壓縮機(jī)振動噪聲綜合特性測試分析技術(shù)研究

陳建國，王珍

（大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

1 前言

壓縮機(jī)的振動與噪聲的來源較為復(fù)雜，而振動與噪聲的傳播路徑、干擾耦合及影響因素十分復(fù)雜，理論分析或有限元分析建模需要進(jìn)行模型簡化，如徐嘉等對渦旋壓縮機(jī)排氣閥數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，王訓(xùn)杰等對渦旋壓縮機(jī)的流場特性研究，蘇亞鋒等對渦旋壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真。而壓縮機(jī)對外表現(xiàn)的振動與噪聲是最終多振源耦合最終結(jié)果，尋找最終振動與噪聲來源及相互關(guān)系十分重要。如黃志強(qiáng)對大型往復(fù)壓縮機(jī)主機(jī)振動分析與測試研究，譚博歡對空調(diào)配管理論模態(tài)分析與試驗(yàn)研究。先進(jìn)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)使得壓縮機(jī)的特性參數(shù)測試更加有效和便利，如牛洪濤進(jìn)行了基于LabVIEW 的渦旋壓縮機(jī)曲軸振動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，楊青玉應(yīng)用LabVIEW 開發(fā)非接觸式壓縮機(jī)葉片模態(tài)測試系統(tǒng)。在壓縮機(jī)振動與噪聲綜合特性實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)方案研究較少，本文旨在研究集固有特性、聲振信號時頻分析、聲振信號相干分析和噪聲信號倍頻程分析的綜合測試分析系統(tǒng)。

2 固有頻率測試原理及模塊程序設(shè)計(jì)

在壓縮機(jī)振動分析過程中，壓縮機(jī)部件及管道系統(tǒng)的固有頻率是研究重點(diǎn)，因此通過固有頻率特性試驗(yàn)測得固有頻率，查看壓縮機(jī)振動信號中有無固有頻率或其倍頻，是判斷壓縮機(jī)振動是否出現(xiàn)共振的主要方法。固有頻率測試方法主要有錘擊擊法和激振器法，錘擊法需要的設(shè)備簡單，如圖1 所示。

圖1 錘擊法硬件示意圖

對于壓縮機(jī)部件結(jié)構(gòu)錘擊得到一個脈沖激勵力信號，測得結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號，則頻率響應(yīng)函數(shù)如下式所示。

式中，Srx(f)為激勵力信號與響應(yīng)信號的互功率譜，Srr(f)為激勵力信號的自功率譜。錘擊信號的持續(xù)時間越短，有效頻帶越寬，幅值越大，響應(yīng)信號信噪比越高，響應(yīng)信號成分越全面。所以，在錘擊實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)短時一次錘擊，錘擊力度在不引起壓縮機(jī)部件局部塑變的前提下盡量大。

固有頻率模塊硬件需要一個力錘、加速度傳感器及數(shù)據(jù)采集卡組成。軟件功能模塊利用LabVIEW 編程實(shí)現(xiàn)，模塊實(shí)現(xiàn)如圖2 所示，為壓縮機(jī)管道的固有頻率測試，從圖中可以得到，壓縮機(jī)配管系統(tǒng)的固有頻率為74.1Hz，并且其2 倍頻148.2Hz、3 倍頻232.9Hz 成分也很明顯。

圖2 固有頻率模塊界面

在此模塊中，注意錘擊信號長度要根據(jù)響應(yīng)信號衰減長度截取，并且由于錘擊和響應(yīng)之間信號之間具有時間差，要根據(jù)互相關(guān)算法在響應(yīng)信號中延遲截取開始點(diǎn)。在頻率響應(yīng)函數(shù)中選用Hamming 窗，RMS averaging 平均模式，Exponential 加權(quán)模式。固有頻率程序框圖如圖3 所示。

圖3 固有頻率模塊程序框圖

3 聲振相干分析原理及程序模塊設(shè)計(jì)

相干性是一種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可用于驗(yàn)證兩個信號或數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。它在模塊用于估算振動信號和響應(yīng)信號之間的功率傳輸狀況，可以使用它來估計(jì)壓縮機(jī)振動與噪聲之間的因果關(guān)系。針對某個頻率，其相位差恒定，幅值變化表現(xiàn)一致，說明這兩信號中這個頻率點(diǎn)的相干性較高。用公式來表達(dá)兩列信號x，y的相干性計(jì)算，如下：

其中，Gxy(f)為兩列信號的互功率譜密度，Gxx(f)和Gyy(f)則是它們各自的自功率譜密度。從公式中可以發(fā)現(xiàn)，相干性的取值范圍是[0-1]。1 為完全相干，0 為完全不相干。

