曹麗英，張躍鵬，張玉寶

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

基于LabVIEW的錘片式粉碎機(jī)噪聲測(cè)試分析

曹麗英，張躍鵬，張玉寶

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

針對(duì)傳統(tǒng)噪聲測(cè)量?jī)x器的不足，利用傳感器技術(shù)和虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，以B&K公司的傳聲器、放大器和NI公司的數(shù)據(jù)采集卡為硬件，搭建硬件采集平臺(tái)并編寫虛擬儀器應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉碎機(jī)噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、聲壓級(jí)分析、1/3倍頻程分析以及計(jì)權(quán)分析。測(cè)試結(jié)果表明：粉碎機(jī)平均噪聲為94.2dB（A），噪聲信號(hào)中主要包含6種不同的頻率成分，主要來(lái)源于47Hz/180Hz/200Hz/361Hz/893Hz/1263Hz頻率段的信號(hào)。最后，用B&K公司的2250精密型聲級(jí)計(jì)在上述相同環(huán)境下做1/3倍頻程頻譜測(cè)量，二者所測(cè)結(jié)果基本吻合，確定系統(tǒng)的精確性，為后續(xù)噪聲源識(shí)別和降噪提供基礎(chǔ)。

采集平臺(tái)；LabVIEW；粉碎機(jī)；信號(hào)分析

0 引 言

隨著全球工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為人類的一大公害，噪聲治理迫在眉睫。目前，錘片式粉碎機(jī)是飼料工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種粉碎機(jī)機(jī)型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)[1]，但粉碎機(jī)也是飼料加工廠最大的噪聲源。因此，研究粉碎機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因及治理方法有重要的意義。

關(guān)于噪聲，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了大量的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，Vlastimir等[2]用軟計(jì)算方法代替數(shù)值模擬評(píng)估噪音風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平，劉曉娟等[3]對(duì)車體表面進(jìn)行振動(dòng)與噪聲信號(hào)時(shí)頻分析，進(jìn)而利用相干分析得出相干分析譜圖，Xi等[4]利用測(cè)試技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)識(shí)別內(nèi)聯(lián)四缸柴油機(jī)的噪聲源和振動(dòng)源，Louis等[5]在沖擊激勵(lì)下測(cè)量系統(tǒng)各元素，然后用信號(hào)處理的方法提取對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響較大的信號(hào)源，Shu等[6]采用層次診斷與相干功率譜分析的方法來(lái)識(shí)別復(fù)雜的柴油機(jī)噪聲源，其主要借助傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器集中研究振動(dòng)噪聲，對(duì)氣動(dòng)噪聲研究甚少。關(guān)于粉碎機(jī)噪聲研究，目前主要集中在篩分效率[7-8]等方面，系統(tǒng)地對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試研究還較少。

LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種基于G語(yǔ)言的圖形化編程語(yǔ)言，針對(duì)虛擬儀器技術(shù)具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[9]，本文通過LabVIEW編程開發(fā)了一套噪聲測(cè)試分析系統(tǒng)，利用傳感器技術(shù)和虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，應(yīng)用少量硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉碎機(jī)噪聲信號(hào)的測(cè)試與分析。

1 系統(tǒng)組成

圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)組成原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分用LabVIEW2013編程軟件開發(fā)。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、頻譜測(cè)量，便可直觀地了解噪聲頻譜特性。

2.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集是測(cè)試信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)信號(hào)能夠接收和處理數(shù)字信號(hào)的過程。噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)用DAQmax節(jié)點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行編程，采集程序的程序框圖，如圖2所示。

圖2 采集程序的程序框圖

2.2 標(biāo)定系數(shù)的確定

系統(tǒng)采集數(shù)字信號(hào)的大小并不表示聲壓信號(hào)的大小,故必須找到它們之間的關(guān)系,以便求出聲壓信號(hào)的大小。若聲壓信號(hào)包含的頻率在麥克風(fēng)的平坦頻帶內(nèi)，則聲壓信號(hào)p（t）與其對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)D（t）成線性關(guān)系，即p（t）=kD（t）[10]。

