秦仙蓉，姜 晟，胡建軍，張 氫，孫遠韜

(同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

世界經(jīng)濟發(fā)展表明，現(xiàn)代化建設速度在很大程度上取決于各種工程建設速度，而工程機械水平的高低，又直接對工程建設速度發(fā)揮著促進或抑制作用.因此，世界工業(yè)發(fā)達國家都將工程機械作為重點行業(yè)加以發(fā)展［1］.作為工程機械中一種非常重要的機型，裝載機的振動噪聲已成為評價其等級水平的重要指標之一.因而開展裝載機噪聲測試分析的研究，運用科學的診斷方法，確定噪聲中各聲源的貢獻大小和頻段，為各部件的降噪提供依據(jù)，具有重要的工程實際意義［2］.

醫(yī)學實驗證明，工程機械司機長期處在惡劣的振動噪聲環(huán)境中，特別容易引起聽力、血壓、神經(jīng)系統(tǒng)、睡眠等問題［3］，所以研究司機室的聲振問題十分必要.為了得到司機室結(jié)構(gòu)的激勵載荷和噪聲數(shù)據(jù)，需要對其進行聲振測試.本文著重介紹某型輪式裝載機的聲振試驗，闡明聲振試驗的方法和流程，并對試驗數(shù)據(jù)進行時域、頻域的分析處理.

1 聲振試驗的設備與測試過程

在上海某大型工程機械生產(chǎn)廠進行了某型裝載機外聲場、司機室基座的加速度響應與司機室內(nèi)聲場的現(xiàn)場測試.

1.1 試驗設備及傳感器布置

試驗一共使用兩個三向ICP(集成電路壓電式)加速度傳感器、兩個單向ICP加速度傳感器和兩個傳聲器.振動信號通過某型號的數(shù)據(jù)采集儀采集，該采集儀需要單獨供電.聲壓信號通過某堅固型數(shù)據(jù)采集儀采集，其配有內(nèi)置電池，故無需電源可獨立工作.每臺數(shù)據(jù)采集儀均需要對應一臺裝有相應數(shù)據(jù)采集分析軟件的電腦，并通過網(wǎng)線將兩者連接，進行數(shù)據(jù)傳輸.整套聲振試驗系統(tǒng)的原理如圖1所示.

裝載機的整體坐標系如圖2所示，其中X向沿機器長度方向指向鏟斗，Z向垂直于地面豎直向上，Y向垂直于XZ平面指向機器左(人坐在司機室正對鏟斗的方向為前方).

試驗所用的兩個三向ICP加速度傳感器分別布置于裝載機司機室與裝載機車架相連的基座上，雖然司機室共有四個基座，考慮到機器結(jié)構(gòu)的對稱性，可以認為兩側(cè)基座對稱，故分別在其右前側(cè)基座和左后側(cè)基座上各布置一個三向加速度傳感器，分別命名為G1測點和G2測點，如圖3所示.兩個單向加速度傳感器均布置在司機室內(nèi)座椅下方的地板上(見圖4)，分別測試座椅下方地板處X向和Y向的振動加速度，其中G3測點測試X向振動加速度，G4測點測試Y向振動加速度.

圖2 裝載機整體坐標系Fig.2 G lobal coordinate system of loader

兩個傳聲器分別布置在司機的左、右耳邊，傳聲器距離司機頭部中間平面約200 mm左右，與人坐在座椅上的平均耳朵高度位置等高，傳聲器水平指向前方(即X正向)，并分別編號為S1和S2，按照S1在左、S2在右進行布置.

現(xiàn)場噪聲測試過程中，應對背景噪聲進行測量以確認測試的有效性［4］，故試驗中在裝載機周圍半徑2 m處隨機選取A，B和C三點進行背景噪聲測量，背景噪聲采用某型號手持式信號測試分析系統(tǒng)進行測試，用以測量背景噪聲.圖5為傳聲器布置位置現(xiàn)場照片.

圖3 振動測點G1和G2布置位置圖Fig.3 The location of point G1 and G2 for vibration test

圖4 振動測點G3和G4布置位置圖Fig.4 The location of point G3 and G4 for vibration test

圖5 傳聲器布置位置圖Fig.5 The location of microphones

每一測點背景噪聲至少應比被測機器輻射噪聲低10 dB(A)，否則試驗結(jié)果需在測試值的基礎(chǔ)上加一個修正值.此外，每個測點測三次，并且其中兩次的測量結(jié)果間差值等于或小于l dB(A)，讀數(shù)才能作為有效測量值，不滿足時需要補充測試.

1.2 測試步驟及內(nèi)容

本文聲振試驗一共測試兩個工況下的振動和噪聲數(shù)據(jù)，分別為怠速定置工況和靜止舉動鏟斗工況.

(1)試驗前對試驗場地的背景噪聲進行了測量，背景噪聲的平均值約為46 dB，說明測試場地比較安靜［4］，背景噪聲很小，可以忽略其對測試結(jié)果的影響.

(2)完成上述背景噪聲的測量之后，分別啟動兩臺電腦上的數(shù)據(jù)采集軟件.設定振動加速度信號的采樣頻率為1 kHz，聲壓信號的采樣頻率為51.2 kHz，并對應各傳感器輸入相應的靈敏度參數(shù).設定參數(shù)完畢后確認各傳感器數(shù)據(jù)采集正常，開始按照預定工況，依次進行怠速定置工況和靜止舉動鏟斗工況的振動測試和噪聲測試.

(3)每個工況采集三組數(shù)據(jù)樣本，每個樣本采樣時間約60 s.

