振動(dòng)噪聲源主要傳遞路徑方法研究

曲洪坤(大慶億萊檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，黑龍江 大慶 163002)

0 引言

生活中的噪聲源多種多樣，數(shù)不勝數(shù)。本研究主要針對(duì)油田固井中所產(chǎn)生的噪音進(jìn)行研究。眾所周知，能減輕或消除噪音是油田固井質(zhì)量中一個(gè)非常重要的參考性能。由振動(dòng)發(fā)生器發(fā)出振動(dòng)波，考慮阻力以及實(shí)際生產(chǎn)條件的影響，使用振動(dòng)接收器接收振動(dòng)波后，再由振動(dòng)控制器選擇合適的振動(dòng)頻率,其噪音分布也非常的復(fù)雜，噪聲源多且分布位置不均，這些都給我們研究振動(dòng)噪聲源傳播路徑帶來(lái)了不小的困難。雖然噪聲源產(chǎn)生和分布的情況復(fù)雜，但是產(chǎn)生噪音的原因卻大同小異，主要是各類機(jī)械設(shè)施與管系通過(guò)自身的基座和其他的非支撐件一起導(dǎo)致振動(dòng)，并傳遞噪聲。這其中還包括了空氣噪聲透放射引起的噪聲以及液體脈動(dòng)向水中進(jìn)行的噪聲輻射。

由于油田固井的機(jī)械設(shè)備在井下產(chǎn)生噪聲的途徑并不唯一，且形式多樣。因此，為了更好地確定出噪聲的傳播途徑，在此次研究中，我們主要從確定振動(dòng)聲源和噪聲的傳播路徑兩個(gè)方面來(lái)著手進(jìn)行研究。首先，我們實(shí)驗(yàn)的第一步是選取能夠降低噪音的機(jī)械設(shè)備，然后做的就是降低或者減弱噪聲聲源的振動(dòng)、阻隔噪聲的傳遞途徑。在這兩個(gè)方面中，選用噪聲比較小的機(jī)械設(shè)備是比較容易解決的問(wèn)題，但是對(duì)于振動(dòng)噪聲源的傳遞路徑的識(shí)別就沒(méi)有那么容易了。正因?yàn)檫@一原因，本文關(guān)于噪聲源傳播的路徑的研究，是在信息相似性的基礎(chǔ)上展開(kāi)的。

1 關(guān)于振動(dòng)噪聲源的傳遞路徑的理論分析

1.1 振動(dòng)噪聲源傳遞路徑的物理模型建立

因?yàn)閷?shí)際油田固井中振動(dòng)源和噪聲源復(fù)雜多樣，而且實(shí)際的傳播路徑也紛繁錯(cuò)綜，因此，為了更好地分析和研究噪聲源的傳遞路徑，我們把噪聲源傳播路徑做成了如圖1所示的物理模型。根據(jù)噪聲的產(chǎn)生以及噪聲的傳播過(guò)程，我們可以將機(jī)械設(shè)備—傳遞路徑—噪聲在水聲場(chǎng)的傳遞路線簡(jiǎn)化整理如圖1所示的物理模型。根據(jù)圖1中物理模型所表示的傳遞方式，我們對(duì)噪聲的每個(gè)傳遞環(huán)節(jié)的相關(guān)的振動(dòng)的信息進(jìn)行了信息相似性的比較分析或者頻譜能量變化的分析。通過(guò)這種對(duì)比分析找出信息相似的程度較高或者振動(dòng)的總體能量變化較小的環(huán)節(jié)過(guò)程，這些環(huán)節(jié)基本上就可以確定噪聲振動(dòng)以及噪聲輻射的主要傳遞路徑。這樣，我們就把振動(dòng)噪聲源的主要傳遞路徑基本確定了出來(lái)[1]。

圖1 噪聲源振動(dòng)傳播路徑的物理模型

1.2 振動(dòng)噪聲源傳遞路徑數(shù)學(xué)模型的建立

多輸入單輸出的數(shù)學(xué)模型（如圖2所示），在這個(gè)數(shù)學(xué)模型中，我們假設(shè)有q個(gè)確定的、我們測(cè)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)xi（t），i=1，2，3，4……，q，而這些多個(gè)數(shù)據(jù)與頻率q之間的相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)為Hi(f)，而q還與常參數(shù)線性系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出量y(t)。而這個(gè)y(t)并不是一個(gè)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)，而是人們根據(jù)公式預(yù)計(jì)得出的理想的數(shù)據(jù)vi(t)，i=1，2，3，4……，q以及與偏離了理想模型的所有的可能的偏差之和（這些偏差被悉數(shù)包含在未知數(shù)n（t）之中），如圖2所示。根據(jù)最小二乘的定義和特點(diǎn)，我們知道Hi(f)的最優(yōu)的選擇可以使n（t）和vi(t)不相干（或者也可以說(shuō)是不相關(guān)）。這樣就可以使這個(gè)數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際的物理狀況，而不在僅僅是一個(gè)理想的數(shù)學(xué)模型，因此，這個(gè)模型便具有了現(xiàn)實(shí)的意義。因此，我們可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)xi(t) 以及y(t)的測(cè)量來(lái)對(duì)Hi(f) 和n(t)進(jìn)行一個(gè)較為可靠的估計(jì)。

