工程声学/液压系统中的噪声

液压系统中的噪声

由于其在功率密度、紧凑性、灵活性、快速响应和效率方面的优势，液压系统是大多数工业和移动设备中首选的动力传递来源。流体力学和气动学领域也被称为“流体动力技术”。流体动力系统应用广泛，包括工业、越野车辆、汽车系统和飞机。尽管有这些优点，但也存在一些缺点。液压流体动力系统的主要缺点之一是它们产生的振动和噪声。与噪声、振动和声振粗糙度 (NVH) 相关的健康和安全问题已得到多年认可，现行法规对制造商提出了明确的要求，要求降低噪声水平 [1]。因此，工业和学术研究人员都非常重视降低液压流体动力系统的噪声。为了提高液压流体动力系统的 NVH 性能，深入了解噪声的产生、传输和传播非常重要。

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。对于密度为889 kg/m3的特定油，

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

噪声来源

液压系统中主要的噪声源是提供流量的泵。大多数使用的泵是正排量泵。在正排量泵中，轴向柱塞斜盘式泵由于其可控性和效率而备受青睐。

轴向柱塞泵中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，轴向柱塞泵产生的流体传动噪声 (FBN) 水平最高，螺旋泵的水平最低，外部齿轮泵和叶片泵介于两者之间 [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 $\phi ={\frac {360}{n}}$ 的角度间距隔开，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，因此泵出口的排放量是所有排量室的排放量之和。相邻排量室之间流动的间断性会导致运动学流动脉动。理论上可以根据泵的大小和排量室的数量确定运动学脉动的幅度。运动学脉动是流体传动噪声的主要原因。运动学脉动是理论值。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** 与由于流体可压缩性引起的 **可压缩性分量** 相结合。泵产生的这些脉动（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。系统中的压力将由阻力决定，也称为系统负载。流量脉动会导致压力脉动。压力脉动叠加在平均系统压力上。**流量和压力脉动** 都可以轻松传播到回路的所有部分，并影响系统中控制阀和执行机构等部件的性能，并使部件振动，有时甚至共振。系统部件的这种振动会增加流量脉动产生的噪声。回路中 FBN 的传输将在下面传输部分中讨论。

一台典型的具有 9 个柱塞以 1000 rpm 运行的轴向柱塞泵可以产生超过 70 dBs 的声压级。

结构传动噪声 (SBN)

在斜盘式泵中，结构传动噪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压力变化而产生的。当排量元件从吸入冲程运动到排出冲程时，压力相应地从几巴变化到几百巴。这种压力变化反映在排量元件（在本例中为柱塞）上，并以力的形式作用在斜盘上，导致斜盘振动。斜盘的这种振动是 **结构传动噪声** 的主要原因。系统中还有其他部件也会振动并导致结构传动噪声，但斜盘是主要的贡献者。

图 1 显示了轴向柱塞泵的爆炸图。还显示了泵转动一圈时的流量脉动和斜盘上的振荡力，它们分别引起 FBN 和 SBN。

传输

FBN

FBN 的传输是一个复杂的现象。在过去的几十年中，人们对回路中压力和流量瞬态的数学建模进行了大量的研究。这涉及到求解波动方程，将管道视为一个分布参数系统，称为传输线 [1] 和 [3]。

让我们考虑一个简单的泵-管道-负载阀回路，如图 2 所示。管道中任何位置的压力和流量脉动可以用以下关系来描述

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

其中 ${\frac {}{}}A$ 和 ${\frac {}{}}B$ 是与频率相关的复数系数，它们与泵（源）流量脉动成正比，但也与源阻抗 ${\frac {}{}}Z_{s}$、管道的特性阻抗 ${\frac {}{}}Z_{0}$ 和终端阻抗 ${\frac {}{}}Z_{t}$ 的函数。这些阻抗通常会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。

图 2 连接到液压管路的泵的示意图

对于具有多个系统部件的复杂系统，可以使用变换矩阵方法估计压力和流量脉动。为此，系统部件可以被视为集中阻抗（节流阀或蓄能器），或分布阻抗（软管或消声器）。如今，有各种软件包可用于预测压力脉动。

SBN

结构传声 (SBN) 的传播遵循经典的源-路径-噪声模型。斜盘的振动是 SBN 的主要原因，它传递到包围泵中所有旋转部件（包括排量室（也称为气缸体）、活塞和斜盘）的泵壳。泵壳除了自身振动外，还会将振动传递到泵所安装的底座。然后，底座将振动传递到主要安装结构或车辆。因此，SBN 通过泵壳和底座从斜盘传递到主要结构或车辆。

沿传播路径的一些机器结构善于传递这种振动能量，甚至会共振并增强它。通过将仅占泵结构传声的 1% 的能量转换为声音，传输路径中的一个部件可能比泵本身辐射更多的空气传声 [4]。

空气传声 (ABN)

FBN 和 SBN 都对系统部件施加高疲劳载荷，并使其振动。所有这些振动都会作为**空气传声**辐射出去，可以被操作人员听到。此外，流量和压力脉动会导致系统部件（如控制阀）发生共振。该特定部件的振动再次会辐射空气传声。

噪声降低

降低液压系统辐射的噪声，可以通过两种方法实现。

(i) **源头降低** - 即降低泵产生的噪声。大量公开文献提供了降低噪声的技术，一些技术侧重于降低源头的 FBN，而另一些则侧重于 SBN。降低源头的 FBN 和 SBN 对辐射的 ABN 影响很大。尽管在分别降低 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，这意味着如果试图降低泵的 FBN，它往往会影响 SBN 特性。目前，泵噪声降低领域的主要研究之一是系统地理解 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来源。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基于计算机的数学模型。使用液压衰减器 (5) 可以降低源头处的流体脉动幅度。

(ii) **部件级降低** - 侧重于降低各个部件（如软管、控制阀、泵安装座和固定装置）产生的噪声。这可以通过对部件进行适当的设计修改来实现，使其辐射的噪声最少。使用基于计算机的模型进行优化可以是其中一种方法。

液压系统噪声

图 3 液压系统噪声产生和传播区域（图来自 [1]）

参考资料

1. Designing Quieter Hydraulic Systems - Some Recent Developments and Contributions, Kevin Edge, 1999, Fluid Power: Forth JHPS International Symposium.

2. Fundamentals of Acoustics, L.E. Kinsler, A.R. Frey, A.B.Coppens, J.V. Sanders. Fourth Edition. John Wiley & Sons Inc.

3. Reduction of Axial Piston Pump Pressure Ripple, A.M. Harrison. PhD thesis, University of Bath. 1997

4. Noise Control of Hydraulic Machinery, Stan Skaistis, 1988. MARCEL DEKKER, INC.

5. Hydraulic Power System Analysis, A. Akers, M. Gassman, & R. Smith, Taylor & Francis, New York, 2006, ISBN 0-8247-9956-9

6. Experimental studies of the vibro-acoustic characteristics of an axial piston pump under run-up and steady-state operating conditions, Shaogan Ye et al., 2018, Measurement, 133.

7. Sound quality evaluation and prediction for the emitted noise of axial piston pumps, Junhui Zhang, Shiqi Xia, Shaogan Ye et al., 2018, Applied Acoustics 145:27-40.

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