采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源_张戎斌

采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源_张戎斌 2011年8月噪声与振动控制第4期 文章编号:1006-1355(2011)04-0106-05 采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源 张戎斌，毕传兴，张永斌 (合肥工业大学噪声与振动研究所，合肥230009) 摘要:液压挖掘机的控制和运转部件较多，其结构特点决定了噪声源的错纵复杂，而且各主要噪声源具有相关性。因此，采用偏相干分析方法可对液压挖掘机进行噪声源识别研究。首先建立挖掘机的多输入单输出噪声源识别模型，然后用Matlab编制偏相干函数计算的程序，最后以某型液压挖掘机为例进行试验研究。在实验中基于偏相干分析可确定影响驾驶室司机右耳噪声的主要噪声源。 关键词:声学;液压挖掘机; 偏相干系数;声源;降噪中国分类号:TB53 文献标识码:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-1355-2011.04.025 IdentificationofExcavatorCab’sNoiseSourceBasedonPartial CoherenceAnalysis ZHANGRong-bin,BIChuan-xing,ZHANGYong-bin (InstituteofSoundandVibrationResearch， HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China) ——————————————————————————————————————————————— Abstract:Sincehydraulicexcavatorconsistsofmanycontrollingandoperatingcomponents,ithaslotsofnoisesources,andthemajornoisesourcesarerelevant.So,itisappropriatetoidentifythenoisesourceofthehydraulicexcavatorusingthepartialcoherenceanalysis.Inthispaper,amulti-inputandsingle-outputnoisesourceidentificationmodelisfirstlyestablished,andthenanalgorithmisdevelopedforthecalculationofthepartialcoherencefunctionbasedonMatlab.Finally,anexperimentiscarriedoutwithanactualhydraulicexcavator.Intheexperimentthemainsourcesinfluencingthenoiseatthedriver’sright-eararei dentifiedusingthepartialcoherenceanalysis.Thisworkprovidessomeguidanceforfurtherstudyofvibrationandnoisereductionoftheexcavator. Keywords:acoustics;hydraulicexcavator;partialcoherenceanalysis;noisesources;noisereduction 近年来对噪声源的识别采用领域处理的相干技术得到越来越广 泛的应用[1,2]。相干分析技术[3]可以识别不同的输入声源对输出的影 响，从而判断主要噪声源。但是，相干分析的条件是各输入声源之间 不相关，当各输入声源之间相关时，采用相干分析就不够准确。偏相 干技术由相干技术发展而来，可以排除不同输入声源之间的相互影响， 对于各声源相关的情况，依然可以有效地判断出系统的主要噪声源。 因此，偏相干技术在实际工程处理中更加有效。同时，这种分析方法 不需要改变现场环境就可 ——————————————————————————————————————————————— 收稿日期:2010-11-10;修改日期:2011-04-29 项目基金:国家自然科学基金(10974040)和新世纪优秀人才 支持(NCET-08-0767)资助课题。 作者简介:张戎斌(1986-)，男，安徽省六安市人，硕士，目前 从事车辆噪声与振动控制研究。E-mail: zhangrongbin--52@163.com 以对实际情况下的噪声源进行分析，它不但可以分析声音，还可以分析振动、速度、压力等对噪声源的影响[4]。 液压挖掘机的控制和运转部件较多，相应的噪声来源也比较多，而且各主要噪声源之间具有相关性。