专利名称：气体管路噪声源特性预测方法
技术领域：
本发明涉及一种气体管路噪声预测方法，特别是一种通过测量气体管路的管壁振动来预测管内噪声源特性方法。
背景技术：
管道系统广泛存在于石油化工、船舶营运等行业，输流管道工作过程中的振动和噪声往往会对工作环境及管路精密仪器附件的正常工作产生不良影响，因此研究以阀门噪声为代表的管路附件的噪声源特性成为管道振动噪声控制方面至关重要的一部分。衡量气体管路附件噪声通常有四种方式(I)压力脉动传感器直接测量管内流体脉动；(2)采用IEC60534-8-3或GB/T17213. 15国内外标准预测管道内外的噪声；(3)通过 管壁振动预测管外辐射噪声；(4)通过声级计或传声器直接测量管路附件辐射到管外的噪声。第一种方法测量原理简单，测量时需要将传感器感应面深入管内，但实际安装时，传感器敏感面不易与管内壁平齐，高压、高速的气体介质流过传感器时会产生新的干扰噪声源，因而影响测量精度，且实验成本较高；第二种方法通过测量阀门前后的管内压力及管内气体流量及密度，利用标准提供的计算方法预测管路附件噪声，该方法计算时需要知道阀门类型修正系数和压力恢复系数，对声源类型参数依赖较强，且测试系统复杂，适用性较差；后两种方法操作简单，但只能预测管路附件辐射到环境的噪声。Fagerlund早在1988年就提出了一个利用管壁振动预测阀门噪声的方法(AllenC. Fagerlund. Use of pipewall Vibrations to Measure Valve Noise [J]. FisherControls Technical Monograph 33, ppl_8 1988.),他通过管道传递损失将测量的管壁振动信号转化为管外一点的噪声信号，但因其使用范围在管外吻合频率和环频率之间的限制以及管壁传递损失的计算精度较差，使其一直未能得到推广，Eberhart等人在2005年尝试采用有限元的方法预测管道传递损失(Richard Eberhart, Fred ff. Catron, AllenC.Fagerlund Piping noise transmission loss calculations using finite elementanalysis [R]. Noise_Con2005, 0ctoberl7_19, 2005.),为传递损失计算提供一个新的思路，但其计算复杂且计算精度无明显提高。同年，Catron & MannIII (Catron & MannIII.Comparison of Models for Piping Transmission Loss Measurements. Noise-Con 2005,Minneapolis, Minnesota, October 17-19,2005 :1_8.)将现存的三种传递损失计算公式进行了对比分析，发现Lyon的传递损失计算模型在0. 5倍管外吻合频率以上均具有较高的精度，在0. 5倍管外吻合频率以下仍难以计算。2010年，Catron通过声压反馈对阀门开度进行控制，从而达到降低阀门噪声的目的，并将该方法申请了专利(US7，814，936，B2)。该专利是利用管壁振动预测管外的噪声，并以此噪声值作为反馈，控制管路中阀门的开度，该专利中的技术以Catron在2005年Noise-Control会议发表的论文为基础,传递损失的计算延续之前基于统计能量的计算方法，但该方法只适用于对中、高频噪声的预测计算，无法实现全频域的阀门噪声预测。目前，国内外的研究均未明确管壁振动与管内噪声在频域内的转换关系，且以往通过管壁振动预测管外辐射噪声的方法已被证明仅适用于管外吻合频率和环频率之间，所以直接利用以往的传递损失和辐射效率计算公式，反推得到的管壁振动与管内脉动之间的关系式，在应用时也存在频率范围限制。
发明内容
本发明的目的还在于提供一种可以避免在管路系统噪声源特性预测时传感器引起的干扰脉动，简单，成本低的气体管路噪声源特性预测方法。本发明的目的是这样实现的 (I)采集管壁振动信号；(2)对采集的振动信号进行预处理，所述预处理包括采用傅里叶变换将采集的时域信号转换为频域信号、采用IS0R1683的规定将转换后的振动加速度频域值转换为振动加速度级；(3)通过振动与噪声转换技术(The Vibration-to-Sound ConversionTechnology，简称VSCT)将测得的振动加速度级信号转换为管内脉动声压级信号，进而分析噪声源特性。本发明基于统计能量方法，建立振动加速度与管内流体噪声之间的计算模型，并通过实验数据对低频范围预测进行修正，从而实现了在整个频域内都可以通过测量管壁振动加速度来预测管内噪声源。本发明的预测方法直接通过管壁振动信号预测管内的噪声源信号，从而避免在管壁上打孔，保证管路系统的完整性，消除传感器引起的干扰脉动。与传统的测量方法相比，本发明的操作更简单，实验成本更低，本发明预测精度较高且实现了在整个频域的噪声预测。本发明提供的数据处理方法实现过程简便，易于编程计算，可将实验数据通过MATLAB程序实现后处理，也可将本计算程序添加到数据采集软件中，或作为一个后处理模块，从而实现噪声源数据的实时监测。
