孫 濤, 高愛軍, 王 祎, 都治國(guó)

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一種多測(cè)點(diǎn)變工況倍頻程快速處理方法

孫 濤, 高愛軍, 王 祎, 都治國(guó)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

針對(duì)傳統(tǒng)倍頻程分析方法處理多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)耗時(shí)費(fèi)力的不足, 提出一種改進(jìn)的適用于多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)快速處理的倍頻程方法。首先對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程所有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊倍頻程處理, 然后利用工況參數(shù)確定穩(wěn)定工況, 根據(jù)穩(wěn)定工況的起止時(shí)間計(jì)算對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)均值及連續(xù)頻段振級(jí)均值, 最后, 以判定工況的性能參數(shù)為索引將各測(cè)點(diǎn)相同工況的性能參數(shù)均值及連續(xù)頻段振級(jí)均值比鄰放置, 得到滿足統(tǒng)計(jì)要求的3D統(tǒng)計(jì)矩陣。工程應(yīng)用表明, 采用改進(jìn)算法不但大大提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析效率, 而且相對(duì)傳統(tǒng)算法明顯提高了分析深度。

倍頻程分析方法; 振動(dòng)噪聲; 數(shù)據(jù)處理; 倍頻程譜

0 引言

倍頻程譜是根據(jù)人耳對(duì)聲音的響應(yīng)特性構(gòu)造的一種頻域分析方法, 具有譜線少頻帶寬的特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于聲學(xué)信號(hào)的分析處理。聲音來(lái)源于振動(dòng), 二者之間有很好的相關(guān)性, 因此倍頻程譜也常用于環(huán)境振動(dòng)的測(cè)量分析與評(píng)估。此外, 針對(duì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)難以直接使用噪聲測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)試機(jī)器的噪聲, 一些學(xué)者開展了“以振代聲”的研究, 將倍頻程譜引入到機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷領(lǐng)域, 取得較好的應(yīng)用效果。目前倍頻程處理已成為各類商用振動(dòng)噪聲分析軟件必不可少的功能。

大型變工況振動(dòng)噪聲試驗(yàn)(比如船用發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、魚雷動(dòng)力裝置的振動(dòng)噪聲試驗(yàn))通常需要連續(xù)采集幾十甚至幾百個(gè)測(cè)點(diǎn)的多工況數(shù)據(jù), 對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)按照工況進(jìn)行倍頻程處理是評(píng)估被測(cè)對(duì)象振動(dòng)噪聲水平的最常用手段之一。目前的商用振動(dòng)噪聲分析軟件只具備單測(cè)點(diǎn)單工況/多測(cè)點(diǎn)單工況倍頻程處理功能, 用其處理多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)十分費(fèi)時(shí)耗力: 從計(jì)算角度而言, 每計(jì)算一種工況條件下的倍頻程譜就必須修改一次參數(shù)設(shè)置, 對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的處理就需要多次中斷計(jì)算過(guò)程修改參數(shù)設(shè)置; 從結(jié)果輸出而言, 每次只能將一種工況對(duì)應(yīng)的倍頻程計(jì)算結(jié)果輸出到文件中, 要得到滿足統(tǒng)計(jì)要求(根據(jù)試驗(yàn)流程將相同工況對(duì)應(yīng)的振級(jí)序列排列在一起)的振級(jí)序列排列結(jié)果需靠手工調(diào)整不同文件中的數(shù)據(jù), 非常繁瑣且易出錯(cuò)。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的倍頻程分析方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的不足, 本文提出了一種多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的倍頻程快速處理方法, 通過(guò)將性能參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)有效融合, 實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出均一次完成, 大大減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間, 降低了工作強(qiáng)度, 并可挖掘出更多的有用信息。

1 單測(cè)點(diǎn)單工況倍頻程譜算法

倍頻程譜實(shí)際上是頻域分析中頻率的一種相對(duì)尺度, 由一系列頻率點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)這些頻率點(diǎn)附近頻帶內(nèi)信號(hào)的有效值所構(gòu)成。單測(cè)點(diǎn)單工況倍頻程譜算法如下。

(2)

(3)