圖2 數(shù)學(xué)模型—多輸入單輸出系統(tǒng)

在這個(gè)模型中輸入變量和輸出變量的一階矩關(guān)系（我們這里用頻

率的隨機(jī)譜表示）為式（1）：

式（1）中，我們不斷地改變輸入變量的值，并且使變換前后的輸入變量彼此之間互不影響，并且對(duì)于輸入變量，我們并不是隨心所欲地進(jìn)行改變，而是具有一定的規(guī)律特點(diǎn)，變換的規(guī)律就是將每一個(gè)輸入地變量逐步除去與其相關(guān)地前面輸入的剩余，然后以這個(gè)數(shù)據(jù)作為改變的輸入變量輸入。

2 關(guān)于振動(dòng)噪聲源的傳遞路徑的仿真研究

因?yàn)橐趯?shí)驗(yàn)中進(jìn)行仿真研究，我們首先要確定一些仿真的條件，以便于仿真的正常進(jìn)行。首先我們確立的仿真的條件是假定我們?cè)诜抡娴臅r(shí)候的噪聲源信號(hào)分別為50 Hz和100 Hz的正弦信號(hào)，其中50 Hz的噪聲源信號(hào)存在三條主要的信號(hào)傳遞的路徑，分別為hi(t)、h2(t) 和h3(t)，而100 Hz的噪聲源信好只有一條傳遞路徑x4(t)，x1(t)、x2(t)、x3(t) 和x4(t) 它們均為測(cè)量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而通過(guò)變換的函數(shù)關(guān)系得出的y(t) 則是我們的測(cè)量輸出，n1(t)、n2(t)、n3(t)、n4(t) 都是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)得的干擾噪聲，我們把它們作為變換的輸入量。n(t) 則為測(cè)量后經(jīng)過(guò)函數(shù)處理的輸出的外界噪聲[2]。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們使用了不少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以幫助我們更高效準(zhǔn)確地獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，我們不可忽視的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備是Fir濾波器。Fir濾波器能夠幫助我們篩選到我們所需要的聲波，它最大的優(yōu)勢(shì)是在保證我們獲得相同幅度頻率的聲波的同時(shí)，又可以獲得嚴(yán)格的線性相位特性。因此，我們的濾波器選擇的是Fir數(shù)字濾波器。hi(t)、h2(t)、h3(t) 和h4(t)分別為低通Fir濾波器，衰減系數(shù)分別為10 dB、6 dB、0 dB和0 dB。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)始對(duì)頻率為50 Hz振動(dòng)噪聲源的主要傳播路徑進(jìn)行了仿真分析，具體的數(shù)據(jù)和結(jié)果如圖3所示。

我們?cè)诜治鲞^(guò)程中，為了分析結(jié)果的準(zhǔn)確有效，我們首先利用了偏相干分析方法來(lái)對(duì)數(shù)值獨(dú)立進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，偏相干的函數(shù)值分別為0.503 5和0.544 2，0.769 8，這說(shuō)明了振動(dòng)頻率為50 Hz的噪聲源的噪聲主要是通過(guò)機(jī)械的剛性支撐點(diǎn)附近的外表殼向水中傳遞噪聲。

圖3 測(cè)量輸入與測(cè)量輸出的偏相干函數(shù)

在我們利用偏相干分析方法處理數(shù)據(jù)后，得到了信號(hào)為50 Hz的特征頻譜的偏相干函數(shù)值分別為 0.36、0.69 和 0.801 3，這組數(shù)據(jù)說(shuō)明了50 Hz的特征頻譜主要來(lái)源于輸入數(shù)據(jù)x3(t)，然后才為輸入數(shù)據(jù)x2(t)，x1(t)；信號(hào)為100 Hz的特征頻譜相干函數(shù)值分別為0.769 8、0.87和0.950 1，這組數(shù)據(jù)說(shuō)明了信號(hào)為100 Hz的特征頻譜的主要來(lái)源是輸入數(shù)據(jù)x3(t)，然后才是輸入數(shù)據(jù)x2(t)，x1(t)。由此可知，頻率為50 Hz的信號(hào)源的特征信息的主要傳遞路徑是x4(t)，然后是x2(t)，x1(t)，因此我們的分析的結(jié)果和我們仿真設(shè)置的條件一致[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

由此我們可以知道，由于油田固井裝置的噪聲源的傳播路徑進(jìn)很復(fù)雜，所以我們要用多種方法進(jìn)行綜合型的研究分析。雖然現(xiàn)在我們進(jìn)行這種綜合性的研究的方法還不太成熟，但這是一種發(fā)展趨勢(shì)。