工業(yè)平縫機噪聲源定位與低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃彩霞，楊振東，曹 申，龔 寄

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院 機械工程學(xué)院，長沙 410205)

工業(yè)平縫機是制衣廠的主要縫制設(shè)備，隨著平縫機轉(zhuǎn)速的增加和生產(chǎn)規(guī)模的提高，大量同時工作的機器所帶來的噪聲以及振動對操作員的工作效率和健康帶來極大的影響[1–2]，而且噪聲干擾容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此有必要對平縫機的振動與噪聲控制問題開展研究，而準確識別振動與噪聲源是有效解決問題的關(guān)鍵，也一直是振動與噪聲控制研究人員的研究重點[3–4]。

在噪聲源識別方面，如袁旻忞等[5]利用工況傳遞路徑分析方法，開展了高速列車車廂內(nèi)噪聲源的定位研究。郝鵬等[3]針對車輛加速行駛過程中噪聲源隨車運動、位置和速度實時動態(tài)變化的特性，提出一種新的運動聲源的時域傳遞路徑識別方法。齊全等[6]應(yīng)用OTPA方法對某型液壓挖掘機的駕駛室耳旁結(jié)構(gòu)噪聲進行噪聲傳遞路徑進行分析，獲得需要改進減振器減振性能的頻率點。

聶永發(fā)等[7]針對噪聲源識別中存在的識別精度不高、分辨率受限、對測量條件要求高等問題，提出了基于源強聲輻射模態(tài)的噪聲源識別方法。目前很多噪聲源定位方法要不沒有考慮振動源之間的耦合特性，要不對實驗條件要求較高，實驗成本高，限制了其工程應(yīng)用。

在進行噪聲源識別過程中，如果噪聲源之間不相干，則通過常相干函數(shù)的計算就可以確定主要聲源。但對于噪聲源之間存在相干性的情況，常相干分析方法就無法準確識別出噪聲源[8]。偏相干分析理論是在原常相干分析理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過將信號與其他信號相干的部分剔除，計算殘余信號對輸出的影響來對噪聲源進行分析。如吳旭東等[9]利用偏相干方法對燃料電池車進行噪聲識別，得出了車內(nèi)主要噪聲源在不同頻段的貢獻量以及相互之間的影響程度。Fan等[10]針對高速列車車廂內(nèi)的噪聲控制問題，利用常相干分析和偏相干分析方法辨識車廂內(nèi)的主要噪聲源為地板輻射的結(jié)構(gòu)噪聲。

由于偏相干分析中需要剔除其他信號的影響，則首先需確定有影響的信號，即進行信號遺漏檢測，此步驟對于保證結(jié)論正確性的至關(guān)重要。注意到，當前研究要不在分析方法完備性方面存在缺陷，要不分析結(jié)果有效性有待實驗驗證。

本文提出了一種簡單的低成本實驗方法，結(jié)合時域分析和頻域分析開展噪聲源識別研究，并通過實驗驗證分析結(jié)果的正確性。首先通過工業(yè)平縫機振動與噪聲實驗獲得測試點的振動加速度和噪聲聲壓信號；在時域中，對比分析不同轉(zhuǎn)速下的振動加速度和噪聲聲壓的有效值，初步判斷機架共振是噪聲峰值的直接原因；在頻域中，首先通過振動加速度和噪聲聲壓信號的重相干分析，確保振動加速信號能準確解釋噪聲聲壓信號。進而通過振動加速度和噪聲聲壓信號的偏相干分析，確定機架Z方向的振動為噪聲產(chǎn)生的主要原因，機架應(yīng)作為平縫機低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計對象。

最后開展了機架低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計，實驗結(jié)果證明改進的機架能降低平縫機的運行噪聲，驗證了本文提出的噪聲源識別方法有效。

1 振動與噪聲測試實驗

為了獲得平縫機工作時候的振動和噪聲信號，首先進行振動與噪聲測試實驗。實驗環(huán)境為較大空間的室內(nèi)，近似為半消音室。噪聲測試場地的環(huán)境噪聲低于最低工作噪聲10 dB以上，符合國家標準[11]的規(guī)定。聲級計選用杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)的AWA6270+AB型聲級計。測量平縫機加速度的傳感器選用美國PCB生產(chǎn)的333B30型加速度傳感器，其頻率響應(yīng)范圍、相對靈敏度、質(zhì)量等參數(shù)符合國家標準[12]的相關(guān)規(guī)定。聲級計的安裝位置符合標準[11]的相關(guān)規(guī)定，其端面軸線對準針板孔與針板平面成45度夾角，通過針桿中心平面且垂直于主軸軸線。噪聲聲壓為相對聲壓，單位為Pa，由實時聲壓信號輸出接口提供。

6個振動測試點分布位置如下：測試點1位于平縫機機頭靠近針桿處；測試點2和3分別布置在驅(qū)動電機罩上端和臺板左側(cè)；測試點4安裝在針板的安裝孔處；測試點5和6分別布置在潤滑油盤和機架橫梁處。在實驗之前，通過建立如圖1所示的平縫機動力學(xué)模型，進行動力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)沿平縫機電機軸的Y方向振動較小。

