周 璟，李舜酩，張袁元，孟浩東，胡伊賢

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京 210016)

挖掘機駕駛室噪聲源識別的多輸入偏相干分析

周 璟，李舜酩，張袁元，孟浩東，胡伊賢

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京 210016)

以某挖掘機為試驗對象，利用偏相干分析法對其駕駛室噪聲源進行研究。研究中對駕駛室噪聲信號進行頻譜分析，確定影響駕駛室噪聲的主要頻率。建立挖掘機多輸入單輸出系統(tǒng)，利用偏相干函數(shù)排除輸入信號之間的相關(guān)影響，計算殘余信號對輸出的貢獻，并在各主要頻率上對噪聲源貢獻排序。發(fā)現(xiàn)該挖掘機駕駛室的主要噪聲源為進氣噪聲、排氣噪聲和發(fā)動機噪聲。

挖掘機;噪聲源;偏相干函數(shù)

隨著工程機械行業(yè)的迅速發(fā)展，挖掘機的保有量逐年提高，挖掘機也越來越多地應(yīng)用在城市建設(shè)的方方面面。與此同時，挖掘機噪聲污染越來越受到相關(guān)部門的關(guān)注，尤其是駕駛室噪聲。根據(jù)最新國家標(biāo)準(zhǔn) GB16710－2010《土方機械噪聲限值》［1］，履帶式挖掘機司機位置處聲壓級限值規(guī)定為83dB(A)，與舊標(biāo)準(zhǔn)相比降低了9dB(A)。這給挖掘機的噪聲控制帶來了新的挑戰(zhàn)。

控制挖掘機噪聲的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確識別噪聲源。識別噪聲源的方法有很多，近年來信號分析方法成為了主流，主要有頻譜分析法、相干函數(shù)法、倒頻譜法、聲強法、聲全息法等［2］。由于輸入信號之間往往具有一定的相關(guān)性，因此嘗試將偏相干分析方法應(yīng)用在噪聲源識別研究中，利用偏相干函數(shù)排除輸入信號之間的相關(guān)影響，識別挖掘機駕駛室主要噪聲源［3－5］。

1 偏相干分析法的基本原理

圖1所示為一個一般多輸入單輸出模型。其中 {xi}，i=1，2，…，n 表示被測量的輸入 xi(t)，i=1，2，…，n的有限傅立葉變換，輸出y(t)的有限傅立葉變換為 Y。{Hiy}，i=1，2，…，n 為常參數(shù)線性頻率響應(yīng)函數(shù)［6］。N為偏離理想模型的偏差的有限傅立葉變換。

圖1 多輸入單輸出系統(tǒng)

為了排除輸入信號之間的相關(guān)影響，引入信號的計算公式:

式中:Xj·(i－1)!和Xi·(i－1)!表示排除X1，X2，…，Xi－1信號影響的Xj信號和Xi信號;Xj·i!表示排除了X1，X2，…，Xi信號影響的Xj信號;Lij為傳遞函數(shù)，可通過公式(2)求得。

式中:Sij·(i－1)!和Sii·(i－1)!是信號Xi，Xj去除之間相關(guān)影響后的條件互功率譜密度函數(shù)和條件自功率譜密度函數(shù)。而偏相干函數(shù):

即表示輸入信號Xi去除相關(guān)影響后對輸出信號Y的影響。

2 挖掘機駕駛室噪聲源識別

2.1 試驗布置

將以下主要噪聲源:排氣噪聲、進氣噪聲、發(fā)動機噪聲、液壓泵噪聲、主閥噪聲及風(fēng)扇噪聲為輸入，駕駛室司機耳旁噪聲為輸出，構(gòu)建出多輸入單輸出系統(tǒng)，其測點布置如圖2所示。試驗中挖掘機定置不動，工作機械模擬挖掘動作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速選用常用工作轉(zhuǎn)速1 600r/min。數(shù)據(jù)采集模塊為東華DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，采樣頻率為10kHz，采樣時間為 30s。

圖2 挖掘機各測點布置圖

2.2 數(shù)據(jù)處理分析

利用常相干計算公式，通過Matlab計算可以得出各噪聲源與駕駛室噪聲的常相干函數(shù)。由各輸入對輸出的貢獻大小對各輸入信號排序，依次為排氣噪聲、進氣噪聲、發(fā)動機噪聲、液壓泵噪聲、主閥噪聲和風(fēng)扇噪聲，組成挖掘機多輸入單輸出模型，如圖3所示。

圖3 挖掘機多輸入單輸出模型

圖4所示為駕駛室噪聲自功率譜，其主要峰值頻率為 26.87Hz、80.00Hz、214.70Hz、241.30Hz、321.30Hz、641.30Hz、721.30Hz。利用偏相干公式(1)～(3)，將輸入信號之間的相干部分去掉，計算殘余信號對輸出的貢獻大小。圖5所示為排氣噪聲的常相干函數(shù)，其主要峰值頻率為80.00Hz、216.00Hz、320.00Hz、717.30Hz、829.30Hz 和1 336.00Hz。通過偏相干函數(shù)的計算，在頻率為216.00Hz、320.00Hz、717.30Hz 和 1 336.00Hz 時，峰值都有很大程度的衰減，如圖6所示。偏相干函數(shù)能夠有效地排除相干部分的干擾，準(zhǔn)確地判斷輸入對輸出的影響［7］。

