振动噪声源主要传递路径方法研究

曲洪坤(大庆亿莱检验检测技术服务有限公司，黑龙江 大庆 163002)

0 引言

生活中的噪声源多种多样，数不胜数。本研究主要针对油田固井中所产生的噪音进行研究。众所周知，能减轻或消除噪音是油田固井质量中一个非常重要的参考性能。由振动发生器发出振动波，考虑阻力以及实际生产条件的影响，使用振动接收器接收振动波后，再由振动控制器选择合适的振动频率,其噪音分布也非常的复杂，噪声源多且分布位置不均，这些都给我们研究振动噪声源传播路径带来了不小的困难。虽然噪声源产生和分布的情况复杂，但是产生噪音的原因却大同小异，主要是各类机械设施与管系通过自身的基座和其他的非支撑件一起导致振动，并传递噪声。这其中还包括了空气噪声透放射引起的噪声以及液体脉动向水中进行的噪声辐射。

由于油田固井的机械设备在井下产生噪声的途径并不唯一，且形式多样。因此，为了更好地确定出噪声的传播途径，在此次研究中，我们主要从确定振动声源和噪声的传播路径两个方面来着手进行研究。首先，我们实验的第一步是选取能够降低噪音的机械设备，然后做的就是降低或者减弱噪声声源的振动、阻隔噪声的传递途径。在这两个方面中，选用噪声比较小的机械设备是比较容易解决的问题，但是对于振动噪声源的传递路径的识别就没有那么容易了。正因为这一原因，本文关于噪声源传播的路径的研究，是在信息相似性的基础上展开的。

1 关于振动噪声源的传递路径的理论分析

1.1 振动噪声源传递路径的物理模型建立

因为实际油田固井中振动源和噪声源复杂多样，而且实际的传播路径也纷繁错综，因此，为了更好地分析和研究噪声源的传递路径，我们把噪声源传播路径做成了如图1所示的物理模型。根据噪声的产生以及噪声的传播过程，我们可以将机械设备—传递路径—噪声在水声场的传递路线简化整理如图1所示的物理模型。根据图1中物理模型所表示的传递方式，我们对噪声的每个传递环节的相关的振动的信息进行了信息相似性的比较分析或者频谱能量变化的分析。通过这种对比分析找出信息相似的程度较高或者振动的总体能量变化较小的环节过程，这些环节基本上就可以确定噪声振动以及噪声辐射的主要传递路径。这样，我们就把振动噪声源的主要传递路径基本确定了出来[1]。

图1 噪声源振动传播路径的物理模型

1.2 振动噪声源传递路径数学模型的建立

多输入单输出的数学模型（如图2所示），在这个数学模型中，我们假设有q个确定的、我们测出来的实验数据xi（t），i=1，2，3，4……，q，而这些多个数据与频率q之间的相互关联的函数为Hi(f)，而q还与常参数线性系统会产生一个输出量y(t)。而这个y(t)并不是一个实际测得的数据，而是人们根据公式预计得出的理想的数据vi(t)，i=1，2，3，4……，q以及与偏离了理想模型的所有的可能的偏差之和（这些偏差被悉数包含在未知数n（t）之中），如图2所示。根据最小二乘的定义和特点，我们知道Hi(f)的最优的选择可以使n（t）和vi(t)不相干（或者也可以说是不相关）。这样就可以使这个数学模型符合实际的物理状况，而不在仅仅是一个理想的数学模型，因此，这个模型便具有了现实的意义。因此，我们可以通过对数据xi(t) 以及y(t)的测量来对Hi(f) 和n(t)进行一个较为可靠的估计。

图2 数学模型—多输入单输出系统

在这个模型中输入变量和输出变量的一阶矩关系（我们这里用频

率的随机谱表示）为式（1）：

式（1）中，我们不断地改变输入变量的值，并且使变换前后的输入变量彼此之间互不影响，并且对于输入变量，我们并不是随心所欲地进行改变，而是具有一定的规律特点，变换的规律就是将每一个输入地变量逐步除去与其相关地前面输入的剩余，然后以这个数据作为改变的输入变量输入。

2 关于振动噪声源的传递路径的仿真研究

因为要在实验中进行仿真研究，我们首先要确定一些仿真的条件，以便于仿真的正常进行。首先我们确立的仿真的条件是假定我们在仿真的时候的噪声源信号分别为50 Hz和100 Hz的正弦信号，其中50 Hz的噪声源信号存在三条主要的信号传递的路径，分别为hi(t)、h2(t) 和h3(t)，而100 Hz的噪声源信好只有一条传递路径x4(t)，x1(t)、x2(t)、x3(t) 和x4(t) 它们均为测量所得的实验数据。而通过变换的函数关系得出的y(t) 则是我们的测量输出，n1(t)、n2(t)、n3(t)、n4(t) 都是我们在实验中测得的干扰噪声，我们把它们作为变换的输入量。n(t) 则为测量后经过函数处理的输出的外界噪声[2]。

在实验过程中，我们使用了不少实验设备，以帮助我们更高效准确地获得实验数据，得出实验结果。其中，我们不可忽视的一个重要实验设备是Fir滤波器。Fir滤波器能够帮助我们筛选到我们所需要的声波，它最大的优势是在保证我们获得相同幅度频率的声波的同时，又可以获得严格的线性相位特性。因此，我们的滤波器选择的是Fir数字滤波器。hi(t)、h2(t)、h3(t) 和h4(t)分别为低通Fir滤波器，衰减系数分别为10 dB、6 dB、0 dB和0 dB。在这些数据的基础上，我们开始对频率为50 Hz振动噪声源的主要传播路径进行了仿真分析，具体的数据和结果如图3所示。

我们在分析过程中，为了分析结果的准确有效，我们首先利用了偏相干分析方法来对数值独立进行分析，结果如图3所示，偏相干的函数值分别为0.503 5和0.544 2，0.769 8，这说明了振动频率为50 Hz的噪声源的噪声主要是通过机械的刚性支撑点附近的外表壳向水中传递噪声。

图3 测量输入与测量输出的偏相干函数

在我们利用偏相干分析方法处理数据后，得到了信号为50 Hz的特征频谱的偏相干函数值分别为 0.36、0.69 和 0.801 3，这组数据说明了50 Hz的特征频谱主要来源于输入数据x3(t)，然后才为输入数据x2(t)，x1(t)；信号为100 Hz的特征频谱相干函数值分别为0.769 8、0.87和0.950 1，这组数据说明了信号为100 Hz的特征频谱的主要来源是输入数据x3(t)，然后才是输入数据x2(t)，x1(t)。由此可知，频率为50 Hz的信号源的特征信息的主要传递路径是x4(t)，然后是x2(t)，x1(t)，因此我们的分析的结果和我们仿真设置的条件一致[3]。

3 结语

由此我们可以知道，由于油田固井装置的噪声源的传播路径进很复杂，所以我们要用多种方法进行综合型的研究分析。虽然现在我们进行这种综合性的研究的方法还不太成熟，但这是一种发展趋势。