图I为本发明的气体管路噪声源特性预测方法框图。图2为振动与噪声转换方法(VSCM)的具体实施方式
框图。图3为Fagerlund和Szechenyi福射效率在频域的对比曲线。图4为验证实验系统总体布置示意图。图5a-图5g为不同工况1/3倍频程的实测的管内噪声与VSCM计算结果的比较。其中，阀门转盘每转一圈，螺杆上升4mm,开度I圈时，阀芯与阀体间距为2mm。图5a为开度为6mm的结果对比；图5b为开度为IOmm的结果对比；图5c为开度为14mm的结果对比；图5d为开度为18mm的结果对比；图5e为开度为22mm的结果对比；图5€为开度为30mm的结果对比；图5g为开度为46mm时的结果对比。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
气体管路噪声源特性的实验预测及数据分析的方法，是基于统计能量方法与实验相结合的方法进行的。结合图1，本发明的预测分析方法含有以下步骤(I)采集声源扰动信号气体管路系统中的声源激励产生的信号包括管内的脉动噪声信号及由此引起的管壁振动信号。该共有三种采集方式I)利用压力脉动传感器直接采集管内脉动噪声；2)根据IEC60534-8-3或GB/T17213. 15规定，采集阀门前后的静压信号及管内流
体流量参数；3)采集管内流体脉动引起的管壁振动信号。其中前两种方式是目前在工程上应用较为广泛的方法，但这两种均需在管壁上打孔，实验工序复杂，实验成本高，本发明采用的是第三种方法，即，采集激励源附近的管壁振动信号。(2)振动信号的预处理将采集的振动加速度时域信号通过FFT转换为频域信号，再采用IS0R1683的规定将该频域信号转换为振动加速度级。(3)通过VSCT将振动信号转换为管内噪声信号结合图2，将管壁振动信号转换为噪声时首先应确定辐射系数，目前较为认可的辐射效率计算有两种数学模型，一个是Fagerlund计算模型,另一个是Szechenyi计算模型，与Szechenyi计算模型相比，Fagerlund计算模型较为简单,但计算精度略差，因此本发明推荐采用Szechenyi计算模型。结合图2，在确定辐射效率之后，基于统计能量方法可以求解出管壁的传递损失，进而求得转换损失。当管外介质为标准大气压、20°C空气时,取P C1 = I. 21kg/m3,c0 = 343m/s，转换损失可采用下式计算
权利要求
1.一种气体管路噪声源特性预测方法，其特征是 (1)采集管壁振动信号； (2)对采集的振动信号进行预处理，所述预处理包括采用傅里叶变换将采集的时域信号转换为频域信号、采用IS0R1683的规定将转换后的振动加速度频域值转换为振动加速度级； (3)通过振动与噪声转换技术将测得的振动加速度级信号转换为管内脉动声压级信号，进而分析噪声源特性。
2.根据权利要求I所述的气体管路噪声源特性预测方法，其特征是所述将测得的振动加速度级信号转换为管内脉动声压级信号包括1)采用Szechenyi计算模型确定福射系数；2)基于统计能量方法求解出管壁的传递损失，进而求得转换损失；3)对频率系数Gx进行修正优化；4)通过转换损失公式将管壁振动加速度信号转换为管内噪声信号。
3.根据权利要求2所述的气体管路噪声源特性预测方法，其特征是当管外介质为标准大气压、20°C空气时,取P0=I. 21kg/m3, c0 = 343m/s,所述求得转换损失的计算式为
4.根据权利要求2或3所述的气体管路噪声源特性预测方法，其特征是所述对频率系数Gx进行修正优化为取Gx = V (f/f0) E， 其中，f为分析频率，f0为环频率，V的推荐取值范围在0. 001 I之间，e的推荐取值范围在I. 5 4. 2之间。
5.根据权利要求2或3所述的气体管路噪声源特性预测方法，其特征是所述通过转换损失公式将管壁振动加速度信号转换为管内噪声信号中，管壁振动加速度级PAL (f)表示为 SPLi (f) = PAL (f) +CL (f) 管内噪声总的声压级可以表示为
6.根据权利要求4所述的气体管路噪声源特性预测方法，其特征是所述通过转换损失公式将管壁振动加速度信号转换为管内噪声信号中，管壁振动加速度级PAL(f)表示为 SPLi (f) = PAL (f) +CL (f) 管内噪声总的声压级可以表示为
全文摘要
本发明提供的是一种气体管路噪声源特性预测方法。(1)采集管壁振动信号；(2)对采集的振动信号进行预处理，所述预处理包括采用傅里叶变换将采集的时域信号转换为频域信号、采用ISOR1683的规定将转换后的振动加速度频域值转换为振动加速度级；(3)通过振动与噪声转换技术将测得的振动加速度级信号转换为管内脉动声压级信号，进而分析噪声源特性。本发明的预测方法直接通过管壁振动信号预测管内的噪声源信号，从而避免在管壁上打孔，保证管路系统的完整性，消除传感器引起的干扰脉动。与传统的测量方法相比，本发明的操作更简单，实验成本更低，本发明预测精度较高且实现了在整个频域的噪声预测。
文档编号G01H17/00GK102636254SQ20121010431
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者张文平, 张新玉, 明平剑, 曹贻鹏, 李小仨, 李帅军, 柳贡民 申请人:哈尔滨工程大学