挖掘机驾驶室噪声源识别的多输入偏相干分析

周 璟，李舜酩，张袁元，孟浩东，胡伊贤

(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京 210016)

挖掘机驾驶室噪声源识别的多输入偏相干分析

周 璟，李舜酩，张袁元，孟浩东，胡伊贤

(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京 210016)

以某挖掘机为试验对象，利用偏相干分析法对其驾驶室噪声源进行研究。研究中对驾驶室噪声信号进行频谱分析，确定影响驾驶室噪声的主要频率。建立挖掘机多输入单输出系统，利用偏相干函数排除输入信号之间的相关影响，计算残余信号对输出的贡献，并在各主要频率上对噪声源贡献排序。发现该挖掘机驾驶室的主要噪声源为进气噪声、排气噪声和发动机噪声。

挖掘机;噪声源;偏相干函数

随着工程机械行业的迅速发展，挖掘机的保有量逐年提高，挖掘机也越来越多地应用在城市建设的方方面面。与此同时，挖掘机噪声污染越来越受到相关部门的关注，尤其是驾驶室噪声。根据最新国家标准 GB16710－2010《土方机械噪声限值》［1］，履带式挖掘机司机位置处声压级限值规定为83dB(A)，与旧标准相比降低了9dB(A)。这给挖掘机的噪声控制带来了新的挑战。

控制挖掘机噪声的基础是准确识别噪声源。识别噪声源的方法有很多，近年来信号分析方法成为了主流，主要有频谱分析法、相干函数法、倒频谱法、声强法、声全息法等［2］。由于输入信号之间往往具有一定的相关性，因此尝试将偏相干分析方法应用在噪声源识别研究中，利用偏相干函数排除输入信号之间的相关影响，识别挖掘机驾驶室主要噪声源［3－5］。

1 偏相干分析法的基本原理

图1所示为一个一般多输入单输出模型。其中 {xi}，i=1，2，…，n 表示被测量的输入 xi(t)，i=1，2，…，n的有限傅立叶变换，输出y(t)的有限傅立叶变换为 Y。{Hiy}，i=1，2，…，n 为常参数线性频率响应函数［6］。N为偏离理想模型的偏差的有限傅立叶变换。

图1 多输入单输出系统

为了排除输入信号之间的相关影响，引入信号的计算公式:

式中:Xj·(i－1)!和Xi·(i－1)!表示排除X1，X2，…，Xi－1信号影响的Xj信号和Xi信号;Xj·i!表示排除了X1，X2，…，Xi信号影响的Xj信号;Lij为传递函数，可通过公式(2)求得。

式中:Sij·(i－1)!和Sii·(i－1)!是信号Xi，Xj去除之间相关影响后的条件互功率谱密度函数和条件自功率谱密度函数。而偏相干函数:

即表示输入信号Xi去除相关影响后对输出信号Y的影响。

2 挖掘机驾驶室噪声源识别

2.1 试验布置

将以下主要噪声源:排气噪声、进气噪声、发动机噪声、液压泵噪声、主阀噪声及风扇噪声为输入，驾驶室司机耳旁噪声为输出，构建出多输入单输出系统，其测点布置如图2所示。试验中挖掘机定置不动，工作机械模拟挖掘动作，发动机转速选用常用工作转速1 600r/min。数据采集模块为东华DH5922动态信号测试分析系统，采样频率为10kHz，采样时间为 30s。

图2 挖掘机各测点布置图

2.2 数据处理分析

利用常相干计算公式，通过Matlab计算可以得出各噪声源与驾驶室噪声的常相干函数。由各输入对输出的贡献大小对各输入信号排序，依次为排气噪声、进气噪声、发动机噪声、液压泵噪声、主阀噪声和风扇噪声，组成挖掘机多输入单输出模型，如图3所示。

图3 挖掘机多输入单输出模型

图4所示为驾驶室噪声自功率谱，其主要峰值频率为 26.87Hz、80.00Hz、214.70Hz、241.30Hz、321.30Hz、641.30Hz、721.30Hz。利用偏相干公式(1)～(3)，将输入信号之间的相干部分去掉，计算残余信号对输出的贡献大小。图5所示为排气噪声的常相干函数，其主要峰值频率为80.00Hz、216.00Hz、320.00Hz、717.30Hz、829.30Hz 和1 336.00Hz。通过偏相干函数的计算，在频率为216.00Hz、320.00Hz、717.30Hz 和 1 336.00Hz 时，峰值都有很大程度的衰减，如图6所示。偏相干函数能够有效地排除相干部分的干扰，准确地判断输入对输出的影响［7］。

