了達到時域的局部化，短時傅里葉變換采用加窗的方式，隨時間窗的移動對信號進行傅里葉變換，得到一組局部頻譜，通過局部頻譜的差異來考察信號的時變特性。給定一個時間寬度很短的窗函數w（t），隨著時間窗的滑動，信號 x（t）的短時傅里葉變換（STFT）定義為[8]：

在實際應用中，由于采集的信號往往是離散的，因此對STFT（t，f）進行離散化處理，在等間隔的時間和頻率網格點（mΔt，nΔf）處采樣，以 Δt和 Δf分別作為時間變量和頻率變量的采樣間隔，則短時傅里葉變換的離散形式為：

2.2 氣動裝置排氣噪聲的時頻分析

2.2.1 排氣噪聲的時頻域聲壓級結果

當PFC/B-63型機械壓力機上的PFC氣缸初始氣壓0.48MPa時，對通過VY1700型電氣比例換向閥直接排氣所輻射的噪聲信號進行短時傅里葉變換，采用海明窗作為窗函數，時間間隔1.25ms，頻譜分辨率100Hz，并計算時頻域上的聲壓級，如圖3所示，其中排氣過程從0.045s處開始。

圖3 氣動裝置排氣噪聲信號的時頻域聲壓級

從這一時頻域上的聲壓級譜圖可以看出，該噪聲在各個頻率上均表現出隨時間變化的脈沖沖擊特性；在有排氣流量噴出的一段時間間隔內，均表現出噴注噪聲的寬頻特性。

2.2.2 排氣噪聲不同時刻的功率譜密度

為了反映出氣動裝置排氣噪聲的頻譜隨時間的變化規律，圖4給出了在不同時間段的噪聲信號功率譜圖。選取的幾個時間段中心點為0.04s、0.048s、0.06s、0.075s、0.1s和 0.18s，分別代表了排氣開始前、排氣開始后、排氣初期、排氣流量最大、排氣后期以及排氣結束后的典型時刻。

從不同排氣階段的頻譜聲壓級可以看出：在排氣開始前（圖4a），各頻帶的聲壓級均低于背景噪聲60dB（包含數據采集中的干擾噪聲），信號主要以背景的低頻段噪聲為主；當氣動閥打開后（圖4b），氣流從排氣口開始排出并產生排氣噪聲，此時主要是低頻段噪聲增大，高頻段的增加量較小，顯示在排氣剛剛開始時的輻射噪聲主要是以排氣流量突然變化產生的單極子聲源輻射為主；隨著排氣的進行（圖4c），高頻段噪聲的聲壓級明顯增大，說明在排氣口處的噴注射流開始產生劇烈的湍流，并輻射出四極子的高頻噪聲；當排氣流量達到最大值時（圖4d），注意到和排氣初期相比低頻段的聲壓級基本保持不變，而高頻段噪聲繼續增大，使得噪聲的聲壓幅值達到瞬態峰值；其后，隨著氣缸內壓力降低、排氣流量下降（圖4e），湍流噪聲開始減弱，而由于質量流變化引起的單極子聲源使得低頻段噪聲繼續維持在75dB左右，隨后各頻段的聲壓級逐漸減弱直到排氣過程結束；在排氣結束后（圖4f），高頻段噪聲迅速衰減，低頻段聲壓級也逐漸恢復到背景噪聲以下。

圖4 排氣噪聲在不同時刻的功率譜密度

2.2.3 排氣噪聲各頻率功率譜密度隨時間的變化

圖5是氣動裝置排氣噪聲信號在不同頻率的功率譜密度隨時間變化的結果，頻率值分別取為 100Hz、200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz和 16kHz。

圖5 排氣噪聲各頻率功率譜密度隨時間變化結果

從圖5可以看出，各頻率噪聲的功率譜隨時間的變化有明顯的起伏，其幅值脈動基本和總的噪聲時域聲壓幅值波動接近，但各頻率的噪聲也具有不同的特點。和低頻段及高頻段的噪聲相比，500Hz和1kHz的噪聲能量較低，這也體現出了氣動裝置排氣噪聲頻譜的馬鞍狀特點；在低頻段頻譜中，0.1s附近出現了比較明顯的峰值，分析原因為PFC氣缸內活塞復位時產生的機械沖擊噪聲，這從單純的時域或頻域分析是很難看出的；在8kHz處的噪聲功率譜密度很高，說明通過PFC氣缸通過氣動閥VY1700直接排氣時產生的氣動裝置排氣噪聲的能量主要集中在這一頻率段，這與頻譜分析的結果也是一致的；另外可發現，在排氣開始到0.05s前的這一段時間內，低頻率噪聲（100Hz和200Hz）的功率譜密度值達到0.02Pa2s左右，而中高頻率噪聲（1kHz～16kHz）則非常小，說明在這一時間段內的噪聲主要由低頻段的單極子噪聲組成，而高頻的湍流噪聲還未完全產生，這與前述分析結果相似。

總體看來，通過對氣動裝置排氣噪聲進行時頻分析，可以反映出噪聲信號在時間域與頻域的變化及分布情況，從而更清楚地分析出排氣過程與輻射噪聲間的內在聯系，了解噪聲的產生原因和聲源構成等情況。

3 結論

本文通過短時傅里葉變換，對氣動裝置的非穩態排氣噪聲進行了時頻域分析，從結果可以發現在寬頻帶的范圍內各頻率的聲壓幅值都表現出脈沖沖擊特性；通過分析噪聲頻譜隨時間的變化，發現排氣最初階段的噪聲主要由質量流變化產生的單極子聲源為主，隨后由于噴注射流產生的湍流噪聲迅速增強并在排氣質量流最大時使得總的噪聲幅值達到峰值，在排氣后期湍流噪聲迅速減弱，低頻噪聲逐漸衰減，直至排氣結束后一段時間完全降低到背景聲以下；由不同頻率噪聲的功率譜時域變化結果，除了可以分析得出氣動裝置排氣噪聲的脈沖沖擊特性及馬鞍狀頻譜特點外，還可以發現PFC氣缸活塞復位時產生的機械沖擊噪聲。總體來看，采用時頻分析方法能夠對氣動裝置非穩態排氣噪聲的產生機理、聲源組成以及輻射規律進行更為全面的分析，為該噪聲的控制研究提供指導。

[1]方丹群，王文奇，孫家麟.噪聲控制[M].北京：北京出版社，1986.

[2]Irle H,Hesse JM,Strasser H.Physiological cost of energy-equivalent noise exposures with a rating level of 85 dB（A）：Hearing threshold shifts associated with energetically negligible continuous and impulse noise[J].International Journal of Industrial Ergonomics,1998,21：451-463.

[3]姚惠琳.噪聲暴露對工人心電圖影響的研究進展[J].職業衛生與病傷,2009，24（3）：170-172.

[4]馬大猷.聲學手冊[M].北京：科學出版社，2004.

[5]Shi Hushan,Zhao Shengdun.Prediction of radiation characteristic of intermittent exhaust noise generated via pneumatic valve[J].Noise Control Engineering Journal,2009,57（3）：157-168.

[6]Li Jingxiang，Zhao Shengdun,Ishihara Kunihiko.Study on acoustical properties of sintered bronze porous material for transient exhaust noise of pneumatic system[J].Journal of Sound and Vibration,2013,332（11）：2721-2734.

[7]Raghunathan S,Kim H D,Setoguchi T.Impulse noise and its control[J].Progress in Aerospace Sciences,1998,34（1-2）：1-44.

[8]葛哲學，陳仲生.Matlab時頻分析技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2006.