一種基于傳聲器陣列的滾珠絲杠副噪聲測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于高速精密傳動副輻射噪聲測試領域，特別涉及一種基于傳聲器陣列的 滾珠絲杠副輻射噪聲測量方法。
【背景技術】
[0002] 高速滾珠絲杠副是代表當前世界先進水平的直線運動部件之一。作為數(shù)控機床驅(qū) 動系統(tǒng)的執(zhí)行單元，對保障和提高整個數(shù)控機床的加工精度、工作效率和綜合性能起著至 關重要的作用?，F(xiàn)代數(shù)控機床功能的改善、水平的提高、性能的特色，已經(jīng)由功能部件的創(chuàng) 新發(fā)展和提高為保證。
[0003] 我國以滾珠絲杠副為代表的滾動功能部件產(chǎn)業(yè)起步于上世紀60年代，是伴隨著我 國精密機床、數(shù)控機床、機電一體化產(chǎn)品發(fā)展而逐漸成長起來的一個新興產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過50多年 的發(fā)展，我國滾動功能部件已形成一定的規(guī)模，具有為其他裝備配套的積極作用，尤其是在 機床專項的順利進展下，國內(nèi)滾動功能部件行業(yè)取得了巨大的突破。但是目前所存在的諸 多問題也制約著行業(yè)進一步發(fā)展，產(chǎn)品檔次較低是主要問題之一。由于高速運行下國產(chǎn)滾 珠絲杠副的精度保持性差、污染環(huán)境的噪聲和使用壽命低等問題一直未被有效解決，導致 高速、高精及低噪聲系列產(chǎn)品與國外知名企業(yè)的產(chǎn)品有明顯差距，成為制約國產(chǎn)中高檔數(shù) 控機床發(fā)展的瓶頸。
[0004] 噪聲性能是滾珠絲杠副的重要質(zhì)量和性能指標。隨著材料和制造技術的進步，很 多應用場合，如精密儀表、轎車和家用電器等，對滾珠絲杠副振動和噪聲特性的要求日趨嚴 格，已經(jīng)上升為第一重要的質(zhì)量指標。這是因為主機更新?lián)Q代的周期縮短，滾珠絲杠副己經(jīng) 具備足夠長的使用壽命，壽命儲備己經(jīng)相對不重要了；而有關噪聲污染的環(huán)保法規(guī)卻日益 完善，滾珠絲杠副因振動和噪聲失效通常先于疲勞失效;而且振動和噪聲是滾珠絲杠副性 能的綜合反映，理論研究和工程實踐都已經(jīng)表明凡是影響疲勞壽命的因素無一例外地影響 著滾珠絲杠副的振動和噪聲特性，一定程度上優(yōu)良的振動和噪聲性能預示著較長的使用壽 命。
[0005] 目前，普遍采用的滾珠絲杠副輻射噪聲測量方法是將單個傳聲器放置在螺母附 近，拾取輻射噪聲。申請?zhí)枮?01010624332.9的發(fā)明中，測噪聲的傳聲計安裝在模擬工作臺 的下方，對準滾珠絲杠副的螺母。申請?zhí)枮?01310303743.1的發(fā)明中，傳聲器放置在螺母附 近，通過支架與模擬工作臺固定。這兩種測量方法相類似，都是將傳聲器盡可能地接近滾珠 絲杠副的發(fā)聲部位(即螺母），近距離采集輻射噪聲。但是，由于傳聲器與模擬工作臺連接在 一起，模擬工作臺運動帶來的振動會對測量產(chǎn)生一定影響，另一方面?zhèn)髀暺魉幬恢酶浇?聲場環(huán)境復雜，聲音信號中存在大量的干擾信號，包括伺服電機、支撐軸承、導軌運行的噪 聲和周圍電氣設備的電磁干擾等。因此，現(xiàn)有測量方法的信噪比較低，不能準確地反映滾珠 絲杠副的輻射噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有噪聲測量方法中的不足，提供一種基于 傳聲器陣列的滾珠絲杠副輻射噪聲的測量方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：
[0008] 一種滾珠絲杠副輻射噪聲測量裝置，包括測試臺、信號采集單元以及信號處理單 元，所述測試臺用于滾珠絲杠副安裝測試，所述滾珠絲杠副包括滾珠絲杠以及螺母，其特征 在于:所述數(shù)據(jù)采集單元包括位置測量單元以及傳聲器陣列，所述位置測量單元設置在所 述測試臺上用于測量所述螺母的位置，所述傳聲器陣列布置在所述測試臺的外側(cè)，所述傳 聲器陣列包括分布在沿所述螺母移動方向上不同位置的至少兩個傳聲器;所述信號處理單 元接收所述位移測量單元的位置信號和所述傳聲器的噪聲信號并根據(jù)位于不同位置的傳 聲器計算出螺母在不同位置處的噪聲。
[0009] 所述位移測量單元為光柵尺或位移傳感器。
[0010] 所述傳聲器陣列為均勻線陣、平面陣列或空間陣列。
