CN105466553B - 一种基于传声器阵列的滚珠丝杠副噪声测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于传声器阵列的滚珠丝杠副噪声测量方法，通过近场波束形成方法处理传声器阵列信号，根据目标声源位置信息设置加权和时延系数，使传声器阵列波束始终对准滚珠丝杠副的螺母位置，提高噪声测量的信噪比。该方法包含如下步骤：安装滚珠丝杠副到综合性能实验台，靠近实验台布置传声器阵列，同步采集传声器阵列信号和螺母位置信号，将阵列信号和位置进行同步处理，将时域信号划分n个小段，对每个小段进行近场波束形成处理，最后合成所有小段的阵列信号，获得滚珠丝杠副的噪声。
Description
技术领域
本发明属于高速精密传动副辐射噪声测试领域，特别涉及一种基于传声器阵列的滚珠丝杠副辐射噪声测量方法。
背景技术
高速滚珠丝杠副是代表当前世界先进水平的直线运动部件之一。作为数控机床驱动系统的执行单元，对保障和提高整个数控机床的加工精度、工作效率和综合性能起着至关重要的作用。现代数控机床功能的改善、水平的提高、性能的特色，已经由功能部件的创新发展和提高为保证。
我国以滚珠丝杠副为代表的滚动功能部件产业起步于上世纪60年代，是伴随着我国精密机床、数控机床、机电一体化产品发展而逐渐成长起来的一个新兴产业。经过50多年的发展，我国滚动功能部件已形成一定的规模，具有为其他装备配套的积极作用，尤其是在机床专项的顺利进展下，国内滚动功能部件行业取得了巨大的突破。但是目前所存在的诸多问题也制约着行业进一步发展，产品档次较低是主要问题之一。由于高速运行下国产滚珠丝杠副的精度保持性差、污染环境的噪声和使用寿命低等问题一直未被有效解决，导致高速、高精及低噪声系列产品与国外知名企业的产品有明显差距，成为制约国产中高档数控机床发展的瓶颈。
噪声性能是滚珠丝杠副的重要质量和性能指标。随着材料和制造技术的进步，很多应用场合，如精密仪表、轿车和家用电器等，对滚珠丝杠副振动和噪声特性的要求日趋严格，已经上升为第一重要的质量指标。这是因为主机更新换代的周期缩短，滚珠丝杠副己经具备足够长的使用寿命，寿命储备己经相对不重要了；而有关噪声污染的环保法规却日益完善，滚珠丝杠副因振动和噪声失效通常先于疲劳失效；而且振动和噪声是滚珠丝杠副性能的综合反映，理论研究和工程实践都已经表明凡是影响疲劳寿命的因素无一例外地影响着滚珠丝杠副的振动和噪声特性，一定程度上优良的振动和噪声性能预示着较长的使用寿命。
目前，普遍采用的滚珠丝杠副辐射噪声测量方法是将单个传声器放置在螺母附近，拾取辐射噪声。申请号为201010624332.9的发明中，测噪声的传声计安装在模拟工作台的下方，对准滚珠丝杠副的螺母。申请号为201310303743.1的发明中，传声器放置在螺母附近，通过支架与模拟工作台固定。这两种测量方法相类似，都是将传声器尽可能地接近滚珠丝杠副的发声部位(即螺母)，近距离采集辐射噪声。但是，由于传声器与模拟工作台连接在一起，模拟工作台运动带来的振动会对测量产生一定影响，另一方面传声器所处位置附近声场环境复杂，声音信号中存在大量的干扰信号，包括伺服电机、支撑轴承、导轨运行的噪声和周围电气设备的电磁干扰等。因此，现有测量方法的信噪比较低，不能准确地反映滚珠丝杠副的辐射噪声。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有噪声测量方法中的不足，提供一种基于传声器阵列的滚珠丝杠副辐射噪声的测量方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种滚珠丝杠副辐射噪声测量装置，包括测试台、信号采集单元以及信号处理单元，所述测试台用于滚珠丝杠副安装测试，所述滚珠丝杠副包括滚珠丝杠以及螺母，其特征在于：所述数据采集单元包括位置测量单元以及传声器阵列，所述位置测量单元设置在所述测试台上用于测量所述螺母的位置，所述传声器阵列布置在所述测试台的外侧，所述传声器阵列包括分布在沿所述螺母移动方向上不同位置的至少两个传声器；所述信号处理单元接收所述位移测量单元的位置信号和所述传声器的噪声信号并根据位于不同位置的传声器计算出螺母在不同位置处的噪声。
所述位移测量单元为光栅尺或位移传感器。
所述传声器阵列为均匀线阵、平面阵列或空间阵列。
一种滚珠丝杠副辐射噪声测量方法，采用传声器阵列测量噪声，包括如下步骤：
(1)采集传声器阵列接受的噪声信号和螺母的位置信号；
(2)将螺母位置信号进行延时处理，使螺母位置信号与传声器阵列输出信号同步；
(3)将同步处理后的噪声信号和螺母位置信号按时间划分为n个小段，n≥2；
(4)分别对每个小段信号进行近场波束形成处理；
(5)将处理后的n个小段信号合成，获得滚珠丝杠副的噪声信号。
所述步骤(2)包括如下子步骤：
(21)选定第R个传声器作为测量信号的参考传声器；
(22)将螺母位置信号延时，延时量tc由下式确定：