系統(tǒng)選用的傳聲器平坦頻率范圍為 6.3 Hz～20kHz，而粉碎機(jī)噪聲一般為低、中頻噪聲[11]，可見，該頻帶完全可以滿足線性轉(zhuǎn)換條件。用聲級(jí)校準(zhǔn)器產(chǎn)生1kHz，Lk=94dB（1自由場(chǎng)）聲信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。確定標(biāo)定系數(shù)的程序如圖3所示。

2.3 聲壓、聲壓級(jí)分析

主要有三方面的因素：①由于浸出中上清含有一定的雜質(zhì)砷、銻、鍺等，同時(shí)二段壓濾機(jī)跑漏的液體和球磨機(jī)溢流出的礦漿，經(jīng)過地坑泵泵入一段凈化槽，其中含有一定的銻。另外，一段凈化溶液中含有Cu2+, Cu2+具有降低Co超電勢(shì)，增大鋅鈷微電池電勢(shì)差，從而增大置換過程的熱力學(xué)推動(dòng)力的作用，銻、銅的存在，給鈷的置換反應(yīng)創(chuàng)造了條件。②一段凈化配置2臺(tái)80 m3反應(yīng)槽，鋅粉僅在1#槽加入，且過量加入，鋅粉分配比例不合理。③一段凈化總反應(yīng)時(shí)間為1.2～1.5 h，為鈷的置換提供了充足的反應(yīng)時(shí)間。另外，一段凈化無(wú)法實(shí)現(xiàn)渣與液體的快速分離。

與無(wú)聲波傳播時(shí)相比，當(dāng)介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)介質(zhì)內(nèi)最大的壓力變化為聲壓，一般取測(cè)量聲壓的均方根值，即：

圖3 標(biāo)定系數(shù)的確定

式中：T——積分時(shí)間，s；

p（t）——介質(zhì)內(nèi)壓力變化值，Pa。

則可得聲壓級(jí)的計(jì)算公式為

式中：Lp——聲壓級(jí)，dB；

P0——參考聲壓，P0=2×10-5Pa。

聲壓、聲壓級(jí)是表示聲音強(qiáng)弱的物理量。根據(jù)聲壓、聲壓級(jí)的定義及LabVIWE提供的函數(shù)，即可方便地求出以上兩個(gè)參數(shù)。

2.4 1/3倍頻程分析

為分析噪聲的頻率成分，需要進(jìn)行頻譜分析。將人耳的聽覺范圍20Hz～20kHz劃分為32個(gè)頻帶，測(cè)出每個(gè)頻帶的噪聲強(qiáng)度便可獲得噪聲頻譜圖。

本文采用1/3倍頻程濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。倍頻程濾波器是指濾波器的上下截止頻率根據(jù)頻帶的上下限自動(dòng)調(diào)整的帶通式濾波器[12]。求出各個(gè)頻帶的聲壓,再求得頻帶聲壓級(jí)得到1/3倍頻程頻譜圖[13]。 1/3倍頻程分析程序，如圖4所示。

2.5 A計(jì)權(quán)分析

圖4 1/3倍頻程分析程序

圖5 A計(jì)權(quán)分析程序

聲壓級(jí)僅反映聲音強(qiáng)度對(duì)人響度感覺的影響，不能反映聲音頻率對(duì)響度感覺的影響[14]。由于A聲級(jí)能較好地反映于人耳的聽感特性，因此是目前廣泛應(yīng)用的一個(gè)噪聲評(píng)價(jià)量[15]。在1/3倍頻程分析中已經(jīng)求出各頻帶的聲壓級(jí)將1/3倍頻程的頻帶聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)權(quán)修正值，就可求出其計(jì)權(quán)頻帶聲壓級(jí)，然后利用便可求出噪聲的計(jì)權(quán)聲壓級(jí)[16]。A計(jì)權(quán)分析程序如圖5所示。

3 測(cè)試分析

根據(jù)噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6971——2007《飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法》，將粉碎機(jī)遠(yuǎn)離墻壁或其他反射物進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)量，在距粉碎機(jī)表面0.5 m處、與轉(zhuǎn)軸同一水平面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

