齿轮传动噪声测量系统的研究

    0 引 言

    齿轮传动噪声是机械噪声的重要组成部分[1],为了降低噪声应从设计、工艺等方面提出要求,这些工作都与噪声测量分不开,只有通过噪声测量才能评价噪声的高低,分析噪声产生的原因,因此齿轮噪声测量成为分析齿轮工艺的一种重要手段[2-3]。目前测量噪声的主要手段是声级计[4],特别在齿轮噪声测量领域主要采用声学测量分析站[5],声级计主要针对噪声声压级测量,仅仅测量了噪声的分贝数,缺乏对噪声的处理分析,声学测量分析站是虚拟仪器,依赖于PC机的软件分析,不能做到便携式和嵌入式。

    因此,本研究设计了基于DSP与FPGA的便携式齿轮传动噪声测量系统,它能实现齿轮传动噪声信号的采集、实时数据处理及结果显示功能。可以通过测量齿轮传动噪声,分析齿轮的加工工艺。

    1 齿轮噪声分析方法

    在齿轮传动噪声测量中采集到的声音信号不仅包括齿轮啮合噪声,还含有大量电机运转及周围环境等背景噪声。针对这样复杂的噪声系统,时域分析和FFT分析已不能满足要求。本研究所设计的系统采用了FFT分析和细化谱分析相结合的方法。FFT分析能得到噪声信号中所包含的频率成分[6-7],但分辨率不够高。为了准确获取齿轮啮合频率成分,需提高频率分辨率。因此,本研究采用细化谱分析,即基于复解析带通滤波器的复调制细化选带频谱分析方法[8]。

    复调制细化选带频谱分析方法,即ZFFT方法,只需输入样本的一部分进行FFT变换,这样可使信号频谱局部(即感兴趣的频率带)频率分辨率得到极大提高。

    下面以低通滤波器宽度为fs/(2D)、间隔D点选抽一点作N点谱分析,N条谱线反映(f1~f2)频带频谱的方法为例,说明ZFFT的原理。

    设原信号的采样频率为fs,N为一段FFT分析点数,D为细化倍数,M为滤波器半阶数,采样序列为x(n)。首先确定欲细化频段的中心频率fe及细化倍数D,在频带(f1~f2)范围内进行频率细化分析;然后构造一个实低通滤波器hL(n),进行复调制移频,得到一个复解析带通滤波器h0(n);再用复解析带通滤波器h0(n)对样本信号x(n)作选抽滤波,选抽比为D,选抽出N点,得到选抽后的复信号y(Dn);接下来对y(Dn)进行复调制移频,将细化的起始频率移到零频点,移频信号为s(n),得到复调制后信号为y2(n)=y(Dn)s(n);最后对y2(n)作N点FFT分析,即可以得到具有N条独立谱线的细化频谱。

    通过细化谱分析方法可以在含有背景噪声的情况下提取出齿轮传动噪声的特征频率,如齿轮啮合频率等。

    2 系统总体设计

    系统采用差分输入方式,同步采集两路噪声信号,由DSP与FPGA构成的混合结构协同处理[9],并将信号传输到上位机进行对比分析与显示。系统采用模块化设计思想,首先由两路传声器同步采集噪声信号,经前放大和抗混频低通滤波后由A/D转换器进行同步转换,再由DSP模块对数据进行分析,送液晶模块实时显示分析结果。为了进一步分析与保存噪声信号,本研究将数据通过USB通讯模块传输到上位机进行多种算法比较分析,以便彻底搞清楚信号特征。这点,系统总体方案如图1所示。