其中，c为声速，rR(tb)为测量起始时间传声器R到螺母的距离,R为1～M,M为传声器阵列中传声器的数量。
步骤(3)中，将同步后时域数据按螺母位置信号分为n个小段,位置信号p(t)划分为[p(t0),p(t1),…,p(tn-1)],传声器阵列输出信号S(t)划分为＝[S(t0),S(t1),…,S(tn-1)]
位置信号和阵列信号的对应关系为：
位置为p(tk)，对应阵列输出为S(tk)＝[s1(tk),s2(tk),…,sM(tk)]；
其中，k为0～n-1。
所述步骤(4)近场波束形成处理后的每小段阵列输出信号S′(ti)为：
其中，i为0～n-1；wi为p(ti)位置处，阵列输出信号相对于p(t0)位置处的幅度补偿系数；Δti为相对于p(t0)位置的时延补偿系数；ωm为传声器m的信号相对于参考传声器R的幅度补偿系数；τm为相对参考传声器R的延时：
其中，rR(t0)为p(t0)位置时传声器R与目标声源的距离，rR(ti)为p(ti)位置时传声器R与目标声源的距离；c为声速；rm(ti)为p(ti)位置时声源到传声器m的距离。
所述步骤(5)，包括如下子步骤：
(51)对每小段阵列输出信号S′(ti)进行时域补零，信号变为Si′(t)，信号长度为t；t＝ti时，Si′(t)＝S′(ti)；t≠ti时，Si′(t)＝0；
(52)合成后的时域噪声信号为：
本发明的滚珠丝杠副噪声测量方法，具有以下优点：(1)传声器与目标源非接触连接，滚珠丝杠副运行产生的振动不会影响传声器的测量；(2)采用传声器阵列测量噪声，近场波束形成的加权系数和时延系数随螺母位置更新，使阵列波束始终对准目标声源，能够提高测量数据的信噪比，抑制了测量现场来自其它方向的干扰，提高噪声测量的整体性能。
附图说明
图1是本发明的测量方法流程示意图；
图2是本发明的传声器阵列布置示意图；
图3是数据采集同步示意图；
图4是近场波束形成处理流程示意图；
图5是传声器阵列与辐射源的位置关系图；
图6是参考传声器幅度和时延补偿原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图2所示，1为实验台基座，2为导轨，3为滚珠丝杠，4为螺母，5为支撑轴承，6为联轴器，7为传声器阵列，8为数据采集器，9为电脑，10为光栅尺，11为伺服电机。滚珠丝杠副安装在综合性能实验台上，M个传声器组成均匀线阵，放置在实验台一侧，与丝杠平行。传声器阵列高度与螺母一致，或略高于螺母。传声器阵列拾取声音信号，光栅尺采集滚珠丝杠副的发声部位——螺母的位置信息。噪声测量现场的主要干扰源为伺服电机噪声和支撑轴承的噪声，目标噪声为螺母的辐射噪声。干扰信号的位置是固定的，而目标源信号的位置平行于阵列左右移动。
如图3所示，数据采集卡同步采集光栅尺和传声器阵列的信号。螺母位置信息可由光栅尺直接采集获得，所耗时间为ts。螺母的辐射噪声首先通过声波传输到传声器，然后再从传声器输出到数据采集卡，其耗时为(tc+ts)，比螺母位置信号多耗时tc，即采集到的声信号比位置信号有一定的延时，需将位置信号和声信号同步。
ts为电信号传输的所耗时间，可以忽略不计，tc为声波从螺母到传声器的传播时间，以传声器1为参考点，tb时刻为测量起始时间，延时量tc由下式计算：
其中，r1(tb)为测量起始时间传声器1到螺母的距离，c为声速。
将螺母位置信号输出p(t)延时tc后，才能与阵列输出S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]同步对应。
将同步后测数据按位置信号分为n个小段，位置相同或非常接近的数据划分到同一段数据中，位置信号p(t)划分为[p(t0),p(t1),…,p(tn-1)],传声器阵列输出信号S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]划分为
位置为p(t0)，对应阵列输出为S(t0)＝[s1(t0),s2(t0),…,sM(t0)]；
位置为p(t1)，对应阵列输出为S(t1)＝[s1(t1),s2(t1),…,sM(t1)]；
…
位置为p(tn-1)，对应阵列输出为S(tn-1)＝[s1(tn-1),s2(tn-1),…,sM(tn-1)]。
如图4所示，由于目标声源沿水平方向左右移动，阵列信号的近场波束形成处理需两个步骤进行：首先将每个小段的阵列信号进行近场球面波束形成处理，使阵列输出聚焦到该段信号对应的目标声源位置处；然后，针对每一小段信号目标声源位置不同，对阵列信号进行参考点的幅度和时延补偿。
如图5所示，目标声源螺母尺寸比较小，可将它当作点声源处理，传声器阵列处于声源的近场范围内，需采用近场波束形成方法进行数据处理。M个传声器组成的均匀线阵，阵列间距为d，传声器阵列与滚珠丝杠副的平行距离为h。以最左端的传声器1的位置为坐标原点，X轴方向为阵列向右，Y轴垂直于阵列。传声器m的坐标为((m-1)d，0)，螺母A坐标为(x，h)传声器m的坐标为((m-1)d，0)，螺母A坐标为(x，h),r1为声源到传声器1的距离，rm为声源到传声器m的距离，根据声源与传声器阵列之间的位置关系，可得