[0011] -種滾珠絲杠副輻射噪聲測量方法，采用傳聲器陣列測量噪聲，包括如下步驟：
[0012] (1)采集傳聲器陣列接受的噪聲信號和螺母的位置信號；
[0013] (2)將螺母位置信號進行延時處理，使螺母位置信號與傳聲器陣列輸出信號同步；
[0014] (3)將同步處理后的噪聲信號和螺母位置信號按時間劃分為η個小段，2;
[0015] (4)分別對每個小段信號進行近場波束形成處理；
[0016] (5)將處理后的η個小段信號合成，獲得滾珠絲杠副的噪聲信號。
[0017] 所述步驟(2)包括如下子步驟：
[0018] (21)選定第R個傳聲器作為測量信號的參考傳聲器；
[0019] 您峨舟價晉信號延時，延時量tc由下式確定：
[0020]
[0021 ] 其中，c為聲速，rR (tb)為測量起始時間傳聲器R到螺母的距離，R為1~Μ，Μ為傳聲器 陣列中傳聲器的數(shù)量。
[0022]步驟(3)中，將同步后時域數(shù)據(jù)按螺母位置信號分為η個小段，位置信號p(t)劃分 為[pUohpUO,傳聲器陣列輸出信號s(t)劃分為itsUohsUO，···； (tn-l)]
[0023] 位置信號和陣列信號的對應關系為：
[0024] 位置為p(tk)，對應陣列輸出為S(tk) = [Sl(tk)，S2(tk)，···，SM(tk)];
[0025] 其中，k為0 ~n-1。
[0026] 所述步驟(4)近場波束形成處理后的每小段陣列輸出信號S'(t〇為：
[0027]
[0028] 其中，i為0~η_1;?^ρ(ω位置處，陣列輸出信號相對于p(to)位置處的幅度補償 系數(shù)；A ^為相對于p(to)位置的時延補償系數(shù)；〇^為傳聲器m的信號相對于參考傳聲器R的 幅度補償系數(shù);為相對參考傳聲器R的延時：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 兵〒，域如萬口纟如怔直叮傳戶益K與目標聲源的距離，rR(ti)為p(ti)位置時傳聲 器R與目標聲源的距離;c為聲速為p(t〇位置時聲源到傳聲器m的距離。
[0034] 所述步驟(5)，包括如下子步驟：
[0035] (51)對每小段陣列輸出信號S' (t〇進行時域補零，信號變?yōu)镾/ (t)，信號長度為t; t = ti時，S/ (1:) = 37 (ti) ;t關ti時，S/ (t)=0;
[0036] (5 2)合成后的時域噪聲信號S(t)為：
[0037]
[0038] 本發(fā)明的滾珠絲杠副噪聲測量方法，具有以下優(yōu)點：（1)傳聲器與目標源非接觸連 接，滾珠絲杠副運行產(chǎn)生的振動不會影響傳聲器的測量；（2)采用傳聲器陣列測量噪聲，近 場波束形成的加權系數(shù)和時延系數(shù)隨螺母位置更新，使陣列波束始終對準目標聲源，能夠 提高測量數(shù)據(jù)的信噪比，抑制了測量現(xiàn)場來自其它方向的干擾，提高噪聲測量的整體性能。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明的測量方法流程示意圖；
[0040] 圖2是本發(fā)明的傳聲器陣列布置示意圖；
[0041 ]圖3是數(shù)據(jù)采集同步示意圖；
[0042]圖4是近場波束形成處理流程示意圖；
[0043] 圖5是傳聲器陣列與輻射源的位置關系圖；
[0044] 圖6是參考傳聲器幅度和時延補償原理圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0046] 如圖2所示，1為實驗臺基座，2為導軌，3為滾珠絲杠，4為螺母，5為支撐軸承，6為聯(lián) 軸器，7為傳聲器陣列，8為數(shù)據(jù)采集器，9為電腦，10為光柵尺，11為伺服電機。滾珠絲杠副安 裝在綜合性能實驗臺上，Μ個傳聲器組成均勻線陣，放置在實驗臺一側(cè)，與絲杠平行。傳聲器 陣列高度與螺母一致，或略高于螺母。傳聲器陣列拾取聲音信號，光柵尺采集滾珠絲杠副的 發(fā)聲部位一一螺母的位置信息。噪聲測量現(xiàn)場的主要干擾源為伺服電機噪聲和支撐軸承的 噪聲，目標噪聲為螺母的輻射噪聲。干擾信號的位置是固定的，而目標源信號的位置平行于 陣列左右移動。
[0047] 如圖3所示，數(shù)據(jù)采集卡同步采集光柵尺和傳聲器陣列的信號。螺母位置信息可由 光柵尺直接采集獲得，所耗時間為ts。螺母的輻射噪聲首先通過聲波傳輸?shù)絺髀暺?，然后?從傳聲器輸出到數(shù)據(jù)采集卡，其耗時為(t c+