黃彩霞，楊振東，曹 申，龔 寄

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410205)

工業(yè)平縫機(jī)是制衣廠的主要縫制設(shè)備，隨著平縫機(jī)轉(zhuǎn)速的增加和生產(chǎn)規(guī)模的提高，大量同時(shí)工作的機(jī)器所帶來的噪聲以及振動(dòng)對(duì)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(duì)平縫機(jī)的振動(dòng)與噪聲控制問題開展研究，而準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)與噪聲源是有效解決問題的關(guān)鍵，也一直是振動(dòng)與噪聲控制研究人員的研究重點(diǎn)[3–4]。

在噪聲源識(shí)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(duì)車輛加速行駛過程中噪聲源隨車運(yùn)動(dòng)、位置和速度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的特性，提出一種新的運(yùn)動(dòng)聲源的時(shí)域傳遞路徑識(shí)別方法。齊全等[6]應(yīng)用OTPA方法對(duì)某型液壓挖掘機(jī)的駕駛室耳旁結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行噪聲傳遞路徑進(jìn)行分析，獲得需要改進(jìn)減振器減振性能的頻率點(diǎn)。

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

在進(jìn)行噪聲源識(shí)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(jì)算就可以確定主要聲源。但對(duì)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(zhǔn)確識(shí)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(hào)與其他信號(hào)相干的部分剔除，計(jì)算殘余信號(hào)對(duì)輸出的影響來對(duì)噪聲源進(jìn)行分析。如吳旭東等[9]利用偏相干方法對(duì)燃料電池車進(jìn)行噪聲識(shí)別，得出了車內(nèi)主要噪聲源在不同頻段的貢獻(xiàn)量以及相互之間的影響程度。Fan等[10]針對(duì)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(shí)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(hào)的影響，則首先需確定有影響的信號(hào)，即進(jìn)行信號(hào)遺漏檢測(cè)，此步驟對(duì)于保證結(jié)論正確性的至關(guān)重要。注意到，當(dāng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文提出了一種簡(jiǎn)單的低成本實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合時(shí)域分析和頻域分析開展噪聲源識(shí)別研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。首先通過工業(yè)平縫機(jī)振動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)獲得測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度和噪聲聲壓信號(hào)；在時(shí)域中，對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度和噪聲聲壓的有效值，初步判斷機(jī)架共振是噪聲峰值的直接原因；在頻域中，首先通過振動(dòng)加速度和噪聲聲壓信號(hào)的重相干分析，確保振動(dòng)加速信號(hào)能準(zhǔn)確解釋噪聲聲壓信號(hào)。進(jìn)而通過振動(dòng)加速度和噪聲聲壓信號(hào)的偏相干分析，確定機(jī)架Z方向的振動(dòng)為噪聲產(chǎn)生的主要原因，機(jī)架應(yīng)作為平縫機(jī)低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)象。

最后開展了機(jī)架低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)的機(jī)架能降低平縫機(jī)的運(yùn)行噪聲，驗(yàn)證了本文提出的噪聲源識(shí)別方法有效。

1 振動(dòng)與噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了獲得平縫機(jī)工作時(shí)候的振動(dòng)和噪聲信號(hào)，首先進(jìn)行振動(dòng)與噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為較大空間的室內(nèi)，近似為半消音室。噪聲測(cè)試場(chǎng)地的環(huán)境噪聲低于最低工作噪聲10 dB以上，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11]的規(guī)定。聲級(jí)計(jì)選用杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)的AWA6270+AB型聲級(jí)計(jì)。測(cè)量平縫機(jī)加速度的傳感器選用美國(guó)PCB生產(chǎn)的333B30型加速度傳感器，其頻率響應(yīng)范圍、相對(duì)靈敏度、質(zhì)量等參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]的相關(guān)規(guī)定。聲級(jí)計(jì)的安裝位置符合標(biāo)準(zhǔn)[11]的相關(guān)規(guī)定，其端面軸線對(duì)準(zhǔn)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(duì)聲壓，單位為Pa，由實(shí)時(shí)聲壓信號(hào)輸出接口提供。