以传声器1为参考点，其接受到的信号为s(t)，传声器m接受的信号为sm(t)，则
sm(t)＝ωms(t-τm)
其中，ωm为传声器m的信号相对于传声器1的幅度补偿系数，也可称为权重系数，τm为相对延时。根据位置关系可知：
其中，c为声速。
传声器阵列输出为：
如图6所示，滚珠丝杠副在运行过程中，螺母的位置沿平行于X轴方向左右移动，传声器1与螺母的位置也随之变化。
在t0时刻，螺母A的位置为At0，传声器1的输出为s(t0)。此时螺母与传声器1的距离为r1(t0),则
在t时刻，螺母A的位置为At，此时螺母与传声器1的距离为r1(t)，此时传声器1采集到的信号为
s(t)＝wts(t0-Δt)
其中，wt为t时刻传声器阵列输出信号相对于t0时刻的幅度补偿系数，Δt为相对于t0声波的时延补偿
其中，r1(t)为t时刻传声器1与螺母的距离，
经过幅度加权和时延补偿后，每小段阵列输出信号S(ti)为
最后，对每小段阵列输出信号S(ti)进行时域补零，信号变为Si(t)，信号长度为t。t＝ti时，Si(t)＝S(ti)；t≠ti时，Si′(t)＝0。
将所有补零处理过的信号叠加，合成后的时域噪声信号为：
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种采用滚珠丝杠副辐射噪声测量装置测量噪声的方法，其中，滚珠丝杠副辐射噪声测量装置，包括测试台、信号采集单元以及信号处理单元，所述测试台用于滚珠丝杠副安装测试，所述滚珠丝杠副包括滚珠丝杠以及螺母，其特征在于：所述信号采集单元包括位置测量单元以及传声器阵列，所述位置测量单元设置在所述测试台上用于测量所述螺母的位置，所述传声器阵列布置在所述测试台的外侧，所述传声器阵列包括分布在沿所述螺母移动方向上不同位置的至少两个传声器；所述信号处理单元接收所述位置测量单元的位置信号和所述传声器的噪声信号并根据位于不同位置的传声器计算出螺母在不同位置处的噪声；其特征在于采用传声器阵列测量噪声，包括如下步骤：
(1)采集传声器阵列接受的噪声信号和螺母的位置信号；
(2)将螺母位置信号进行延时处理，使螺母位置信号与传声器阵列输出信号同步；
(3)将同步处理后的噪声信号和螺母位置信号按时间划分为n个小段，n≥2；
(4)分别对每个小段信号进行近场波束形成处理；
(5)将处理后的n个小段信号合成，获得滚珠丝杠副的噪声信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括如下子步骤：
(21)选定第R个传声器作为测量信号的参考传声器；
(22)将螺母位置信号延时，延时量tc由下式确定：
其中，c为声速，rR(tb)为测量起始时间传声器R到螺母的距离，R为1～M，M为传声器阵列中传声器的数量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，将同步后时域数据按螺母位置信号分为n个小段，位置信号p(t)划分为[p(t0),p(t1),…,p(tn-1)]，传声器阵列输出信号S(t)划分为[S(t0),S(t1),…,S(tn-1)]；
位置信号和阵列信号的对应关系为：
位置为p(tk)，对应阵列输出为S(tk)＝[s1(tk),s2(tk),…,sM(tk)]；
其中，k为0～n-1。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)近场波束形成处理后的每小段阵列输出信号S′(ti)为：
其中，i为0～n-1；wi为p(ti)位置处，阵列输出信号相对于p(t0)位置处的幅度补偿系数；Δti为相对于p(t0)位置的时延补偿系数；ωm为传声器m的信号相对于参考传声器R的幅度补偿系数；τm为相对参考传声器R的延时：
其中，rR(t0)为p(t0)位置时传声器R与目标声源的距离，rR(ti)为p(ti)位置时传声器R与目标声源的距离；c为声速；rm(ti)为p(ti)位置时声源到传声器m的距离。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)，包括如下子步骤：
(51)对每小段阵列输出信号S′(ti)进行时域补零，信号变为Si′(t)，信号长度为t；t＝ti时，Si′(t)＝S′(ti)；t≠ti时，Si′(t)＝0；
(52)合成后的时域噪声信号为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述位置测量单元为光栅尺或位移传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传声器阵列为均匀线阵、平面阵列或空间阵列。
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