一种基于传声器阵列的滚珠丝杠副噪声测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0008] 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。
[0009] 所述位移测量单元为光栅尺或位移传感器。
[0010] 所述传声器阵列为均匀线阵、平面阵列或空间阵列。
[0011] -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：
[0012] (1)采集传声器阵列接受的噪声信号和螺母的位置信号；
[0013] (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；
[0014] (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η个小段，2;
[0015] (4)分别对每个小段信号进行近场波束形成处理；
[0016] (5)将处理后的η个小段信号合成，获得滚珠丝杠副的噪声信号。
[0017] 所述步骤(2)包括如下子步骤：
[0018] (21)选定第R个传声器作为测量信号的参考传声器；
[0019] 您峨舟价晋信号延时，延时量tc由下式确定：
[0020]
[0021 ] 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~Μ，Μ为传声器 阵列中传声器的数量。
[0022]步骤(3)中，将同步后时域数据按螺母位置信号分为η个小段，位置信号p(t)划分 为[pUohpUO,传声器阵列输出信号s(t)划分为itsUohsUO，···； (tn-l)]
[0023] 位置信号和阵列信号的对应关系为：
[0024] 位置为p(tk)，对应阵列输出为S(tk) = [Sl(tk)，S2(tk)，···，SM(tk)];
[0025] 其中，k为0 ~n-1。
[0026] 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'(t〇为：
[0027]
[0028] 其中，i为0~η_1;?^ρ(ω位置处，阵列输出信号相对于p(to)位置处的幅度补偿 系数；A ^为相对于p(to)位置的时延补偿系数；〇^为传声器m的信号相对于参考传声器R的 幅度补偿系数;为相对参考传声器R的延时：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 兵〒，域如万口纟如怔直叮传戶益K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为声速为p(t〇位置时声源到传声器m的距离。
[0034] 所述步骤(5)，包括如下子步骤：
[0035] (51)对每小段阵列输出信号S' (t〇进行时域补零，信号变为S/ (t)，信号长度为t; t = ti时，S/ (1:) = 37 (ti) ;t关ti时，S/ (t)=0;
[0036] (5 2)合成后的时域噪声信号S(t)为：
[0037]
[0038] 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】
[0039] 图1是本发明的测量方法流程示意图；
[0040] 图2是本发明的传声器阵列布置示意图；
[0041 ]图3是数据采集同步示意图；
[0042]图4是近场波束形成处理流程示意图；
[0043] 图5是传声器阵列与辐射源的位置关系图；
[0044] 图6是参考传声器幅度和时延补偿原理图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
[0046] 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，Μ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 发声部位一一螺母的位置信息。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。
[0047] 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(t c+