某型装载机司机室振动噪声试验分析

秦仙蓉，姜 晟，胡建军，张 氢，孙远韬

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

世界经济发展表明，现代化建设速度在很大程度上取决于各种工程建设速度，而工程机械水平的高低，又直接对工程建设速度发挥着促进或抑制作用.因此，世界工业发达国家都将工程机械作为重点行业加以发展［1］.作为工程机械中一种非常重要的机型，装载机的振动噪声已成为评价其等级水平的重要指标之一.因而开展装载机噪声测试分析的研究，运用科学的诊断方法，确定噪声中各声源的贡献大小和频段，为各部件的降噪提供依据，具有重要的工程实际意义［2］.

医学实验证明，工程机械司机长期处在恶劣的振动噪声环境中，特别容易引起听力、血压、神经系统、睡眠等问题［3］，所以研究司机室的声振问题十分必要.为了得到司机室结构的激励载荷和噪声数据，需要对其进行声振测试.本文着重介绍某型轮式装载机的声振试验，阐明声振试验的方法和流程，并对试验数据进行时域、频域的分析处理.

1 声振试验的设备与测试过程

在上海某大型工程机械生产厂进行了某型装载机外声场、司机室基座的加速度响应与司机室内声场的现场测试.

1.1 试验设备及传感器布置

试验一共使用两个三向ICP(集成电路压电式)加速度传感器、两个单向ICP加速度传感器和两个传声器.振动信号通过某型号的数据采集仪采集，该采集仪需要单独供电.声压信号通过某坚固型数据采集仪采集，其配有内置电池，故无需电源可独立工作.每台数据采集仪均需要对应一台装有相应数据采集分析软件的电脑，并通过网线将两者连接，进行数据传输.整套声振试验系统的原理如图1所示.

装载机的整体坐标系如图2所示，其中X向沿机器长度方向指向铲斗，Z向垂直于地面竖直向上，Y向垂直于XZ平面指向机器左(人坐在司机室正对铲斗的方向为前方).

试验所用的两个三向ICP加速度传感器分别布置于装载机司机室与装载机车架相连的基座上，虽然司机室共有四个基座，考虑到机器结构的对称性，可以认为两侧基座对称，故分别在其右前侧基座和左后侧基座上各布置一个三向加速度传感器，分别命名为G1测点和G2测点，如图3所示.两个单向加速度传感器均布置在司机室内座椅下方的地板上(见图4)，分别测试座椅下方地板处X向和Y向的振动加速度，其中G3测点测试X向振动加速度，G4测点测试Y向振动加速度.

图2 装载机整体坐标系Fig.2 G lobal coordinate system of loader

两个传声器分别布置在司机的左、右耳边，传声器距离司机头部中间平面约200 mm左右，与人坐在座椅上的平均耳朵高度位置等高，传声器水平指向前方(即X正向)，并分别编号为S1和S2，按照S1在左、S2在右进行布置.

现场噪声测试过程中，应对背景噪声进行测量以确认测试的有效性［4］，故试验中在装载机周围半径2 m处随机选取A，B和C三点进行背景噪声测量，背景噪声采用某型号手持式信号测试分析系统进行测试，用以测量背景噪声.图5为传声器布置位置现场照片.

图3 振动测点G1和G2布置位置图Fig.3 The location of point G1 and G2 for vibration test

图4 振动测点G3和G4布置位置图Fig.4 The location of point G3 and G4 for vibration test

图5 传声器布置位置图Fig.5 The location of microphones

每一测点背景噪声至少应比被测机器辐射噪声低10 dB(A)，否则试验结果需在测试值的基础上加一个修正值.此外，每个测点测三次，并且其中两次的测量结果间差值等于或小于l dB(A)，读数才能作为有效测量值，不满足时需要补充测试.

1.2 测试步骤及内容

本文声振试验一共测试两个工况下的振动和噪声数据，分别为怠速定置工况和静止举动铲斗工况.

(1)试验前对试验场地的背景噪声进行了测量，背景噪声的平均值约为46 dB，说明测试场地比较安静［4］，背景噪声很小，可以忽略其对测试结果的影响.

(2)完成上述背景噪声的测量之后，分别启动两台电脑上的数据采集软件.设定振动加速度信号的采样频率为1 kHz，声压信号的采样频率为51.2 kHz，并对应各传感器输入相应的灵敏度参数.设定参数完毕后确认各传感器数据采集正常，开始按照预定工况，依次进行怠速定置工况和静止举动铲斗工况的振动测试和噪声测试.

(3)每个工况采集三组数据样本，每个样本采样时间约60 s.

2 声振试验数据分析

2.1 怠速定置工况

试验测得装载机怠速定置工况下各振动测点的振动加速度时间历程数据，去除动态平均分量(去势)后画出其时间历程曲线.由于测点较多，只取测点G1为例，如图6所示，图7是对应的功率谱.本文中所有功率谱曲线均选择hanning窗，窗长为256个数据点，每段窗有128个数据点重合(50%的重合度)，数据点数为1 024个.

