声学/液压系统中的噪声

液压系统中的噪声

由于其功率密度、紧凑性、灵活性和快速响应以及效率，液压系统是大多数工业和移动设备中最受欢迎的动力传输来源。流体动力学和气压学领域也被称为“流体动力技术”。流体动力系统具有广泛的应用范围，包括工业、越野车辆、汽车系统和飞机。但是，液压系统的主要问题之一是它们产生的噪声。与噪声相关的健康和安全问题已得到多年认可，现在立法对制造商提出了明确的要求，要求他们降低噪声水平 [1]。因此，液压系统的降噪需要工业和学术研究人员的广泛关注。为了降低噪声，需要充分了解噪声如何在液压系统中产生和传播。

流体中的声音

可以使用以下关系确定流体中的声速。

$c={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}$ 其中 K - 流体体积模量，$\rho$- 流体密度，c - 声速

体积模量的典型值范围为 2e9 到 2.5e9 N/m2。对于特定密度为 889 kg/m3 的油，

声速 $c={\sqrt {\frac {2e9}{889}}}=1499.9m/s$

噪声源

液压系统中噪声的主要来源是提供流量的泵。大多数使用的泵都是正排量泵。在正排量泵中，轴向柱塞斜盘式泵最受青睐，因为它们可靠且效率高。

轴向柱塞泵的噪声产生可分为两类：(i) 流体传声和 (ii) 结构传声

流体传声 (FBN)

在正排量泵中，轴向柱塞泵产生的 FBN 水平最高，螺旋泵产生的 FBN 水平最低，外部齿轮泵和叶片泵产生的 FBN 水平介于两者之间 [1]。本页的讨论主要集中在 轴向柱塞斜盘式泵 上。轴向柱塞泵具有固定数量的排量室，这些排量室以圆形排列，彼此之间以等于 $\phi ={\frac {360}{n}}$ 的角距隔开，其中 n 是排量室的数量。由于每个排量室排放特定体积的流体，泵出口处的排放量是所有单个排量室排放量的总和。相邻排量室之间流量的不连续会导致运动学流量脉动。给定泵的大小和排量室的数量，可以理论上确定运动学脉动的幅度。运动学脉动是流体传声的主要原因。运动学脉动是一个理论值。泵出口处的实际 流量脉动 比理论值大得多，因为 运动学脉动 与 可压缩性分量 相结合，这是由于流体可压缩性造成的。在泵处产生的这些脉动（也称为流量脉动）通过连接到泵的管道或软管传输，并传播到液压回路的所有部分。

泵被认为是理想的流量源。系统中的压力将由流动阻力决定，或者称为系统负载。流量脉动会导致压力脉动。压力脉动叠加在平均系统压力之上。流量和压力脉动 都很容易传播到回路的所有部分，并影响系统中控制阀和执行器等组件的性能，并使组件振动，有时甚至共振。系统组件的这种振动会增加流量脉动产生的噪声。FBN 在回路中的传输在下面的传输中讨论。

一台典型的轴向柱塞泵，带有 9 个活塞，以 1000 rpm 的速度运行，可以产生超过 70 dB 的声压级。

结构传声 (SBN)

在斜盘式泵中，结构传声的主要来源是斜盘的波动力和力矩。这些波动力是由于排量室内部压力变化而产生的。当排量元件从吸入冲程移动到排出冲程时，压力相应地从几巴变化到几百巴。这些压力变化反映在排量元件（在本例中为活塞）上，成为力，这些力作用在斜盘上，导致斜盘振动。斜盘的这种振动是 结构传声 的主要原因。系统中还有其他组件也会振动并导致结构传声，但斜盘是主要贡献者。

图 1 显示了轴向柱塞泵的爆炸视图。此外，还显示了导致 FBN 和 SBN 的斜盘上的流量脉动和振荡力，这些力对应于泵的一次转动。

传输

FBN

FBN 的传输是一个复杂的现象。在过去的几十年里，大量的研究投入到电路中压力和流量瞬变的数学建模中。这涉及到波动方程的求解，其中管道被视为一个称为传输线的分布参数系统 [1] 和 [3]。