計(jì)算不同頻段振級(jí)可得到以中心頻率為橫坐標(biāo), 中心頻率對(duì)應(yīng)級(jí)值為縱坐標(biāo)的倍頻程譜。

2 多測(cè)點(diǎn)變工況倍頻程快速處理算法

機(jī)電設(shè)備變工況振動(dòng)噪聲測(cè)試過(guò)程中, 除了測(cè)量不同位置和方向的振動(dòng)噪聲, 還測(cè)量變工況運(yùn)行過(guò)程中的性能參數(shù)(含工況參數(shù)), 二者是緊密聯(lián)系在一起的。傳統(tǒng)的倍頻程分析技術(shù)無(wú)法將這兩種信息有效融合, 因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)變工況倍頻程的批處理和統(tǒng)計(jì)處理, 并且處理結(jié)果不含任何性能信息。為了將振動(dòng)參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行有效融合, 構(gòu)造了如圖1所示的多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)倍頻程分析流程, 具體算法如下。

1) 將整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的振動(dòng)數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)分塊進(jìn)行倍頻程處理, 得到由不同的頻段振級(jí)塊組成的連續(xù)頻段振級(jí)矩陣和塊號(hào)時(shí)間矩陣。

圖1 多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)倍頻程分析流程

2) 根據(jù)與振動(dòng)參數(shù)同步測(cè)量的性能參數(shù)來(lái)確定穩(wěn)定工況對(duì)應(yīng)時(shí)間段(判定穩(wěn)定工況的性能參數(shù)及條件視試驗(yàn)而定), 進(jìn)而計(jì)算性能參數(shù)均值, 建立工況時(shí)間矩陣和工況性能參數(shù)均值矩陣。

性能參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻由性能數(shù)據(jù)的采樣率決定, 設(shè)采樣率為, 穩(wěn)定工況對(duì)應(yīng)的性能數(shù)據(jù)序號(hào)為, 則穩(wěn)定工況對(duì)應(yīng)時(shí)間段為。

3) 由穩(wěn)定工況對(duì)應(yīng)的時(shí)間段確定其所對(duì)應(yīng)的起止頻段振級(jí)塊號(hào)。

4) 計(jì)算任意測(cè)點(diǎn)任意工況的連續(xù)頻段振級(jí)均值, 任意頻段的振級(jí)均值計(jì)算方式如下。

5) 按照工況發(fā)生先后順序計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)所有工況的連續(xù)頻段振級(jí)均值。

6) 按照測(cè)點(diǎn)編號(hào)將不同測(cè)點(diǎn)所有工況的連續(xù)頻段振級(jí)均值存入與之對(duì)應(yīng)的矩陣。

7) 依次將性能參數(shù)均值矩陣和各測(cè)點(diǎn)的連續(xù)頻段振級(jí)均值矩陣合并形成各測(cè)點(diǎn)的綜合矩陣。

8) 以判定工況是否相同的性能參數(shù)為索引按照相同工況比鄰放置的原則調(diào)整各測(cè)點(diǎn)綜合矩陣的列, 得到滿足統(tǒng)計(jì)要求的統(tǒng)計(jì)矩陣。

9) 依次將各測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)矩陣輸出到Excel文件的各張電子表。

3 工程應(yīng)用

航速航深是魚雷動(dòng)力裝置重要的技術(shù)指標(biāo)。為了對(duì)動(dòng)力裝置的工作性能進(jìn)行有效考核, 功率試驗(yàn)過(guò)程中需多次變換工況(變換速制和深度), 并測(cè)量反映動(dòng)力裝置振動(dòng)特性和工作性能的幾十種振動(dòng)和性能數(shù)據(jù)(包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、背壓、流量及眾多位置的振動(dòng)信號(hào))。穩(wěn)定工況指在速制不變的情況下, 流量調(diào)節(jié)器背壓的測(cè)量值與該時(shí)間段內(nèi)平均值的相對(duì)偏差不超過(guò)允許范圍。下面以某次功率試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明倍頻程快速處理方法的工程應(yīng)用及其優(yōu)越性。

