聲學/液壓系統中的噪聲

液壓系統中的噪聲

由於其功率密度、緊湊性、靈活性和快速響應以及效率，液壓系統是大多數工業和移動裝置中最受歡迎的動力傳輸來源。流體動力學和氣壓學領域也被稱為“流體動力技術”。流體動力系統具有廣泛的應用範圍，包括工業、越野車輛、汽車系統和飛機。但是，液壓系統的主要問題之一是它們產生的噪聲。與噪聲相關的健康和安全問題已得到多年認可，現在立法對製造商提出了明確的要求，要求他們降低噪聲水平 [1]。因此，液壓系統的降噪需要工業和學術研究人員的廣泛關注。為了降低噪聲，需要充分了解噪聲如何在液壓系統中產生和傳播。

流體中的聲音

可以使用以下關係確定流體中的聲速。

$c={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}$ 其中 K - 流體體積模量，$\rho$- 流體密度，c - 聲速

體積模量的典型值範圍為 2e9 到 2.5e9 N/m2。對於特定密度為 889 kg/m3 的油，

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

噪聲源

液壓系統中噪聲的主要來源是提供流量的泵。大多數使用的泵都是正排量泵。在正排量泵中，軸向柱塞斜盤式泵最受青睞，因為它們可靠且效率高。

軸向柱塞泵的噪聲產生可分為兩類：(i) 流體傳聲和 (ii) 結構傳聲

流體傳聲 (FBN)

在正排量泵中，軸向柱塞泵產生的 FBN 水平最高，螺旋泵產生的 FBN 水平最低，外部齒輪泵和葉片泵產生的 FBN 水平介於兩者之間 [1]。本頁的討論主要集中在 軸向柱塞斜盤式泵 上。軸向柱塞泵具有固定數量的排量室，這些排量室以圓形排列，彼此之間以等於 $\phi ={\frac {360}{n}}$ 的角距隔開，其中 n 是排量室的數量。由於每個排量室排放特定體積的流體，泵出口處的排放量是所有單個排量室排放量的總和。相鄰排量室之間流量的不連續會導致運動學流量脈動。給定泵的大小和排量室的數量，可以理論上確定運動學脈動的幅度。運動學脈動是流體傳聲的主要原因。運動學脈動是一個理論值。泵出口處的實際 流量脈動 比理論值大得多，因為 運動學脈動 與 可壓縮性分量 相結合，這是由於流體可壓縮性造成的。在泵處產生的這些脈動（也稱為流量脈動）透過連線到泵的管道或軟管傳輸，並傳播到液壓回路的所有部分。

泵被認為是理想的流量源。系統中的壓力將由流動阻力決定，或者稱為系統負載。流量脈動會導致壓力脈動。壓力脈動疊加在平均系統壓力之上。流量和壓力脈動 都很容易傳播到迴路的所有部分，並影響系統中控制閥和執行器等元件的效能，並使元件振動，有時甚至共振。系統元件的這種振動會增加流量脈動產生的噪聲。FBN 在迴路中的傳輸在下面的傳輸中討論。

一臺典型的軸向柱塞泵，帶有 9 個活塞，以 1000 rpm 的速度執行，可以產生超過 70 dB 的聲壓級。

結構傳聲 (SBN)

在斜盤式泵中，結構傳聲的主要來源是斜盤的波動力和力矩。這些波動力是由於排量室內部壓力變化而產生的。當排量元件從吸入衝程移動到排出衝程時，壓力相應地從幾巴變化到幾百巴。這些壓力變化反映在排量元件（在本例中為活塞）上，成為力，這些力作用在斜盤上，導致斜盤振動。斜盤的這種振動是 結構傳聲 的主要原因。系統中還有其他元件也會振動並導致結構傳聲，但斜盤是主要貢獻者。

圖 1 顯示了軸向柱塞泵的爆炸檢視。此外，還顯示了導致 FBN 和 SBN 的斜盤上的流量脈動和振盪力，這些力對應於泵的一次轉動。

傳輸

FBN

FBN 的傳輸是一個複雜的現象。在過去的幾十年裡，大量的研究投入到電路中壓力和流量瞬變的數學建模中。這涉及到波動方程的求解，其中管道被視為一個稱為傳輸線的分佈引數系統 [1] 和 [3]。