所以偏相干分析更适合用于液压挖掘机的噪声源识别。本文首先建立了挖掘机的多输入单输出噪声源识别模型，然后编制了偏相干函数计算的Matlab算法，最后以某型液压挖掘机为例进行了试验研究。实验中基于偏相干分析确定了影响驾驶室司机右耳噪声的主要噪声源，为挖掘机的进一步减振降噪提供了依据。 1偏相干技术 如图1所示，在有q个输入，一个输出的多输入 i=1，q，单输出系统中，输入为xi(t)，2，…，并通过q个频率响应函数为Hi(f)的常参数线性系统产生 采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源 一个测量输出y(t)。其中xi(t)与y(t)都可以直接测量。输出y(t)是人们预计的理想线性输出vi(t)与偏离理想模型的所有可能偏差n(t)之——————————————————————————————————————————————— 和。对于这样一个系统，根据相干函数的定义，其相干函数的计算公 式为: γ=GG iiyy 2iy 107 利用以下三个方程联立求解，可得出各输入与输出之间的偏相干 函数。 Gij?(i-1)! Lij= Gii?(i-1)! Gij?r!=Gij?(r-1)!-LrjGir?(r-1)! (3)(4)(5) |G| iy 2 (1) γ 2 iy?(i-1)! = | ——————————————————————————————————————————————— 式中Giy是xi(t)与y(t)间的互谱密度函数;Gii和Gyy分别是xi(t)与y(t)的自谱密度函数。 Gii?(i-1)!Gyy?(i-1)! Giy?(i-1) | 2 xi(t)与y(t)间的偏相干函数;式中γ2iy?(i-1)!为 Gij?(i-1)!是去掉x1(t)到x(i-1)(t)的相关影响之后的条件互谱密度函数;Gyy?(i-1)!是去掉x1(t)到x(i-1)(t)相 关影响之后的条件自谱密度函数[5]。 根据图3的求解步骤，在Matlab中编程计算，已知时域数据xi(t)和y(t)可求出他们的自谱和互谱， 图1多输入单输出系统Fig.1Multi-inputsingle-outputsystem 在计算偏相干函数前，需要首先用多输入单输出的条件模型来示消除各个通道间相关影响后的多输入单输出系统。多输入单输出系统的条件模型如图2所示。 图2多输入单输出系统的条件模型 Fig.2Conditionalmodelofmulti-inputsingle-outputsystem i=1,2,?,q。对在图2中，Xi?(i-1)!为输入， {} 于任意i，Xi?(i-1)!表示X1，X2，X3，…Xi-1条件下的Xi，即去除了X1到Xi-1的线性影响之后的Xi。这些条件输入记录是两两不相关——————————————————————————————————————————————— 的。图中一 {} 图3偏相干函数求解 Fig.3SolvingProcessofPartialCoherenceFunction 组最优的常参数线性频率响应函数记为{Liy}，i=1,2,?,q。 再通过条件传递函数和条件谱的迭代，即可求出各输入的偏相干函数。 2011年8月噪声与振动控制第4期 2噪声源识别模型及实验测试 本文研究的对象是7.5t级别的挖掘机。根据挖 Matlab进行编程计算出各输入与输出的偏相干函数。 图6所示为进气噪声的自功率谱，跟据自功率谱图可见进气噪声主要在0,300Hz范围内比较明显。所以在这个频率范围内，进气噪声对司机耳侧的噪声贡献量比较大。图7和图8分别是进气噪声和司机右耳噪声的常相干函数图及偏相干函数图。常相干函数图中，频率在0,300Hz范围内相干系数较大，但是由于受到其他噪声的影响，常相干函数在300,500Hz以及1500Hz附近也比较大。而偏相干函数图中，显示进气噪声只在0,300Hz范围内对司机耳侧的噪声贡献量比较大。可见，偏相干 函数很好的排除了其他噪声源的影响。 掘机的工作原理以及其发声特点，列出以下几个主要噪声源:进气噪声、排气噪声、主泵噪声、主阀噪声和发动机噪声。各测点位置——————————————————————————————————————————————— 如图4所示。以上面五种噪声作为输入、驾驶室司机右耳噪声作为输出，得到图5所示的挖掘机噪声源识别多输入单输出模 型。 图4挖掘机各测点位置Fig.4Measuringpointofexcavator 实验测量中采用LMS公司的Test.lab记录车辆定置模拟挖掘情况下，发动机转速为2100r/min时的噪声数据。采样频率为25.6kHz，记录时间长度30s 。 图6进气噪声自功率谱 Fig.6Powerspectrumofintake noise 图5挖掘机实验模型 Fig.5Experimentalmodelofexcavator 图7进气噪声的常相干函数 Fig7Coherencefunctionofintakenoise 图9所示为发动机噪声的自功率谱，图10和图11分别是发动机噪声的常相干函数图及偏相干函数图。