圖1 平縫機動力學(xué)模型

因此，每個測試點分別只測試X和Z兩個方向的振動加速度，忽略Y方向的振動。為了獲得較高的信號同步性，振動與噪聲信號采集選用NI的PXI-8105e嵌入式控制器和動態(tài)采集卡PXI-4472，采樣頻率為10 kHz。考慮到平縫機結(jié)構(gòu)振動所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲以中低頻為主，信號的低通截止濾波頻率為1 000 Hz。測試傳感器安裝位置，以及振動與噪聲的測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 平縫機噪聲與振動測試實驗

振動與噪聲測試過程中，通過調(diào)整加速踏板電位器輸出端的電壓來控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。當控制電壓由2.72 V升至3.83 V時，電機轉(zhuǎn)速由200 r/min升至最大轉(zhuǎn)速4 000 r/min。共采集34個不同電機轉(zhuǎn)速工況下的振動與噪聲信號，且每個工況的信號采集時間為5秒鐘。

2 振動與噪聲信號的時域分析

在信號采集過程中，由于放大器溫漂、傳感器頻率特性不穩(wěn)定性，以及噪聲干擾等因素，采集的信號數(shù)據(jù)往往會偏離基線，這種信號的趨勢項會影響信號的正確性。本文采用多項式最小二乘法對采集的加速度和噪聲信號進行消除趨勢項處理，其過程可描述如下：

(1)定義為測試信號xk的擬合值，則其多項式形式可表示為

式中：k=1,2,…,n為采集信號的序號，m為多項式的階次；

(2)待定系數(shù)aj(j=0,1,…,m)通過最小二乘法求解下式而獲得

(3)確定擬合值x?k的多項式系數(shù)后，根據(jù)需要確定消去多項式的階次。測試信號減去該階次的多項式擬合值后就消除了其中的趨勢項，表示為

圖3(a)－圖3(b)分別為6個測試點X和Z兩個方向的加速度均方根值。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的振動加速度有效值

由圖可知，隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，兩個方向的加速度均方根值總體上呈上升趨勢。值得注意的是，測試點6的X方向加速度有效值在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min時有明顯的峰值，同時在4 000 r/min時出現(xiàn)了急速上升的趨勢。由于測試平縫機的電機控制器限制電機的最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，雖然沒有出現(xiàn)波峰的下降沿，但不妨礙預(yù)測4 000 r/min或略高于4 000 r/min的某個轉(zhuǎn)速為振動加速度的第2波峰。為了便于分析及說明，在此假設(shè)第2波峰對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。因此可初步判斷機架分別在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min和4 000 r/min時發(fā)生共振。

不同電機轉(zhuǎn)速下的噪聲聲壓均方根值如圖4所示。

從圖中可看出噪聲隨著電機轉(zhuǎn)速的增加而增加。另外，在電機轉(zhuǎn)速為2 748 r/min時，噪聲聲壓有效值出現(xiàn)第一個波峰，而當電機轉(zhuǎn)速增加到4 000 r/min時，噪聲聲壓均方根值急速上升。同理，在此假設(shè)4 000 r/min為噪聲聲壓有效值第2個波峰對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

注意到機架X方向加速度均方根值的兩個波峰對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速和噪聲聲壓均方根值波峰對應(yīng)的轉(zhuǎn)速恰好相等，換算為旋轉(zhuǎn)頻率即為45.80 Hz和66.72 Hz。由此可判斷平縫機機架的振動對噪聲影響非常大，特別是機架發(fā)生共振可導(dǎo)致噪聲迅速增加。由于除加速和減速這兩種過度狀態(tài)，在正常的縫制過程中平縫機操作人員一般都會將加速踏板踩至最大位移處，驅(qū)動電機在控制器的控制下保持于最大速度4 000 r/min處，再加上此轉(zhuǎn)速噪聲聲壓最大，因此后續(xù)分析中僅將轉(zhuǎn)速為4 000 r/min作為研究工況。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的噪聲聲壓

3 基于偏相干分析的噪聲源定位

3.1 振動與噪聲信號的重相干分析

如果將平縫機看成一個聲振系統(tǒng)，振動加速度是這個系統(tǒng)的輸入，而噪聲聲壓即為這個系統(tǒng)的輸出，前者亦稱為解釋變量，而后者為響應(yīng)變量。就聲振系統(tǒng)而言，在進行振動與噪聲信號的偏相干分析之前，必須先檢查是否有重要的振動加速度信號被遺漏，以免所分析的振動信號不能準確解釋噪聲信號。重相干函數(shù)常用于檢測是否有重要的信號被遺漏，其定義如下[14]

式中：|·?|?表示矩陣的行列式；Gyxx為 Hermitian 矩陣，定義為；Gxy為單邊功率譜密度矩陣，Gyx和Gxy互為共軛復(fù)數(shù)。Gxy由式(6)計算；Gxx和Gyy為自功率譜密度矩陣。