用傳聲器對(duì)準(zhǔn)粉碎機(jī)表面，在粉碎機(jī)空載和負(fù)載兩種工況進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)得空載和負(fù)載工況下的噪聲平均聲壓級(jí)分別為95.2dB（A）和94.2dB（A）。頻譜測(cè)量結(jié)果，如圖6所示。

圖6 粉碎機(jī)的噪聲信號(hào)頻譜圖

為確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，用B&K公司的2250精密型聲級(jí)計(jì)在上述相同環(huán)境、空載工況下做1/3倍頻程頻譜測(cè)量，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

測(cè)試結(jié)果與精密聲級(jí)計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可得出：

1）對(duì)整機(jī)進(jìn)行噪聲聲壓級(jí)測(cè)試，空載時(shí)比負(fù)載時(shí)聲壓級(jí)大，最大差值為1.2 dB（A），可以初步判定空氣動(dòng)力性噪聲占主要地位。

2）空載和負(fù)載的主要頻譜結(jié)構(gòu)非常相似，說(shuō)明物料的加載與否對(duì)主要噪聲源的主要特征影響很小，只改變峰值大小。

3）粉碎機(jī)噪聲信號(hào)中主要包含了6種不同的頻率成分，主要來(lái)源于47Hz/180Hz/200Hz/361Hz/893Hz/ 1263Hz頻率段的信號(hào)，每個(gè)頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的能量不同，可為粉碎機(jī)噪聲源識(shí)別提供依據(jù)。

圖7 空載噪聲的1/3倍頻程頻譜

4）聲級(jí)計(jì)測(cè)得空載噪聲聲壓級(jí)為93.8dB（A），與測(cè)試系統(tǒng)空載采集的噪聲聲壓級(jí)和噪聲頻率基本吻合，證明系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于傳感器技術(shù)和虛擬技術(shù)搭建了一套噪聲測(cè)試分析系統(tǒng)，并對(duì)錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試，測(cè)得空載噪聲聲壓級(jí)為93.8dB（A），得到了粉碎機(jī)噪聲的主要頻率，并初步判定空氣動(dòng)力性噪聲占主要地位。用精密型聲級(jí)計(jì)與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，得到的噪聲聲壓級(jí)和噪聲頻率基本吻合，確定系統(tǒng)的可靠性，為粉碎機(jī)噪聲源識(shí)別提供依據(jù)。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)所取測(cè)點(diǎn)不夠多，為取得更精確的結(jié)果，還需在粉碎機(jī)進(jìn)出料口布置測(cè)點(diǎn)，并考慮電機(jī)對(duì)噪聲的影響，下一步進(jìn)行噪聲源識(shí)別需驗(yàn)證空氣動(dòng)力性噪聲是否占主要地位以及粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的影響。

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（編輯：李妮）

Test and analysis for noise of a new hammer mill based on LabVIEW

CAO Liying，ZHANG Yuepeng，ZHANG Yubao
（Institute of Mechanical Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）

Aiming at the shortcomings of the traditional noise measuring instruments，this article used the method that combines sensor technology and virtual technology，taking B&K company’s microphone，amplifier and NI company’s data acquisition card as hardware，built hardware platform，written the application program of virtual instrument and realized the real-time acquisition of the mill noise signals，sound pressure level analysis，1/3 octave analysis and weighted analysis.Test results showed that the average noise of the mill was 94.2dB（A），and noise signal mainly contained six different frequency components，mainly coming from 47Hz/180Hz/200Hz/361Hz/893Hz/1263Hz frequency signal.Finally，B&K company’s 2250 precise sound level meter was applied to 1/3 octave spectrum measurementin the same environment，the measured resultswere basically consistent，determining the accuracy of the system and providing the basis for subsequent noise recognition and noise reduction.

acquisition platform；LabVIEW；mill；signal analysis

A

：1674-5124（2017）02-0064-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.013

2016-05-21；

：2016-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51105189）內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（2014MS0534）

曹麗英（1980-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械工程測(cè)試與控制、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究。