圖4 駕駛室噪聲自功率譜

圖5 排氣噪聲常相干函數(shù)

圖6 排氣噪聲的偏相干函數(shù)

利用偏相干公式計算各輸入噪聲源與駕駛室噪聲的偏相干函數(shù)，可得出駕駛室噪聲各主要峰值頻率的偏相干系數(shù)［8］，見表1。

表1 駕駛室噪聲峰值頻率的偏相干系數(shù)

從表1中可以看出，頻率為26.67Hz時，噪聲主要為進氣噪聲和風(fēng)扇噪聲，其次是主閥噪聲;頻率為80.00Hz時，主要噪聲源為進氣噪聲，排氣噪聲其次;頻率為214.70Hz時，噪聲主要來源是進氣噪聲;頻率為241.30Hz，噪聲主要來源于排氣噪聲，其次是進氣噪聲;頻率為321.30Hz時，主要噪聲為發(fā)動機噪聲;頻率為641.30Hz時，噪聲主要來源于排氣噪聲;頻率為721.30Hz時，主要噪聲源為風(fēng)扇和液壓泵，其次是發(fā)動機，最后是進氣噪聲。

圖7 駕駛室A計權(quán)噪聲頻譜

由于人耳對于低頻噪聲不太敏感，通常A計權(quán)噪聲頻譜就能比較準(zhǔn)確反映駕駛室噪聲對于駕駛員的影響。從圖 7中可以看出，26.67Hz、80.00Hz處的噪聲聲壓級衰減較大，此時影響駕駛員的主要頻率為 214.70Hz、241.30Hz、321.30Hz和 641.30Hz。雖然 26.67Hz、80.00Hz和721.30Hz在駕駛室噪聲自功率譜上峰值很高，但是評價駕駛室噪聲是以對人耳的影響為前提，在26.67Hz、80.00Hz和721.30Hz處的噪聲源不能作為駕駛室噪聲的主要噪聲源。因此，該挖掘機駕駛室的主要噪聲源為進氣噪聲、排氣噪聲和發(fā)動機噪聲。

3 結(jié)論

本文利用多輸入的偏相干分析法對某挖掘機駕駛室噪聲進行了試驗研究與分析，發(fā)現(xiàn)在影響挖掘機駕駛室噪聲的4個主要頻率中，進氣噪聲在頻率為214.70Hz和241.30Hz時貢獻最大，而在頻率為241.30Hz和641.30Hz時排氣噪聲是其主要噪聲源，在頻率為321.30Hz時駕駛室噪聲的主要噪聲源是發(fā)動機噪聲。確定了各個頻率處噪聲源的貢獻大小，可以針對相應(yīng)頻率，采取減振降噪的措施，降低噪聲對司機的影響，為日益嚴(yán)格的噪聲標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB16710－2010土方機械噪聲限值［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］靳曉雄，胡子谷.工程機械噪聲控制學(xué)［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1997.

［3］張戎斌，畢傳興，張永斌.采用偏相干分析方法識別挖掘機駕駛室的噪聲源［J］.振動與噪聲控制，2011(4):106－110.

［4］練宏俊，盧耀祖，陳衛(wèi)，等.基于偏相干分析法的裝載機司機室噪聲源識別［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2001(11):1313－1316.

［5］梁興雨，舒歌群.基于相干功率譜分析的復(fù)雜柴油機噪聲源識別［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2006(4):344－350.

［6］貝達特JS，皮爾索AG.相干分析和譜分析的工程應(yīng)用［M］.凌福根，譯.北京:國防工業(yè)出版社，1983.

［7］左澤敏，李舜酩，鄭娟麗.相關(guān)分析在機械振動信號處理中的應(yīng)用［J］.機械制造與研究，2009，38(1):75－79.

［8］趙海瀾.偏相干分析在識別機車司機室噪聲源中的應(yīng)用［D］.上海:上海交通大學(xué)，2005:58－76.

Identification of Excavator Cab＇s Noise Source Based on Multi－input Partial Coherence Analysis

ZHOU Jing，LI Shunming，ZHANG Yuanyuan，MENG Haodong，HU Yixian
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

It studies the noise source identification of excavator cab based on partial coherence analysis method and testing an excavator.It analyzes the cab＇s noise signal spectrum，identifies the main frequency contributing the cab＇s noise，establishes a multi-input and single-output system of excavator.Using partial coherence function，it reemeoves the coherent effects from input signals，and calculates the effect on output from the rest of the signal.Finally，it sorts the order in terms of noise contribution rate.The results show that the induction noise， exhaust noise and engine noise are the primary noise sources of this excavator cab.

Excavator;Noise Source;Partial Coherence Function

TB533+.2

A

2095－509X(2013)04－0062－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.015

2012－12－14

周璟(1987—)，男，江蘇南京人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要從事車輛噪聲與振動控制研究。