图6 怠速定置工况下振动测点G1加速度时间历程曲线Fig.6 Acceleration time history of point G1 in idle condition

图7中峰值点处的X和Y分别指某阶激励频率和该频率下所对应的加速度功率谱密度值.由图7所示的功率谱可知，激励的能量基本集中在第一阶频率处，通过峰值拾取法，激励的第一阶频率为35.16 Hz.怠速定置工况下装载机的发动机转速为720 r·min－1，对应的发动机激振基频为12 Hz，司机室基座的激励频率约为发动机旋转激励的3倍基频.

图7 怠速定置工况下振动测点G1加速度信号功率谱曲线Fig.7 Power spectral density of acceleration of point G1 in idle condition

由于声压信号的采样频率很大，所以考虑到数据量，仅给出5 s时间范围内的声压时间历程，如图8所示，图9是声压信号的功率谱曲线.由于声压信号属于非平稳信号，所以声谱估计采用多段平均的Welch法，纵坐标取为对数坐标.

图8 怠速定置工况下声压时间历程曲线Fig.8 Time history of sound pressure in idle condition

图9中峰值点处的X和Y分别指声压信号的某阶激励频率和该频率下所对应的声压功率谱密度值.图9中声压功率谱的估计结果表明，两测点的声压信号基频均为50 Hz，由于此处采样频率为51.2 kHz，所以对于低频段声压信号的频率分辨率较低.根据奈奎斯特理论［5］，采样频率至少是信号中最大频率分量频率的2倍，否则就不能从信号采样中恢复原始信号.因此可以提高采样频率，对原始信号进行重新采样，从而提高其低频段的声压信号频率分辨率.

图9 怠速定置工况下司机左右耳处声压功率谱曲线Fig.9 Power spectral density of acoustic signal at driver’s left and right ears in id le condition

2.2 静止举动铲斗工况

将装载机在静止举动铲斗工况下所测得的各振动加速度时间历程数据导出，其时间历程曲线如图10所示，图11是对应的功率谱曲线.

图10 静止举动铲斗工况下振动测点G1加速度时间历程曲线Fig.10 Acceleration time history of point G1 in working condition

根据图11所示的功率谱曲线，通过峰值拾取法，得到静止举动铲斗工况下司机室基座加速度激励的第一阶频率为39.06 Hz，较怠速工况下的激励频率35.16 Hz有所增加，说明静止举动铲斗时装载机的发动机转速增加，振动变大，传递到基座的振动加速度也相应增大.

对于静止举动铲斗工况，同样取5 s时间范围内的声压时程数据，其时间域内的声压曲线如图12所示，图13是对应的功率谱曲线.

图11 静止举动铲斗工况下振动测点G1加速度信号功率谱曲线Fig.11 Power spectral density of acceleration of point G1 in working condition

图12 静止举动铲斗工况下声压时间历程曲线Fig.12 Time history of sound pressure in working condition

图13 静止举动铲斗工况下司机左右耳处声压功率谱曲线Fig.13 Power spectral density of acoustic signal at driver’s left and right ears in working condition

图13所示的声压功率谱曲线表明，两测点的声压信号能量主要集中在50，350，700及1 100 Hz这些主要频段.与怠速定置工况下一致的是基频都是50 Hz，其中350，700及1 100 Hz均为50 Hz的倍频.

3 结论

(1)怠速定置工况下，被测装载机司机室的加速度激励基频约为36 Hz，恰好处在发动机激励12 Hz的倍频程上.

(2)怠速定置工况下司机室基座加速度响应的基频频率为35.16 Hz，要低于静止举动铲斗工况下的激励频率39.06 Hz，表明举动铲斗时发动机转速增加了.

(3)怠速定置工况下，司机室内的噪声约为74 dB，静止举动铲斗时室内噪声为85 dB，静止举动铲斗工况下噪声明显增加.

［1］朱峰.装载机结构件有限元分析与结构改进［D］.长春:吉林大学，2009.

ZHU Feng.Loader structure finite element analysis and structural improvement［D］.Changchun:Jilin University，2009.

［2］蔺宏伟，张建润，张伟，等.声强测试在装载机噪声源分析中的应用［J］.噪声与振动控制，2008，28(5):178 －181.

LIN Hongwei，ZHANG Jianrun，ZHANGWei，et al.Sound intensitymeasurement noise source in the loader analysis［J］.Noise and Vibration Control，2008，28(5):178 －181.

［3］吴卫平，段志，贵馨，等.推土机噪声对驾驶员健康影响的调查［J］.职业医学，1987，14(5):55 －61.

WU Weiping，DUAN Zhi，GUIXin，et al.Benedict bulldozer driving noise on the health effects of staff survey［J］.Occupational Medicine，1987，14(5):55 －61.

［4］国家环境保护局.GB3096—93城市区域噪声标准［S］.北京:中国标准出版社，2008.

National Environmental Protection Agency.GB3096—93 Urban areas noise standards［S］.Beijing:Standards Press of China，2008.

［5］程佩青.数字信号处理教程［M］.北京:清华大学出版社，2007.

CHENG Peiqing.Digital signal processing tutorial［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2007.