式中：ω是歸一化頻率；Rxy(m)為互相干序列，定義為，其中y*為y的共軛復(fù)數(shù)，i為離散信號的采樣點序號。

考慮到往復(fù)機構(gòu)主要安裝于機頭中，以及機架的共振和潤滑油盤面積較大且剛度較低，容易輻射噪聲，初步確定關(guān)鍵振動源為測試點4、5和6的X、Z方向上的振動加速度。圖5為速度為4 000 r/min時，以關(guān)鍵振動源為輸入，噪聲聲壓為輸出的重相干函數(shù)值。

圖5 振動與噪聲信號的重相干函數(shù)值

由圖5可知，在0～1 000 Hz范圍內(nèi)重相干函數(shù)值均超過0.5，說明輸入中沒有重要的振動源被遺漏[14]。由于針桿機構(gòu)直接由電機驅(qū)動，而旋梭機構(gòu)由電機經(jīng)2倍升速齒輪驅(qū)動，因此當電機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，針桿上下運動產(chǎn)生的激勵頻率為66.7 Hz，旋梭機構(gòu)產(chǎn)生的激勵頻率為133.4 Hz。注意到圖5中，在30 Hz～150 Hz頻段內(nèi)，重相干函數(shù)值均超過8.0，進一步確保在分析頻段內(nèi)沒有重要的振動源被遺漏符合工程判斷標準。因此，6個振動加速度信號能很好地解釋噪聲聲壓，或者說這6個振動加速度信號與噪聲聲壓信號關(guān)系密切，選擇這6個振動加速度為聲振系統(tǒng)的輸入能準確解釋系統(tǒng)的輸出。

3.2 振動和噪聲信號的偏相干分析

通過以上的分析，可確定測試點4、5、6的X和Z方向的振動加速度對噪聲聲壓影響較大。但如果要準確確定這些測試點的哪個方向的加速度對噪聲聲壓影響最大，就需要進行偏相干分析。偏相干系數(shù)是在對其他變量的影響進行控制的情況下，衡量多個變量中某兩個變量之間的線性相關(guān)程度。振動和噪聲信號之間的偏相干系數(shù)通過下式計算[14]

通過式(7)計算得到轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，測試點4、5和6的X、Z方向上的振動與噪聲信號的偏相干 系 數(shù) 為 ：。由此可知，測試點6的Z方向振動與噪聲呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，或者說降低機架Z方向的振動對減小平縫機運行噪聲有重要意義。

4 機架低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過振動與噪聲信號的時域分析可知，機架共振是平縫機噪聲峰值的直接原因；在頻域中，通過振動和噪聲信號的偏相干分析可知，機架Z方向振動與平縫機噪聲呈顯著相關(guān)。因此，提高機架的剛度是降低平縫機噪聲的關(guān)鍵。

建立機架有限元模型后進行模態(tài)分析，前6階振型如圖6所示，固有頻率如表1所示。

表1 前6階固有頻率

如前所述，針桿上下運動產(chǎn)生的激勵頻率為66.7 Hz，旋梭機構(gòu)產(chǎn)生的激勵頻率為133.4 Hz。由表1可知，第3階和第6階的固有頻率與上述兩個激勵頻率6階振型主要表現(xiàn)為兩個垂直板上部的扭轉(zhuǎn)變形，且第1階振型反映出下部橫板的上下彎曲位移也較大。由此可見，機架的橫向穩(wěn)定性較差，特別是第1階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的振動貢獻最大，因此有必要增強機架的橫向剛度。為了減小兩塊豎板上部的扭轉(zhuǎn)位移，在其上部之間安裝一根橫板，以便增強其橫向穩(wěn)定性。同時，通過增加板材厚度來調(diào)整固有頻率，避免共振。圖7為原機架和改進后的機架對比。采用改進后的機架進行如圖2所示的噪聲測試實驗，測得的A計權(quán)聲壓級比改進前降低了1.2 dB，噪聲改善明顯，由此也證明了噪聲源識別結(jié)果的有效性。

圖6 機架模態(tài)振型

圖7 機架改進前后對比

5 結(jié)語

開展了工業(yè)平縫機噪聲源識別與低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到如下結(jié)論：

(1)對平縫機不同轉(zhuǎn)速下的振動與噪聲信號進行時域分析，機架在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min和4 000 r/min時產(chǎn)生共振現(xiàn)象，機架發(fā)生共振是導(dǎo)致噪聲峰值的直接原因；

(2)由振動與噪聲信號的偏相干分析結(jié)果，可知機架Z方向振動加速度信號與噪聲聲壓信號顯著相關(guān)；

(3)低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計包括在機架豎板間端增加橫板，提高其橫向穩(wěn)定。以及通過增加板材厚度，對機架固有頻率進行調(diào)整。實驗結(jié)果證明，改進的機架能明顯減小工業(yè)平縫機的運行噪聲，從而驗證了本文提出方法的有效性。