聲振相干硬件系統(tǒng)需要加速度傳感器、傳聲器及數(shù)據(jù)采集卡。模塊設(shè)計(jì)界面如圖4 所示，圖中是壓縮機(jī)管道振動信號和聲音信號進(jìn)行相干分析得到相干譜，從相干譜中可以看出，在210Hz 出相干系數(shù)為0.89，并且在其2 倍頻420Hz、5 倍頻1020Hz 處的相干系數(shù)也超出了0.6，由此可以看出振動信號中的210Hz 頻率成分與噪聲存在因果性，從而可以進(jìn)一步對管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除210Hz 振動成分，從而減少噪聲信號傳播。

圖4 聲振相干模塊界面

振動噪聲相干分析模塊運(yùn)用了相干分析函數(shù)，把噪聲信號與振動信號進(jìn)行相干算法進(jìn)行周期運(yùn)算，運(yùn)算周期為20 次，每次運(yùn)算的數(shù)據(jù)為5k，通過每次的迭代使得振動與噪聲的相干系數(shù)更加明顯。在相干分析函數(shù)參數(shù)中平均模式為Vector averaging，加權(quán)模式為Exponential，選用高斯窗，窗參數(shù)為0.2，F(xiàn)RF 模式為H3。具體的程序框圖如圖5 所示。

圖5 聲振相干程序框圖

4 倍頻程聲壓級及程序模塊設(shè)計(jì)

聲壓是定量描述聲波的最基本的物理參量，它是聲擾動所產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)，是空間位置和時間的函數(shù)。聲壓級是用來表示聲壓大小的數(shù)值，用符號Lp 表示，其定義式如下：

式中，P 為測量的聲壓值；P0是基準(zhǔn)聲壓，數(shù)值為2×10-5Pa。

恒定帶寬比法是聲學(xué)領(lǐng)域常用的劃分頻帶的方法。目前最常用的頻譜分析主要使用1/3 倍頻程分析法。1/3 倍頻程可以表示為以下關(guān)系式：

其中，f1為頻帶的下限截止頻率，f2為頻帶的上限截止頻率，頻帶的帶寬則是兩者之差。1/3 倍頻程既可以實(shí)現(xiàn)對于噪聲信號的更為精細(xì)和準(zhǔn)確的分析，又能明確地觀察到噪聲的能量分布。為了模擬人的耳朵對聲音的聽力特性，常用的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C 和D 四種。其中A 計(jì)權(quán)對噪聲的頻率響應(yīng)是最接近人耳。

在倍頻程程序模塊主界面如圖6 所示，在1/3 倍頻圖中可以查看噪聲能量整體分布及每個頻帶的能量數(shù)值，并且通過圖下的表格查詢每個中心頻率和對應(yīng)的能量值，表格下面的水平滾動條可以轉(zhuǎn)換頻率范圍，在1/3倍頻圖右側(cè)數(shù)值顯示控件用來評價噪聲的總聲壓級。

圖6 倍頻程聲壓級界面

在噪聲倍頻程程序框圖中利用了1/3 倍頻程函數(shù)及A 計(jì)權(quán)濾波函數(shù)，顯示頻率從20Hz ～20kHz，快速指數(shù)平均的時間常數(shù)為125ms，計(jì)權(quán)方式選擇為A 計(jì)權(quán)，創(chuàng)建倍頻程的波形圖及總聲壓級數(shù)值控件，利用中心頻率和各頻帶能量值創(chuàng)建二維數(shù)組用于統(tǒng)計(jì)各個頻帶的能量數(shù)值，使得圖表顯示功能更加直觀，程序框圖如圖7 所示。

圖7 倍頻程聲壓級程序框圖

5 結(jié)語

在研究振動信號、噪聲信號的時域、頻域、固有頻率、相干分析及倍頻程聲壓級理論的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)振動噪聲信號的數(shù)據(jù)采集、保存、讀取、時域和頻域分析基本功能，并且集成了用于壓縮機(jī)共振特性測試的固有頻率測試，集成了振動與噪聲間特性的相干分析,集成了壓縮機(jī)噪聲特性的倍頻程聲壓級分析。

在系統(tǒng)中利用時域及頻域圖可以了解信號的振動程度及頻率組成，利用固有頻率分析可以優(yōu)化設(shè)計(jì)壓縮機(jī)部件結(jié)構(gòu)避免共振產(chǎn)生，利用振動與噪聲相干分析探尋振動與噪聲的因果關(guān)系，為結(jié)構(gòu)振動與噪聲進(jìn)行同時治理，利用噪聲信號的1/3 倍頻程分析得到噪聲的總體評價，判斷壓縮機(jī)噪聲指標(biāo)性能。振動噪聲特性測試分析使得壓縮機(jī)性能測試更加方便，所用的測試設(shè)備更加簡化，為壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和測試提供有力的支撐。