第１２卷第７期２０１２年３月 科学技术与工程 Ｖ０１．１２ Ｎｏ．７ Ｍａｒ．２０１２ １６７１—１８１５（２０１２）０７—１５５９－０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎ￣ｎｅｅｆｉｎｇ ⑥２０１２ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 基于声振耦合理论的后桥声功率测试系统研究 陈 品 （合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥２３０００９） 摘要汽车工业现场背景噪声很大，在该环境下对零部件总成进行噪声测量往往非常困难。提出了一种基于壳体结构声 振耦合理论的应用方法，剖析了基于声振耦合法的后桥总成声功率测试理论，并对在线检测工艺、系统方案和软、硬件设计方 案做了全面的分析与讨论，最后通过对比性试验验证了该方法的准确性、可靠性和有效性。 关键词后桥 在线测量 振动速度 声功率级 中图法分类号Ｕ４６７．４９３； 文献标志码Ａ 在汽车ＮＶＨ治理中，后桥总成是一个重要部 件。对其进行声功率检测可以有效控制产品质量， 降低总成部件的噪声 Ｊ。 传统的声压法受现场环境声影响较大，在工业 现场中测试精度通常无法保证 Ｊ。一种解决方法 是为测试对象建立消声箱或声屏障，阻断外界噪声 对测试的干扰。此方法需要对生产线做一定的改 弯曲波 造，实施起来有很大困难，同时控制台机械本体的 噪声也很难被隔离。与声压法不同，声振耦合法是 通过对测试对象表面振速的测量，间接得到表面辐 射声能的大小，因此可以有效地避免环境噪声的影 响。比较而言，生产线上使用耦合法进行声功率测 量具有操作灵活，抗干扰强，稳定性高等特点。 图１无限板的声辐 Ａ为辐射声波波长，ｋ 为板的弯曲波数， ｋ为辐射声波波数。 Ａ ＞Ａ或ｆ＞ （ｆ为板的弯曲波频率 为板临界频 率）的条件。即结构中弯曲波的传播速度比在流体 中的传播速度快，并且只有在弯曲波的频率大于结 １声振耦合理论与试验方案 １．１声振耦合测量声功率原理 构临界频率时，机械推动的无限板中的自由波才能 有效地辐射声能。 由基础声学及相关的公式推导知：机械推动的 挠曲（弯曲）波是板型结构声辐射中起直接作 用的唯一的结构波型。机械推动的无限板中由弯 曲波发出的声波为平面波，如图１所示。平面波以 无限板在流体中某任意点（ ，Ｙ）引起的声压级为 Ｐ（ ，ｙ， ）＝＝ —ｉ ｅｉ ￡ｅ—ｉ 日 ｅ—ｉｙ‘肛一 （１） 垂直于波前的方向传播。图中Ａ 为板的弯曲波 波长。 对于入射方向以０角射人流体介质（对一般工 程噪声控制问题通常为空气）的声辐射，必须满足 ２０１１年１２月５日收到 式（１）中，Ｐ。为流体介质的密度；ｃ为流体介质中的 声速； Ｐ 为板表面上振动速度的最大值； 为板 的弯曲波的角频率， ＝２丌厂ｃ 这表明机械推动的无限板中由弯曲波发出的 平面波的波前并不随离源距离的增加而扩散，随离 第一作者简介：陈 品（１９７７一），男，江苏南京人，合肥工业大学 讲师。 源距离增加声压的任何衰减仅仅是流体中某种阻 科学技术与工程 １２卷 力或阻尼的函数。由文献［３］可知，对于有限板，在 结构弯曲波频率高于临界频率时，有限板表现出类 似于无限板的形式。但当结构弯曲波频率很明显 低于临界频率时，有限板的辐射比并不是零，而是 有一些声辐射。 定义辐射比 为由结构辐射入半空间（即结构 的一侧）的声功率除以与此结构具有相同表面积和 相同均方根振动速度的大型活塞所辐射的声功率。 对于任意结构，具有某时间和空间平均的均方根振 动速度 ，辐射声功率为 Ｗ＝ｏ＇ｐｏｃＳｖ （２） 式（２）中 为辐射效率；Ｐ。为流体介质的密度；Ｓ为 结构的辐射表面积； 为装置表面积振速的均方值。 无限平板的辐射比是结构弯曲波频率 的函 数，而有限的平板结构辐射比为波数与结构特征尺 寸的乘积如以及弯曲波频率对临界频率之比（－厂／ ）的函数。在半自由场条件下，机器的总声功率 与分布在半球面（测量表面）２，ｒｒｒ２上的声强，，之间 有如下的关系。 