图4 驾驶室噪声自功率谱

图5 排气噪声常相干函数

图6 排气噪声的偏相干函数

利用偏相干公式计算各输入噪声源与驾驶室噪声的偏相干函数，可得出驾驶室噪声各主要峰值频率的偏相干系数［8］，见表1。

表1 驾驶室噪声峰值频率的偏相干系数

从表1中可以看出，频率为26.67Hz时，噪声主要为进气噪声和风扇噪声，其次是主阀噪声;频率为80.00Hz时，主要噪声源为进气噪声，排气噪声其次;频率为214.70Hz时，噪声主要来源是进气噪声;频率为241.30Hz，噪声主要来源于排气噪声，其次是进气噪声;频率为321.30Hz时，主要噪声为发动机噪声;频率为641.30Hz时，噪声主要来源于排气噪声;频率为721.30Hz时，主要噪声源为风扇和液压泵，其次是发动机，最后是进气噪声。

图7 驾驶室A计权噪声频谱

由于人耳对于低频噪声不太敏感，通常A计权噪声频谱就能比较准确反映驾驶室噪声对于驾驶员的影响。从图 7中可以看出，26.67Hz、80.00Hz处的噪声声压级衰减较大，此时影响驾驶员的主要频率为 214.70Hz、241.30Hz、321.30Hz和 641.30Hz。虽然 26.67Hz、80.00Hz和721.30Hz在驾驶室噪声自功率谱上峰值很高，但是评价驾驶室噪声是以对人耳的影响为前提，在26.67Hz、80.00Hz和721.30Hz处的噪声源不能作为驾驶室噪声的主要噪声源。因此，该挖掘机驾驶室的主要噪声源为进气噪声、排气噪声和发动机噪声。

3 结论

本文利用多输入的偏相干分析法对某挖掘机驾驶室噪声进行了试验研究与分析，发现在影响挖掘机驾驶室噪声的4个主要频率中，进气噪声在频率为214.70Hz和241.30Hz时贡献最大，而在频率为241.30Hz和641.30Hz时排气噪声是其主要噪声源，在频率为321.30Hz时驾驶室噪声的主要噪声源是发动机噪声。确定了各个频率处噪声源的贡献大小，可以针对相应频率，采取减振降噪的措施，降低噪声对司机的影响，为日益严格的噪声标准做准备。

［1］中国国家标准化管理委员会.GB16710－2010土方机械噪声限值［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［2］靳晓雄，胡子谷.工程机械噪声控制学［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［3］张戎斌，毕传兴，张永斌.采用偏相干分析方法识别挖掘机驾驶室的噪声源［J］.振动与噪声控制，2011(4):106－110.

［4］练宏俊，卢耀祖，陈卫，等.基于偏相干分析法的装载机司机室噪声源识别［J］.同济大学学报，2001(11):1313－1316.

［5］梁兴雨，舒歌群.基于相干功率谱分析的复杂柴油机噪声源识别［J］.内燃机学报，2006(4):344－350.

［6］贝达特JS，皮尔索AG.相干分析和谱分析的工程应用［M］.凌福根，译.北京:国防工业出版社，1983.

［7］左泽敏，李舜酩，郑娟丽.相关分析在机械振动信号处理中的应用［J］.机械制造与研究，2009，38(1):75－79.

［8］赵海澜.偏相干分析在识别机车司机室噪声源中的应用［D］.上海:上海交通大学，2005:58－76.

Identification of Excavator Cab＇s Noise Source Based on Multi－input Partial Coherence Analysis

ZHOU Jing，LI Shunming，ZHANG Yuanyuan，MENG Haodong，HU Yixian
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

It studies the noise source identification of excavator cab based on partial coherence analysis method and testing an excavator.It analyzes the cab＇s noise signal spectrum，identifies the main frequency contributing the cab＇s noise，establishes a multi-input and single-output system of excavator.Using partial coherence function，it reemeoves the coherent effects from input signals，and calculates the effect on output from the rest of the signal.Finally，it sorts the order in terms of noise contribution rate.The results show that the induction noise， exhaust noise and engine noise are the primary noise sources of this excavator cab.

Excavator;Noise Source;Partial Coherence Function

TB533+.2

A

2095－509X(2013)04－0062－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.015

2012－12－14

周璟(1987—)，男，江苏南京人，南京航空航天大学硕士研究生，主要从事车辆噪声与振动控制研究。