6個(gè)振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)分布位置如下：測(cè)試點(diǎn)1位于平縫機(jī)機(jī)頭靠近針桿處；測(cè)試點(diǎn)2和3分別布置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)罩上端和臺(tái)板左側(cè)；測(cè)試點(diǎn)4安裝在針板的安裝孔處；測(cè)試點(diǎn)5和6分別布置在潤(rùn)滑油盤和機(jī)架橫梁處。在實(shí)驗(yàn)之前，通過建立如圖1所示的平縫機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)沿平縫機(jī)電機(jī)軸的Y方向振動(dòng)較小。

圖1 平縫機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

因此，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別只測(cè)試X和Z兩個(gè)方向的振動(dòng)加速度，忽略Y方向的振動(dòng)。為了獲得較高的信號(hào)同步性，振動(dòng)與噪聲信號(hào)采集選用NI的PXI-8105e嵌入式控制器和動(dòng)態(tài)采集卡PXI-4472，采樣頻率為10 kHz?？紤]到平縫機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲以中低頻為主，信號(hào)的低通截止濾波頻率為1 000 Hz。測(cè)試傳感器安裝位置，以及振動(dòng)與噪聲的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 平縫機(jī)噪聲與振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

振動(dòng)與噪聲測(cè)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(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)控制電壓由2.72 V升至3.83 V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由200 r/min升至最大轉(zhuǎn)速4 000 r/min。共采集34個(gè)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速工況下的振動(dòng)與噪聲信號(hào)，且每個(gè)工況的信號(hào)采集時(shí)間為5秒鐘。

2 振動(dòng)與噪聲信號(hào)的時(shí)域分析

在信號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)往往會(huì)偏離基線，這種信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)會(huì)影響信號(hào)的正確性。本文采用多項(xiàng)式最小二乘法對(duì)采集的加速度和噪聲信號(hào)進(jìn)行消除趨勢(shì)項(xiàng)處理，其過程可描述如下：

(1)定義為測(cè)試信號(hào)xk的擬合值，則其多項(xiàng)式形式可表示為

式中：k=1,2,…,n為采集信號(hào)的序號(hào)，m為多項(xiàng)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(xiàng)式系數(shù)后，根據(jù)需要確定消去多項(xiàng)式的階次。測(cè)試信號(hào)減去該階次的多項(xiàng)式擬合值后就消除了其中的趨勢(shì)項(xiàng)，表示為

圖3(a)－圖3(b)分別為6個(gè)測(cè)試點(diǎn)X和Z兩個(gè)方向的加速度均方根值。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度有效值

由圖可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，兩個(gè)方向的加速度均方根值總體上呈上升趨勢(shì)。值得注意的是，測(cè)試點(diǎn)6的X方向加速度有效值在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min時(shí)有明顯的峰值，同時(shí)在4 000 r/min時(shí)出現(xiàn)了急速上升的趨勢(shì)。由于測(cè)試平縫機(jī)的電機(jī)控制器限制電機(jī)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(cè)4 000 r/min或略高于4 000 r/min的某個(gè)轉(zhuǎn)速為振動(dòng)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(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。因此可初步判斷機(jī)架分別在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min和4 000 r/min時(shí)發(fā)生共振。

不同電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加。另外，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 748 r/min時(shí)，噪聲聲壓有效值出現(xiàn)第一個(gè)波峰，而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到4 000 r/min時(shí)，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(gè)波峰對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

注意到機(jī)架X方向加速度均方根值的兩個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和噪聲聲壓均方根值波峰對(duì)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(jī)機(jī)架的振動(dòng)對(duì)噪聲影響非常大，特別是機(jī)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(jī)操作人員一般都會(huì)將加速踏板踩至最大位移處，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)與噪聲信號(hào)的重相干分析