Ｗ＝Ｉｒ２７ｒｒ２ （３） 式（３）中ｒ为测点至声源中心的距离。 在远场，均方声压和声强之间有一非常简单的 关系式 ＝Ｐ￣／（ｐｅ） （４） 式（４）中Ｐ 为远场某点的均方声压。 由式（２）一式（４）可推出，远场中某点处均方声 压值与声源表面的振动速度之间满足以下关 系式 Ｐ；＝叩 ｃ Ｓｖ ／（２￣ｒｒ ） （５） 可见某确定点的声压值的平方与速度值的平 方成正比关系。 车桥总成具有较为封闭的壳体 Ｊ，其噪声中 约９０％～９５％的声能量是由油壳壁振动而辐射到 外部。车桥总成的每一个噪声辐射面可以简化为 周边固定的有限平板，其噪声辐射特性遵循以上规 律。因此找到各个面辐射的声功率与相应面振动 的对应关系，即可计算得出减速器总的声功率级。 １．２现场声功率试验方案 试验台的整体结构呈Ｔ字型，如图２所示。前 端为主工作台，待检区的主减速器部件吊装到工作 台上后进行气动控制，旋转到正确工作姿态后锁 定，通过右端的柔性万向联轴器与动力滑台的主电 机连接。 图２后桥总成试验台 主电机输入驱动动力，转速先保持为６０ ｒ／ｍｉｎ 磨合１０ ｓ，再增加到１ ０００ ｒ／ｍｉｎ、１ ２００ ｒ／ｍｉｎ和 １ ５００ ｒ／ｍｉｎ并分别保持２０ ｓ。测量系统获得工作状 态信息，并在各挡转速下分别进行数据采集，持续 时间为１５ ｓ。通过各点采集的振速信号计算出总成 的声功率。若声功率检测满足质量标准的要求则 记录测试结果并进行下一后桥总成的检测；对于不 合格超标产品，则记录声功率值和频谱特征，并通 知负责故障诊断的Ｌ分析仪进行处理。 ２测试系统硬件、软件的设计方案 ２．１ 基于声振耦合法的声功率检测系统硬件方案 车桥减速器油壳上刚性安装在测量表面的ｌ２ 个压电式传感器用于拾取测量点的加速度信号，产 生的电荷信号经过电荷放大器阻抗变换，一次积分 后变为表示速度的电压信号。经过抗混滤波后，进 入１６通道同步ＡＤ采集卡进行模数转换。由于最 终计算得出的声级为Ａ计权，因此在模拟电路的积 ７期 陈品：基于声振耦合理论的后桥声功率测试系统研究 ＬｅＤ ｌ６ 大，测试系统配备外部校准部件以便周期性地对振 动前置模块进行硬件精度校准。 台架变频器的干扰辐射较大，因此在硬件安装 时使其和变频电缆尽可能远离测试系统，缩短传感 器连接线的长度，将采集器和模拟前端安装在工作 台的附近。测试系统的电源为多路独立输出设计， 防止由于地回路而产生的干扰。调理模块的机箱 显示器 三路转速信号 （电压） 爵千－＿一…… ……。：Ｉ ｌ Ｉ— 爵 一 ～ 嚣一 通道 同步 ２１２ 键 盘 采集 ＡＤ 多通道抗 鼠 标 ｔ！Ｊ－Ｉ网 ～’ Ｉ邀 墨卜世 叁生墨ｌ飘蹶 ｌ竺 兰 竺竺兰 ：竺 一Ｉ 图３系统的硬件组成 分器后端加入了Ａ计权电路。计权电路高频段的 衰减也改善了信号采集的抗混效果。工控机以内 总线方式访问采集卡转换后的各通道数据，通过监 控三路转速信号，完成对各个变速器在不同工况下 振动信号的采集，并将测试的原始数据保存人计算 机。应用程序通过对频率特征库的提取、比对和修 正，完成声振耦合法测声功率的计算。 ２．２硬件参数与抗干扰设计 （１）传感器为降低附加质量影响，压电式加 速度传感器质量小于１０ ｇ，有效频率范围２Ｏ Ｈｚ～８ ｋＨｚ。采用侧端引线方式便于安装，底座安装刚性 绝缘垫，防止地回路。电容式传声器频率范围２０ Ｈｚ ～８ ｋＨｚ，灵敏度约为３２ ｍＶ／Ｐａ，自由场预极化。 （２）调理模块电荷放大器和一次积分电路有 效频率范围２０ Ｈｚ一１０ ｋＨｚ，信号动态范围大于９２ ｄＢ。Ａ计权电路性能参照ＧＢ３７８５—８３最大误差小 于０．１ ｄＢ。由于系统的通道数较多，各通道程控增 益使用采集板卡的放大电路实现。因此前期进入 抗混滤波器的原始信号较小。抗混滤波不采用开 关式滤波电路设计方案，而使用有缘滤波器，以防 止高频开关信号对测试信号的耦合干扰。衰减率 为一８０ ｄＢ／倍频程，通带内纹波小于０．１ ｄＢ。 （３）采集电路１６通道同步采集，每通道采样 频率不小于１２ ｋＨｚ，具有程控增益，１６ｂｉｔｓ精度，单 端双极性电压信号输入方式。 （４）测试系统其它硬件低噪声电源多路独立 输出，纹波＜１０ ｍＶ，总功率＞１５ Ｗ。由于工厂生产 现场环境较差，温度湿度变化对传感器性能影响较 采用内部浮地屏蔽，外机壳一点接大地。测试系统 和台架控制系统之间采用电气隔离的通信方式。 ２．３系统软件设计方案 测试系统的软件模块及其相互关系如图４ 所示。 批量测试功能 ・ 后 驱动 接口 特征频率学习功能 时域领域分析 ：： 测 台 系统 程序 程序 竖 …．ｊ用 试 监 硬件 ．硬件精度校准 ：程 数 控 数据管理 ；惠 据 程 崖 序 测试回顾 ！ 图４系统的软件组成 底层硬件驱动及接口程序与硬件系统通信，实 现采集板卡硬件设置、参数读取、采样点获取及保 存等功能。测试应用程序实现工件批量测试、时域 分析、频谱分析、特征频谱学习功能、工件故障及异 响识别、硬件精度校准、数据管理、测试回顾等功 能。为提高系统整体可靠性，后台运行独立的监控 程序，对主程序进行监控。后台监控程序对产生的 意外错误可及时进行复位和调整。图５为测试及数 据流程图。 ３测试与系统精度验证 ３．１频谱特征分析 理论上测试点个数越多，越能反应后桥总成外 壳辐射噪声的情况，但过多的传感器会增加附加质 量，影响振动测量的精度。测试点位置的确定考虑 到对称性、密集性和相干系数等因素。 图６（ａ）和图６（ｂ）分别为某型号后桥总成主轴 为１ ２００ ｒ／ｒａｉｎ转速下测点３处表面振速和测点正 上方３ ｃｍ处噪声的频谱图。从频率分布上可以看 科学技术与工程 １２卷 图５测试及数据处理流程 到主要优势频率为４４０。＿ Ｈｚ，【＼譬 １ ４００ Ｈｚ和２ １６０ Ｈｚ，噪 声主要分布在３００ Ｏ ９ ８Ｈｚ一３ ｋＨｚ范围内。图７（ａ）为测 ７ ６ ４ ３ ２ １ Ｏ ９ ８ ７８ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ８ ６ ４ ２ 点３处振声相干曲线，在优势频率处相干系数均大 于０．９。 ３２ ｋＨｚ， １Ｈｚ ｘ＝４４（ ｌ ０７２ 一 ＾ ：：．Ｉ １ ４ －４ ６９０ Ｉ 。． ｊ －２ｌｆ ＝２ ４６４ 二 Ｌ一 ｉ ；｝．ｊ． ｛ ｈｌｌ ｝ ； ： ｝ ｛。 融 ：： ． ｝１ 艇：。 ｌ ｆＩ，ｌ｛ ｉ ｉ／ ２４４ １００ １ ０００ （ａ）测点３处表面振速 ３２ ｋＨｚ， １Ｈｚ 霎熏 （ｂ）测点３正上方３ｃｍ处噪声幅值 图６ １ ２００ ｒ／ｍｉｎ，测点３处表面振速与 辐射噪声幅值频谱 计算相干系数大于０．９的优势频率处声辐射系 数，插值并归一后曲线如图７（ ｂ）。可以看到５００ Ｈｚ Ｔ ｓ＿ｇ。一＼ ５ ４ ４ ３ ３ ２ １ １ ０ ４ ８ ２ ６ Ｏ ４ ８ ２ ６ Ｏ ２４４ １００ １ ０００ ｆａ）振声相干曲线 ３２ ｋＨｚ，护１Ｈｚ 一 ｊ ¨。 。…一 Ｌｊ… 菇｜……。 ｉ…｜一０ ， 二 ４４０， ４８ ； ／ 一 ～ ＝１４００． ｘ＝２１６Ｏ． Ｏ９７ ｉ Ｉ”丁¨ ： ！ｊ： ｛ ｉ｛ ｌＩ： ： ｝ ｊ ：饕 ｒｉｌ｝！：ｉ ｊ ｊ ：。 ｛！ ： ｉ ；【。 ｊ：： ４ ３ ２ １ ６ ４ ２ —ｒ１Ｏ ：； Ｉｌ．ｊ：－ｊ．； ： ｝ ｊ／ｉ； 蓑 １；ｊｉ ！ ‘－：： ｊｌ｝・｝ ｊ ｊ２４４ １００ １ ０００ １ ２５０Ｈｚ ０９）声辐射系数 图７测点３处表面振声相干曲线和声辐射系数 以后声辐射效率开始增加，在高频段较为平直。 ３．２对比性测试精度验证 为了检验声振耦合法实际测试精度，采用比对 的方法。为测试工作台做消声隔音屏障，减少环境 声和台架本体噪声对测试的影响。将后桥总成主输 入轴转速分别升至１ ５００ ｒ／ｍｉｎ、１ ２００ ｒ／ｍｉｎ、 １ ０００ ｒ／ｍｉｎ，在平稳状况下使用Ｂ＆Ｋ２２５０声级计，用 五点法测试声功率级（Ａ计权）。测试结果与声振耦 合法测试在１／１倍频程中进行比较，见表１一表３。 表１ １ ５００ ｒ／ｒａｉｎ时１／１倍频程声功率 （Ａ计权）测试比较 ６ Ｏ ８ ７期 陈品：基于声振耦合理论的后桥声功率测试系统研究 １５６３ 表２ １ ２００ ｒ／ｍｉｎ时１／１倍频程声功率 （Ａ计权）测试比较 上看，声振耦合法比声级计的测试时间明显缩短， 仅１５ Ｓ。