2 聲振試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 怠速定置工況

試驗測得裝載機怠速定置工況下各振動測點的振動加速度時間歷程數(shù)據(jù)，去除動態(tài)平均分量(去勢)后畫出其時間歷程曲線.由于測點較多，只取測點G1為例，如圖6所示，圖7是對應的功率譜.本文中所有功率譜曲線均選擇hanning窗，窗長為256個數(shù)據(jù)點，每段窗有128個數(shù)據(jù)點重合(50%的重合度)，數(shù)據(jù)點數(shù)為1 024個.

圖6 怠速定置工況下振動測點G1加速度時間歷程曲線Fig.6 Acceleration time history of point G1 in idle condition

圖7中峰值點處的X和Y分別指某階激勵頻率和該頻率下所對應的加速度功率譜密度值.由圖7所示的功率譜可知，激勵的能量基本集中在第一階頻率處，通過峰值拾取法，激勵的第一階頻率為35.16 Hz.怠速定置工況下裝載機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為720 r·min－1，對應的發(fā)動機激振基頻為12 Hz，司機室基座的激勵頻率約為發(fā)動機旋轉(zhuǎn)激勵的3倍基頻.

圖7 怠速定置工況下振動測點G1加速度信號功率譜曲線Fig.7 Power spectral density of acceleration of point G1 in idle condition

由于聲壓信號的采樣頻率很大，所以考慮到數(shù)據(jù)量，僅給出5 s時間范圍內(nèi)的聲壓時間歷程，如圖8所示，圖9是聲壓信號的功率譜曲線.由于聲壓信號屬于非平穩(wěn)信號，所以聲譜估計采用多段平均的Welch法，縱坐標取為對數(shù)坐標.

圖8 怠速定置工況下聲壓時間歷程曲線Fig.8 Time history of sound pressure in idle condition

圖9中峰值點處的X和Y分別指聲壓信號的某階激勵頻率和該頻率下所對應的聲壓功率譜密度值.圖9中聲壓功率譜的估計結(jié)果表明，兩測點的聲壓信號基頻均為50 Hz，由于此處采樣頻率為51.2 kHz，所以對于低頻段聲壓信號的頻率分辨率較低.根據(jù)奈奎斯特理論［5］，采樣頻率至少是信號中最大頻率分量頻率的2倍，否則就不能從信號采樣中恢復原始信號.因此可以提高采樣頻率，對原始信號進行重新采樣，從而提高其低頻段的聲壓信號頻率分辨率.

圖9 怠速定置工況下司機左右耳處聲壓功率譜曲線Fig.9 Power spectral density of acoustic signal at driver’s left and right ears in id le condition

2.2 靜止舉動鏟斗工況

將裝載機在靜止舉動鏟斗工況下所測得的各振動加速度時間歷程數(shù)據(jù)導出，其時間歷程曲線如圖10所示，圖11是對應的功率譜曲線.

圖10 靜止舉動鏟斗工況下振動測點G1加速度時間歷程曲線Fig.10 Acceleration time history of point G1 in working condition

根據(jù)圖11所示的功率譜曲線，通過峰值拾取法，得到靜止舉動鏟斗工況下司機室基座加速度激勵的第一階頻率為39.06 Hz，較怠速工況下的激勵頻率35.16 Hz有所增加，說明靜止舉動鏟斗時裝載機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，振動變大，傳遞到基座的振動加速度也相應增大.

對于靜止舉動鏟斗工況，同樣取5 s時間范圍內(nèi)的聲壓時程數(shù)據(jù)，其時間域內(nèi)的聲壓曲線如圖12所示，圖13是對應的功率譜曲線.

圖11 靜止舉動鏟斗工況下振動測點G1加速度信號功率譜曲線Fig.11 Power spectral density of acceleration of point G1 in working condition

圖12 靜止舉動鏟斗工況下聲壓時間歷程曲線Fig.12 Time history of sound pressure in working condition

圖13 靜止舉動鏟斗工況下司機左右耳處聲壓功率譜曲線Fig.13 Power spectral density of acoustic signal at driver’s left and right ears in working condition

圖13所示的聲壓功率譜曲線表明，兩測點的聲壓信號能量主要集中在50，350，700及1 100 Hz這些主要頻段.與怠速定置工況下一致的是基頻都是50 Hz，其中350，700及1 100 Hz均為50 Hz的倍頻.

3 結(jié)論

(1)怠速定置工況下，被測裝載機司機室的加速度激勵基頻約為36 Hz，恰好處在發(fā)動機激勵12 Hz的倍頻程上.

(2)怠速定置工況下司機室基座加速度響應的基頻頻率為35.16 Hz，要低于靜止舉動鏟斗工況下的激勵頻率39.06 Hz，表明舉動鏟斗時發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加了.

(3)怠速定置工況下，司機室內(nèi)的噪聲約為74 dB，靜止舉動鏟斗時室內(nèi)噪聲為85 dB，靜止舉動鏟斗工況下噪聲明顯增加.

［1］朱峰.裝載機結(jié)構(gòu)件有限元分析與結(jié)構(gòu)改進［D］.長春:吉林大學，2009.

ZHU Feng.Loader structure finite element analysis and structural improvement［D］.Changchun:Jilin University，2009.

［2］藺宏偉，張建潤，張偉，等.聲強測試在裝載機噪聲源分析中的應用［J］.噪聲與振動控制，2008，28(5):178 －181.

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［3］吳衛(wèi)平，段志，貴馨，等.推土機噪聲對駕駛員健康影響的調(diào)查［J］.職業(yè)醫(yī)學，1987，14(5):55 －61.

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［4］國家環(huán)境保護局.GB3096—93城市區(qū)域噪聲標準［S］.北京:中國標準出版社，2008.

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CHENG Peiqing.Digital signal processing tutorial［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2007.