同样，偏相干与常相干函数相比剔除了多余的峰值。偏相干函数更能准确的体现出输入信号对输出的贡献。 3偏相干函数的计算 进气噪声、排气噪声、主泵噪声、主阀噪声、发动 机噪声分别记为x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t);司机右耳噪声——————————————————————————————————————————————— 记为y(t)。根据公式(3)、(4)、(5)通过 采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源109 2图8进气噪声的偏相干函数γ1y?2345 2Fig.8PartialCoherenceFunctionγ1ofintake noisey?2345图11发动机的偏相干函数γ 5y?1234Fig.11PartialCoherenceFunctionγ5y?1234ofenginenoise22 图12至图14是排气噪声、主泵噪声、主阀噪声各自与司机右耳噪声的偏相干函数。从以上几幅偏相干函数图中可以看到驾驶室司机耳旁噪声主要来自进气噪声、发动机噪声和主阀噪声，而排气噪声和主泵噪声的影响较弱。 根据偏相干函数图总体来看频率小于250Hz的噪声主要由进气口、发动机和主阀所辐射噪声组成;而大于400Hz的噪声则主要来自于发动机和主 阀。 图9发动机噪声自功率谱 Fig.9Powerspectrumofengine noise 图12排气噪声的偏相干函数γ22y?1345 Fig.12PartialCoherenceFunctionγ22y?1345ofexhaustnoise图15所示为司机右耳处测量噪声的频谱，图中主要峰值点对应频率为:35.94Hz，44dB;70.31Hz，58.28dB;144Hz，55.45dB;319Hz，57.05dB。 图10发动机噪声的常相干函数 ——————————————————————————————————————————————— Fig.10Coherencefunctionofengine noise 2011年8月噪声与振动控制第4 期 各主要频率处的偏相干系数如表1所示。 表1各主要频率处的偏相干系数 Tab.1PartialCoherenceofthemainfrequency 各噪声源的偏相干系数 主要频率(Hz) 进气 35.94 70.31 144 3190.3960.3140.010.303发动机0.1410.5100.5390.01主阀0.3650.6050.050.123 从表中可以看到，频率35.94Hz处的噪声主要 2图13主泵噪声的偏相干函数γ3y?1245 2Fig.13PartialCoherenceFunctionγ3ofmainpump noisey?1245原因是进气噪声，主阀噪声次之;70.31Hz处的噪声主要原因为主阀和发动机噪声，进气噪声次之;144 Hz处的噪声主要原因为发动机噪声;319Hz的噪声 主要原因为进气噪声。 ——————————————————————————————————————————————— 基于上述分析确定了该型液压挖掘机驾驶室噪 声的峰值频率对应的主要噪声源。在之后的降噪处 理中，只要对以上主要噪声源的相应频率进行抑制 就可以很好地降低驾驶室的噪声。 4结语 本文采用偏相干分析法对液压挖掘机的驾驶室 噪声进行了分析。计算出各噪声源的偏相干函数， 并进行了分析比较，确定了驾驶室噪声主要频率处 图14主阀噪声的偏相干函数γ24y?1235 Fig.14PartialCoherenceFunctionγ24y?1235ofmainvalve noise各噪声源的贡献大小，为挖掘机的进一步减振降噪提供了方向。 参考文献: [1]赵海澜,汪洪振.偏相干分析识别噪声源的计算[J]..噪声 与振动控制,2005,25(5):31-33.. [2]吴旭东,左曙光,芦 81-84.. [3]陈茉莉,李舜酩.信号源识别的相干函数法[J]..中国机械 工程,2007,18(1):95-100.. [4]宋晶.利用偏相干函数法识别汽车整车噪声源的研究 [D]..四川:西华大学,2006,18-58.. [5]赵海澜.偏相干分析在识别机车司机室噪声源中的应用 ——————————————————————————————————————————————— 图15司机右耳噪声的频谱(A计权) Fig.15Spectrumofdriversrightearnoise(A-weighted)[D]..上海:上海交通大学,2005,21-76..勇.偏相干分析在燃料电池轿车噪声源识别中的应用[J]..噪声与振动控制,2008,28(3): ———————————————————————————————————————————————