让我们考虑一个简单的泵-管道-负载阀电路，如图 2 所示。管道中任何位置的压力和流量波动可以用以下关系式描述：

${\frac {}{}}P=Ae^{-ikx}+Be^{+ikx}$ .........(1) $Q={\frac {1}{Z_{0}}}(Ae^{-ikx}-Be^{+ikx})$.....(2)

其中 ${\frac {}{}}A$ 和 ${\frac {}{}}B$ 是与频率相关的复系数，它们与泵（源）流量波动成正比，但也是源阻抗 ${\frac {}{}}Z_{s}$、管道的特性阻抗 ${\frac {}{}}Z_{0}$ 和端接阻抗 ${\frac {}{}}Z_{t}$ 的函数。这些阻抗通常随着系统工作压力和流量的变化而变化，可以通过实验确定。

对于具有多个系统组件的复杂系统，可以使用变换矩阵方法来估计压力和流量波动。为此，系统组件可以被视为集总阻抗（节流阀或蓄能器）或分布阻抗（挠性软管或消声器）。现在有各种软件包可以预测压力脉动。

SBN

SBN 的传输遵循经典的源-路径-噪声模型。倾斜盘的振动，SBN 的主要原因，被传递到泵壳体，泵壳体封闭了泵中所有旋转部件，包括排量腔（也称为气缸体）、活塞和倾斜盘。泵壳体除了自身振动外，还会将振动传递到泵安装的支架上。支架然后将振动传递到主要安装结构或车辆上。因此，SBN 通过泵壳体和支架从倾斜盘传递到主要结构或车辆。

在传输路径上的某些机器结构擅长传输这种振动能量，它们甚至会产生共振并增强它。通过将泵结构传声的不到 1% 转换为声音，传输路径中的一个构件可以辐射比泵本身更多的 ABN [4]。

空气传声 (ABN)

FBN 和 SBN 都会对系统组件施加高疲劳载荷，使它们振动。所有这些振动都会以空气传声的形式辐射出来，人类操作员可以听到。此外，流量和压力脉动会导致系统组件（如控制阀）发生共振。该特定组件的振动再次会辐射空气传声。

降噪

减少液压系统辐射的噪声可以通过两种方法来实现。

(i) 源头减噪 - 这是在泵处减少噪声。大量的公开文献都介绍了减噪技术，其中一些技术侧重于减少源头处的 FBN，而另一些则侧重于 SBN。源头处的 FBN 和 SBN 的降低对辐射的 ABN 影响很大。虽然在分别降低 FBN 和 SBN 方面取得了很大进展，但液压系统噪声问题尚未完全解决，还需要做很多工作。原因是 FBN 和 SBN 是相互关联的，从某种意义上说，如果一个人试图降低泵处的 FBN，它往往会影响 SBN 特性。目前，泵降噪研究中的一个主要方向是系统性地了解 FBN 和 SBN 之间的耦合，并同时针对它们，而不是将它们视为两个独立的源。这种统一的方法不仅需要训练有素的研究人员，还需要能够准确输出优化泵设计所需结果的复杂计算机数学模型。使用液压衰减器 (5) 可以减少源头处的流体脉动幅度。

(ii) 组件级减噪 - 侧重于减少单个组件（如软管、控制阀、泵安装座和固定装置）产生的噪声。这可以通过对组件进行适当的设计修改来实现，使它辐射的噪声最少。使用基于计算机的模型进行优化可以成为其中的一种方法。

液压系统噪声

图 3 液压系统噪声产生和传输的领域（图来自 [1]）

参考文献

1. 设计更安静的液压系统 - 一些最新的进展和贡献，Kevin Edge，1999 年，流体动力学：第四届 JHPS 国际研讨会。

2. 声学基础 L.E. Kinsler，A.R. Frey，A.B.Coppens，J.V. Sanders。第四版。John Wiley & Sons Inc。

3. 降低轴向柱塞泵压力脉动 A.M. Harrison。巴斯大学博士论文。1997 年

4. 液压机械噪声控制 Stan Skaistis，1988 年。MARCEL DEKKER, INC。

5 液压电力系统分析，A. Akers，M. Gassman 和 R. Smith，Taylor & Francis，纽约，2006 年，ISBN 0-8247-9956-9