工程聲學/液壓系統中的噪聲

液壓系統中的噪聲

由於其在功率密度、緊湊性、靈活性、快速響應和效率方面的優勢，液壓系統是大多數工業和移動裝置中首選的動力傳遞來源。流體力學和氣動學領域也被稱為“流體動力技術”。流體動力系統應用廣泛，包括工業、越野車輛、汽車系統和飛機。儘管有這些優點，但也存在一些缺點。液壓流體動力系統的主要缺點之一是它們產生的振動和噪聲。與噪聲、振動和聲振粗糙度 (NVH) 相關的健康和安全問題已得到多年認可，現行法規對製造商提出了明確的要求，要求降低噪聲水平 [1]。因此，工業和學術研究人員都非常重視降低液壓流體動力系統的噪聲。為了提高液壓流體動力系統的 NVH 效能，深入瞭解噪聲的產生、傳輸和傳播非常重要。

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。對於密度為889 kg/m3的特定油，

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

噪聲來源

液壓系統中主要的噪聲源是提供流量的泵。大多數使用的泵是正排量泵。在正排量泵中，軸向柱塞斜盤式泵由於其可控性和效率而備受青睞。

軸向柱塞泵中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，軸向柱塞泵產生的流體傳動噪聲 (FBN) 水平最高，螺旋泵的水平最低，外部齒輪泵和葉片泵介於兩者之間 [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 $\phi ={\frac {360}{n}}$ 的角度間距隔開，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，因此泵出口的排放量是所有排量室的排放量之和。相鄰排量室之間流動的間斷性會導致運動學流動脈動。理論上可以根據泵的大小和排量室的數量確定運動學脈動的幅度。運動學脈動是流體傳動噪聲的主要原因。運動學脈動是理論值。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** 與由於流體可壓縮性引起的 **可壓縮性分量** 相結合。泵產生的這些脈動（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。系統中的壓力將由阻力決定，也稱為系統負載。流量脈動會導致壓力脈動。壓力脈動疊加在平均系統壓力上。**流量和壓力脈動** 都可以輕鬆傳播到迴路的所有部分，並影響系統中控制閥和執行機構等部件的效能，並使部件振動，有時甚至共振。系統部件的這種振動會增加流量脈動產生的噪聲。迴路中 FBN 的傳輸將在下面傳輸部分中討論。

一臺典型的具有 9 個柱塞以 1000 rpm 執行的軸向柱塞泵可以產生超過 70 dBs 的聲壓級。

結構傳動噪聲 (SBN)

在斜盤式泵中，結構傳動噪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壓力變化而產生的。當排量元件從吸入衝程運動到排出衝程時，壓力相應地從幾巴變化到幾百巴。這種壓力變化反映在排量元件（在本例中為柱塞）上，並以力的形式作用在斜盤上，導致斜盤振動。斜盤的這種振動是 **結構傳動噪聲** 的主要原因。系統中還有其他部件也會振動並導致結構傳動噪聲，但斜盤是主要的貢獻者。

圖 1 顯示了軸向柱塞泵的爆炸圖。還顯示了泵轉動一圈時的流量脈動和斜盤上的振盪力，它們分別引起 FBN 和 SBN。

傳輸

FBN

FBN 的傳輸是一個複雜的現象。在過去的幾十年中，人們對迴路中壓力和流量瞬態的數學建模進行了大量的研究。這涉及到求解波動方程，將管道視為一個分佈引數系統，稱為傳輸線 [1] 和 [3]。

讓我們考慮一個簡單的泵-管道-負載閥迴路，如圖 2 所示。管道中任何位置的壓力和流量脈動可以用以下關係來描述

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

其中 ${\frac {}{}}A$ 和 ${\frac {}{}}B$ 是與頻率相關的複數係數，它們與泵（源）流量脈動成正比，但也與源阻抗 ${\frac {}{}}Z_{s}$、管道的特性阻抗 ${\frac {}{}}Z_{0}$ 和終端阻抗 ${\frac {}{}}Z_{t}$ 的函式。這些阻抗通常會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。

圖 2 連線到液壓管路的泵的示意圖

對於具有多個系統部件的複雜系統，可以使用變換矩陣方法估計壓力和流量脈動。為此，系統部件可以被視為集中阻抗（節流閥或蓄能器），或分佈阻抗（軟管或消聲器）。如今，有各種軟體包可用於預測壓力脈動。

SBN

結構傳聲 (SBN) 的傳播遵循經典的源-路徑-噪聲模型。斜盤的振動是 SBN 的主要原因，它傳遞到包圍泵中所有旋轉部件（包括排量室（也稱為氣缸體）、活塞和斜盤）的泵殼。泵殼除了自身振動外，還會將振動傳遞到泵所安裝的底座。然後，底座將振動傳遞到主要安裝結構或車輛。因此，SBN 透過泵殼和底座從斜盤傳遞到主要結構或車輛。

沿傳播路徑的一些機器結構善於傳遞這種振動能量，甚至會共振並增強它。透過將僅佔泵結構傳聲的 1% 的能量轉換為聲音，傳輸路徑中的一個部件可能比泵本身輻射更多的空氣傳聲 [4]。

空氣傳聲 (ABN)

FBN 和 SBN 都對系統部件施加高疲勞載荷，並使其振動。所有這些振動都會作為**空氣傳聲**輻射出去，可以被操作人員聽到。此外，流量和壓力脈動會導致系統部件（如控制閥）發生共振。該特定部件的振動再次會輻射空氣傳聲。

噪聲降低

降低液壓系統輻射的噪聲，可以透過兩種方法實現。

(i) **源頭降低** - 即降低泵產生的噪聲。大量公開文獻提供了降低噪聲的技術，一些技術側重於降低源頭的 FBN，而另一些則側重於 SBN。降低源頭的 FBN 和 SBN 對輻射的 ABN 影響很大。儘管在分別降低 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，這意味著如果試圖降低泵的 FBN，它往往會影響 SBN 特性。目前，泵噪聲降低領域的主要研究之一是系統地理解 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來源。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基於計算機的數學模型。使用液壓衰減器 (5) 可以降低源頭處的流體脈動幅度。

(ii) **部件級降低** - 側重於降低各個部件（如軟管、控制閥、泵安裝座和固定裝置）產生的噪聲。這可以透過對部件進行適當的設計修改來實現，使其輻射的噪聲最少。使用基於計算機的模型進行最佳化可以是其中一種方法。

液壓系統噪聲

圖 3 液壓系統噪聲產生和傳播區域（圖來自 [1]）

參考資料

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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