讓我們考慮一個簡單的泵-管道-負載閥電路，如圖 2 所示。管道中任何位置的壓力和流量波動可以用以下關係式描述：

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

其中 ${\frac {}{}}A$ 和 ${\frac {}{}}B$ 是與頻率相關的復係數，它們與泵（源）流量波動成正比，但也是源阻抗 ${\frac {}{}}Z_{s}$、管道的特性阻抗 ${\frac {}{}}Z_{0}$ 和端接阻抗 ${\frac {}{}}Z_{t}$ 的函式。這些阻抗通常隨著系統工作壓力和流量的變化而變化，可以透過實驗確定。

對於具有多個系統元件的複雜系統，可以使用變換矩陣方法來估計壓力和流量波動。為此，系統元件可以被視為集總阻抗（節流閥或蓄能器）或分佈阻抗（撓性軟管或消聲器）。現在有各種軟體包可以預測壓力脈動。

SBN

SBN 的傳輸遵循經典的源-路徑-噪聲模型。傾斜盤的振動，SBN 的主要原因，被傳遞到泵殼體，泵殼體封閉了泵中所有旋轉部件，包括排量腔（也稱為氣缸體）、活塞和傾斜盤。泵殼體除了自身振動外，還會將振動傳遞到泵安裝的支架上。支架然後將振動傳遞到主要安裝結構或車輛上。因此，SBN 透過泵殼體和支架從傾斜盤傳遞到主要結構或車輛。

在傳輸路徑上的某些機器結構擅長傳輸這種振動能量，它們甚至會產生共振並增強它。透過將泵結構傳聲的不到 1% 轉換為聲音，傳輸路徑中的一個構件可以輻射比泵本身更多的 ABN [4]。

空氣傳聲 (ABN)

FBN 和 SBN 都會對系統元件施加高疲勞載荷，使它們振動。所有這些振動都會以空氣傳聲的形式輻射出來，人類操作員可以聽到。此外，流量和壓力脈動會導致系統元件（如控制閥）發生共振。該特定元件的振動再次會輻射空氣傳聲。

降噪

減少液壓系統輻射的噪聲可以透過兩種方法來實現。

(i) 源頭減噪 - 這是在泵處減少噪聲。大量的公開文獻都介紹了減噪技術，其中一些技術側重於減少源頭處的 FBN，而另一些則側重於 SBN。源頭處的 FBN 和 SBN 的降低對輻射的 ABN 影響很大。雖然在分別降低 FBN 和 SBN 方面取得了很大進展，但液壓系統噪聲問題尚未完全解決，還需要做很多工作。原因是 FBN 和 SBN 是相互關聯的，從某種意義上說，如果一個人試圖降低泵處的 FBN，它往往會影響 SBN 特性。目前，泵降噪研究中的一個主要方向是系統性地瞭解 FBN 和 SBN 之間的耦合，並同時針對它們，而不是將它們視為兩個獨立的源。這種統一的方法不僅需要訓練有素的研究人員，還需要能夠準確輸出最佳化泵設計所需結果的複雜計算機數學模型。使用液壓衰減器 (5) 可以減少源頭處的流體脈動幅度。

(ii) 元件級減噪 - 側重於減少單個元件（如軟管、控制閥、泵安裝座和固定裝置）產生的噪聲。這可以透過對元件進行適當的設計修改來實現，使它輻射的噪聲最少。使用基於計算機的模型進行最佳化可以成為其中的一種方法。

液壓系統噪聲

圖 3 液壓系統噪聲產生和傳輸的領域（圖來自 [1]）

參考文獻

1. 設計更安靜的液壓系統 - 一些最新的進展和貢獻，Kevin Edge，1999 年，流體動力學：第四屆 JHPS 國際研討會。

2. 聲學基礎 L.E. Kinsler，A.R. Frey，A.B.Coppens，J.V. Sanders。第四版。John Wiley & Sons Inc。

3. 降低軸向柱塞泵壓力脈動 A.M. Harrison。巴斯大學博士論文。1997 年

4. 液壓機械噪聲控制 Stan Skaistis，1988 年。MARCEL DEKKER, INC。

5 液壓電力系統分析，A. Akers，M. Gassman 和 R. Smith，Taylor & Francis，紐約，2006 年，ISBN 0-8247-9956-9