試驗(yàn)流程包括由速制(試驗(yàn)規(guī)定在一定范圍的轉(zhuǎn)速為同一速制)和背壓組合而成的若干工況。動(dòng)力裝置上布置了20個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及若干性能參數(shù)測(cè)點(diǎn), 性能參數(shù)為緩變信號(hào), 采用慢采, 振動(dòng)信號(hào)為中高頻信號(hào), 采用快采。穩(wěn)定工況涉及速制和背壓2個(gè)參數(shù), 因此調(diào)整各測(cè)點(diǎn)的綜合矩陣時(shí), 首先將相同速制的各列數(shù)據(jù)放在一起, 然后按照背壓的升序?qū)ο嗤僦频臄?shù)據(jù)按升序排列, 得到滿足統(tǒng)計(jì)要求的統(tǒng)計(jì)矩陣。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)矩陣。統(tǒng)計(jì)矩陣的第1行為工況對(duì)應(yīng)的起始時(shí)間, 第2行為工況對(duì)應(yīng)的終止時(shí)間, 第3行到第7行分別對(duì)應(yīng)速制、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和功率的均值, 其余行分別對(duì)應(yīng)1/3倍頻程的各頻段振級(jí)。基于MALTAB的程序可將統(tǒng)計(jì)矩陣輸出到Excel文件, 這樣就將振動(dòng)信息、性能信息和工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系在一張表中顯示, 既便于使用者瀏覽又便于對(duì)振動(dòng)和工作性能之間的關(guān)系做進(jìn)一步的分析。與采用傳統(tǒng)的倍頻程分析方法相比, 數(shù)據(jù)處理效率提高了約20倍。

本方法不但處理多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)倍頻程譜的效率高于傳統(tǒng)方法, 而且能提供更多的有用信息。本次試驗(yàn)?zāi)硿y(cè)點(diǎn)在4個(gè)相同工況下的平均振級(jí)譜見圖2。實(shí)線和點(diǎn)線對(duì)應(yīng)磨合前的2個(gè)工況, 虛點(diǎn)線和虛線對(duì)應(yīng)磨合后的2個(gè)工況?？梢钥闯? 在相對(duì)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(jí)低于磨合前相同頻段的振級(jí)。采用商業(yè)軟件處理這種多測(cè)點(diǎn)變工況數(shù)據(jù)時(shí), 為了節(jié)約處理時(shí)間, 通常只從相同工況中挑一組數(shù)據(jù)來(lái)處理, 則無(wú)法得出磨合前后振動(dòng)差異的規(guī)律, 更無(wú)法為樣機(jī)確定合理的磨合時(shí)間。該測(cè)點(diǎn)的綜合矩陣輸出到Excel文件“試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jí)壓力變化的折線圖見圖3。可以看出, 當(dāng)壓力持續(xù)增加到某臨界值(壓力序號(hào)11對(duì)應(yīng)的值)之上, 振級(jí)的增加出現(xiàn)突變。如果不將振動(dòng)信息和性能信息結(jié)合, 則無(wú)法得出振動(dòng)隨壓力的變化規(guī)律。

圖2 分析測(cè)點(diǎn)在4個(gè)相同工況下的平均振級(jí)譜

圖3 分析測(cè)點(diǎn)某頻段振級(jí)隨壓力變化的規(guī)律

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 機(jī)電設(shè)備朝著大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和一體化方向發(fā)展, 對(duì)振動(dòng)噪聲測(cè)量分析提出了更高的要求。多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲測(cè)試已成為工程振動(dòng)噪聲測(cè)試的發(fā)展方向, 然而目前的商用振動(dòng)噪聲分析軟件處理多測(cè)點(diǎn)變工況振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)的倍頻程譜相當(dāng)費(fèi)時(shí)耗力。為此, 本文提出一種多測(cè)點(diǎn)變工況倍頻程快速處理方法。該方法在魚雷動(dòng)力裝置功率試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用表明, 其“傻瓜式”操作大大降低了多測(cè)點(diǎn)變工況性能參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)的處理時(shí)間和工作強(qiáng)度, 基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)結(jié)束即可給出不同工況不同測(cè)點(diǎn)不同頻段的振動(dòng)大小及熱力參數(shù)統(tǒng)計(jì)值, 據(jù)此可現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判振動(dòng)是否達(dá)標(biāo), 并確定超標(biāo)頻段。本方法是對(duì)倍頻程方法的改進(jìn), 在倍頻程方法的應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。

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(責(zé)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(jí)工程師, 研究方向?yàn)闄C(jī)械信號(hào)處理、制造工藝過(guò)程振動(dòng)控制、故障診斷及健康監(jiān)測(cè).