后者测试声功率的时间约需２ ｍｉｎ。 ４结论 通过实际测试可以看出，使用声振耦合法对汽 车主后桥总成进行在线声功率测量是完全可行的， 它不仅解决了工业现场无法直接测试噪声的难题， 而且可以缩短测试的节拍。 对后桥总成的Ａ计权声功率级测试精度可以 控制在±０．５ ｄＢ以内。系统设计的关键是要准确 找出测试点辐射噪声与振速之间的关系，尤其是优 表３ １ ０００ ｒ／ｍｉｎ时１／１倍频程声功率 势频率点处的声辐射系数。所讨论的测量方法和声 功率测试系统已应用于某车桥厂的后桥总成声功 率在线检测，并取得了较好的效果。 参考文献 （Ａ计权）测试比较 １陈永新，等．ＳＵＶ整车振动噪声的试验研究．汽车技术，２００５ （７）：２５—＿２８ 庞茂，周晓军，孟庆华，等．在线噪声检测及噪声信号的故障诊 断技术研究．传感技术学报，２００６；１９（１）：１４２—１４５ 诺顿Ｍ Ｐ．工程噪声和振动分析基础．盛元生，译．北京：航空工 业出版社，１９９３：１ｌ９—１２Ｏ 小螭直哉．振动壁面加ｊ放射芑扎弓骚音 予测匕ｚ、／ 、／一＼ 适用．自动车技术，１９８０；３４（１６）：３５—４１ 廖文彬，乔五之．测振法在压缩机噪声测量和研究中的应用．北 京轻工业学院学报，１９９７；１５（２）：１８—之３ ＧＢ／Ｔ１６５３９—９６振速法测定噪声源声功率级用于封闭机器的测 量．中国标准出版社，１９９６：２＿＿４ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｒｅａｒ Ａｘｉｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｓｏｕｎｄ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ＣＨＥＮ Ｐｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ａ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｆｎａｌ ｄｒｉｖｅ ｗｉｔｈ ｓｔｒｏｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅｓ， ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｒａｄｉａｔｅｄ ｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｌａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｅａｒ ａｘｌｅｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｌａｎ，ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｈａｒｄ－ ｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｒ ａｘｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｌａｔ－ ｆｏＹＩＴＩ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｐｒｅｃｉｓｅ．ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． 『Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｒｅａｒ ａｘｌｅ ｏｎ．１ｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｓｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