如果將平縫機(jī)看成一個(gè)聲振系統(tǒng)，振動(dòng)加速度是這個(gè)系統(tǒng)的輸入，而噪聲聲壓即為這個(gè)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(jìn)行振動(dòng)與噪聲信號(hào)的偏相干分析之前，必須先檢查是否有重要的振動(dòng)加速度信號(hào)被遺漏，以免所分析的振動(dòng)信號(hào)不能準(zhǔn)確解釋噪聲信號(hào)。重相干函數(shù)常用于檢測(cè)是否有重要的信號(hào)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(jì)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(hào)的采樣點(diǎn)序號(hào)。

考慮到往復(fù)機(jī)構(gòu)主要安裝于機(jī)頭中，以及機(jī)架的共振和潤(rùn)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(dòng)源為測(cè)試點(diǎn)4、5和6的X、Z方向上的振動(dòng)加速度。圖5為速度為4 000 r/min時(shí)，以關(guān)鍵振動(dòng)源為輸入，噪聲聲壓為輸出的重相干函數(shù)值。

圖5 振動(dòng)與噪聲信號(hào)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(dòng)源被遺漏[14]。由于針桿機(jī)構(gòu)直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而旋梭機(jī)構(gòu)由電機(jī)經(jīng)2倍升速齒輪驅(qū)動(dòng)，因此當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，針桿上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為66.7 Hz，旋梭機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的激勵(lì)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(jìn)一步確保在分析頻段內(nèi)沒有重要的振動(dòng)源被遺漏符合工程判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，6個(gè)振動(dòng)加速度信號(hào)能很好地解釋噪聲聲壓，或者說這6個(gè)振動(dòng)加速度信號(hào)與噪聲聲壓信號(hào)關(guān)系密切，選擇這6個(gè)振動(dòng)加速度為聲振系統(tǒng)的輸入能準(zhǔn)確解釋系統(tǒng)的輸出。

3.2 振動(dòng)和噪聲信號(hào)的偏相干分析

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

通過式(7)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，測(cè)試點(diǎn)4、5和6的X、Z方向上的振動(dòng)與噪聲信號(hào)的偏相干 系 數(shù) 為 ：。由此可知，測(cè)試點(diǎn)6的Z方向振動(dòng)與噪聲呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，或者說降低機(jī)架Z方向的振動(dòng)對(duì)減小平縫機(jī)運(yùn)行噪聲有重要意義。

4 機(jī)架低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

建立機(jī)架有限元模型后進(jìn)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為66.7 Hz，旋梭機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的激勵(lì)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(gè)激勵(lì)頻率6階振型主要表現(xiàn)為兩個(gè)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(jī)架的橫向穩(wěn)定性較差，特別是第1階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)貢獻(xiàn)最大，因此有必要增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)其橫向穩(wěn)定性。同時(shí)，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(jī)架和改進(jìn)后的機(jī)架對(duì)比。采用改進(jìn)后的機(jī)架進(jìn)行如圖2所示的噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)比改進(jìn)前降低了1.2 dB，噪聲改善明顯，由此也證明了噪聲源識(shí)別結(jié)果的有效性。

圖6 機(jī)架模態(tài)振型

圖7 機(jī)架改進(jìn)前后對(duì)比

5 結(jié)語

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

(1)對(duì)平縫機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)與噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，機(jī)架在轉(zhuǎn)速為2 748 r/min和4 000 r/min時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，機(jī)架發(fā)生共振是導(dǎo)致噪聲峰值的直接原因；

(2)由振動(dòng)與噪聲信號(hào)的偏相干分析結(jié)果，可知機(jī)架Z方向振動(dòng)加速度信號(hào)與噪聲聲壓信號(hào)顯著相關(guān)；

(3)低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括在機(jī)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(duì)機(jī)架固有頻率進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)的機(jī)架能明顯減小工業(yè)平縫機(jī)的運(yùn)行噪聲，從而驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。