基于耳蜗基底膜仿生原理的液压脉动衰减器滤波特性研究.pdf

第 5 2卷第 4期 2 0 1 6 年 2 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 52 N O． 4 F e b ． 2 01 6 DoI 1 0 ． 39 01 ／ J M E． 2 01 6 ． 0 4 ． 1 71 基于耳蜗基底膜仿生原理 的液压脉动衰减器 滤波特性研 究水 贺尚红 熊宇维 2 王 文 1 ．长沙理工大学工程车辆安全性设计与可靠性技术湖南省重点实验室长沙4 1 0 0 0 4 ； 2 ．湖南工业职业技术学院机械工程系长沙4 1 0 2 0 8 摘要为解决液压系统中由于压力脉动引起的振动和噪声问题，从仿生学角度出发，根据人耳听觉形成过程及耳蜗基底膜的 宽频振动响应特征，研究耳蜗基底膜振动的 “ 空间． 频率”特性，提出一种仿耳蜗基底膜振动特性的液压脉动抑制方法。设 计 一种 以仿生膜片 为共振体 的结构紧凑灵巧 的液压脉 动衰减器 ，克服 了传统液压脉动衰减器结构复杂 、体积庞大 的缺 点。基 于流固耦合原理，分析仿生膜片在压力流体中的振动特性；结合管路动态特性，建立脉动衰减器的传递矩阵模型，用插入损 失对脉动衰减性能进行评价；通过脉动衰减器样机的试验检验其滤波减振性能。理论和试验结果表明该液压脉动衰减器能够 有效 衰减液压系统有效频率 的压力脉动 ，并且在较 宽频 带 内有较好的滤波效果 ，实现 了广谱滤波 。 关键词耳蜗基底膜；仿生膜片；脉动衰减器；液压脉动 中图分类号U 6 6 4 ；T B 5 3 Re s e a r c h o n Fi l t e r i n g Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hy dr a u l i c Pu l s a t i o n At t e n ua t o r Ba s e d o n Bi o n i c Pr i n c i p l e o f Ba s i l a r M e mbr a n e o f Co c h l e a HE S h a ng h o n g XI ONG Yu we i W ANG W e n 1 ． Hu n a n P r o v i n c e Ke y L a b o r a t o r y o f S a f e t y De s i g n a n d R e l i a b i l i ty T e c h n o l o g y f o r E n g i n e e r i n g V e h i c l e ， Ch a n g s h a Un i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ； 2 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， H u n a n I n d u s t r y P o l y t e c h n i c ， C h a n g s h a 4 1 0 2 0 8 Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f v i b r a t i o n a n d n o i s e c a u s e d b y t h e p r e s s u r e fl u c t u a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e ms ， a h y dra u l i c p u l s a t i o n s u p p r e s s i o n me t h o d b a s e d o n b i o n i c p r i n c i p l e o f b a s i l a r me mb r a n e o f c o c h l e a i s p r o p o s e d ． Ac c o r d i n g t o t h e “ s p a c e fre q u e n c y ma p ”o f b a s i l a r m e mb r a n e ， a n e w h y dr a u l i c p u l s a t i o n a t t e n u a t o r wi t h b i o n i c m e mb r a n e s t r u c t u r e i s d e s i g n e d ， wh i c h s i mu l a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f v i b r a t i o n o f b a s i l a r me mb r a n e ． S o ， t h e s h o r t c o m i n g o f b u l k i n e s s o f t r a d i t i o n a l p u l s a t i o n a t t e n u a t o r i s o v e r c o me s u c c e s s f u l l y ． Ba s e d o n t h e t h e o r y o f fl u i d s o l i d c o u p l i n g ， t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f b i o n i c me mb r a n e i n t h e p r e s s ur e fl u i d a r e a n a l y z e d ． Co mb i n i n g t h e d y n a mi c c h ara c t e ris t i c s o f t h e p i p e l i n e ， t h e t r a n s f e r ma t r i x mo d e l o f the p u l s a t i o n a t t e n u a t o r i s d e riv e d and t h e p u l s a t i o n a tt e n u a t i o n f u n c t i o n i s s i mu l a t e d t o e v a l u a t e the fil t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ．E x p e r i me n t a l s t u d y o f t h e a t t e n u a t o r p r o t o t y p e i s c a r r i e d o u t ． Th e t h e o r e t i c a l a n d e x p e ri m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a tte n u a t o r i s v e r y e ffe c t i v e i n h y dra u l i c p u l s a t i o n a tt e n u a t i o n wi th b r o a d fre q u e n c y b a n d ． Ke y wo r d s b a s i l a r me mb r a n e o f c o c h l e a ；b i o n i c me mb r an e ； p u l s a t i o n a t t e n u a t o r ； h y dra u l i c p u l s a t i o n 0 前言 容积式液压 泵的排油机 制决定 了输 出的流量 不是恒定而是周期性脉动的，这种脉动流量遇到系 统负载阻抗后形成压力脉动并沿管道传播 ，引起液 国家 自然科学基金 5 1 2 7 5 0 5 9 和湖 南省 自然科学基金 2 0 1 5 J J 4 0 0 3 资 助项 目。2 0 1 5 0 3 1 2收到初稿，2 0 1 5 0 9 1 4收到修改稿 压系统管路和元件的振动及产生噪声，影响系统工 作性能，缩短元件使用寿命 J 。如何降低液压系统 的流体压力脉动一直是液压技术研究领域 的一个重 要技术难题 。 为了抑制这种流体脉动 ，在液压管路 中安装各 种脉动衰减器对其进行滤波和吸收是常见方法，其 原理来源于气体消声器。常用 的滤波技术有 阻性滤 波和抗性滤波两大类 。在液压系统中，阻性滤波会 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 7 2 机械工程学报 第 5 2卷第 4期 导致液压系统压力损失过大，无法得到直接应用。 抗性滤波是利用阻抗失配原理，在液压系统主管道 上连接截面突变的管段或旁接共振腔，使压力波在 阻抗突变的界面处发生反射或干涉现象 ，从而达到 滤波的效果，如蓄能器 、 2 ／ 4旁支共 鸣器 为波长 、 赫姆霍兹共鸣器 以及多腔共鸣器等 。有关该方面的 研究 已非常成熟 J 。 蓄能器、旁支共鸣器和赫姆霍兹共鸣器都属于 共振型脉动衰减器p 。 4 J ， 其中赫姆霍兹共鸣器最具代 表性 。共鸣腔 内油液可压缩性产 生的液体弹性元件 与共鸣器颈部液体质量构成 “ 质量． 弹簧 ”系统，利 用这一系统的振动来吸收主系统的脉动能量，当流 体脉动频率 与共鸣器 固有频率 一致时滤波 效果最 好，在此基础上开发的多腔共鸣器具有多个固有频 率【 。 由于液压系统 的流体脉动与液 压泵类 型及结 构参数 、负载系统结构及运行工况密切相关 ，流体 脉动频率成分复杂，并在一个较宽的频率范 围内具 有不可预知性 。因此，上述抗性脉动衰减器都存在 以下一些难 以克服 的缺 点 ① 结构体积庞大，安装 空 间受 限；② 只在流体共振 时才具有最佳滤波效 果 ，滤波频带窄，无法调节谐振频率 以满足不同液 压系统的需要及适应工况变化 ，通用性差。 2 0 0 1年，奥地利林茨约翰 开普勒大学研制了 一 款结构振动式流体脉动衰减器 J 。该脉动衰减器 实际上是一个带阻尼 的动力吸振器 ，在液压系统的 主管路旁接 “ 活塞一 弹簧 ”结构，在液压脉动激励下 活塞产生振动 。当激励频率与 “ 活塞一 弹簧 ”结构固 有频率吻合时产生反共振现象，达到消除主系统流 体脉动的 目的。实际上这种机械谐振式结构与赫姆 霍兹共鸣器有相似的原理，只不过是以机械振动方 式消减液压脉动 ，当然也存在最佳滤波频率单一、 滤波频带窄的缺 陷。这种谐振结构可 以通过活塞质 量与弹簧参数的匹配调整谐振频率 ，而不像赫姆霍 兹共鸣器那样需要一个大体积的容腔。但这种结构 显然要 比赫姆霍兹共鸣器复杂得 多，如果要扩展其 滤波 范围，需要增加 多个不 同共振频率 的 “ 活塞一 弹簧 ”系统 ，将使得脉动衰减器 的结构庞大，没有 优越性 。 如果能设计一种 结构简单 的多 自由度机 械谐 振结构 ，使得在较宽频率范围内的流体脉动都可 以 对应与之谐振的吸振系统 ，利用机械谐振系统充分 吸收流体的脉动，再通过 内部阻尼消耗振动能量 ， 则可实现广谱高效 的流体脉动抑制效果。为此，贺 尚红等用弹性薄板代替上述机械谐振脉动衰减器 中 的 “ 活塞． 弹簧 ” 组件 】 ， 简化了脉动衰减器的结构， 体积大大减小。 人耳 听觉系统 中耳蜗 基底膜 的动力学特 征为 获取上述结构提供了启示。人耳能够识别声音 的频 率范围为 1 6 2 0 0 0 0 H z 。 耳蜗基底膜是这一声学系 统 中的音频分析器。如果将耳蜗基底膜的这种 宽频 响应振动特性应用于结构振动式脉冲衰减器，形成 宽频范围内的流体脉动谐振系统，则可获得广谱 的 流体脉动抑制效果 。 为此，根据听觉形成过程及耳蜗基底膜宽频振 动响应现象 ，通过设计弹性膜片结构模拟基底膜振 动的 “ 空间一 频率”特性，设计一种结构紧凑的仿 生 式流体脉动衰减器 ，并通过数值分析和试验分析其 滤波性能。 1 耳蜗基底膜动力学特性分析 听觉的外周感受器官是耳，耳的适应刺激是一 定频率范围内的声波振动 。人耳 由外耳 、中耳和 内 耳迷路 中的耳蜗部分组成 。由声源振动 引起空气产 生疏密波，通过外耳道、鼓膜和听骨链 的传递 ，引 起耳蜗基底膜的振动 ，使位于它上面的毛细胞发生 兴奋，转变为听神经纤维上的神经冲动 ，并以不同 的频率和组合形式对声音信息进行编码 ，传送到大 脑皮层听觉中枢 ，产生听觉 J 。 大量事实表 明耳蜗是音频分析器，音频分析首 先决定于基底膜的振动位置 ，不同音调引起耳蜗基 底膜不同部位 的振动 。 1 8 5 7年赫尔姆霍 茨提 出耳蜗是一排在空 间上 对不同频率调谐的分析器。在基底膜上有长短不 同 的横纤维 ， 其作用很像一个微小的共鸣器， 每一根纤 维都与不 同的频率相调谐。位于耳蜗基底部 的短纤 维对高频发生反应，而在耳蜗顶部的长纤维则对低 频发生反应 。基底膜的纤维由短到长连续排列，与 其相调谐 的频率也 由高到低连续变化 。当受到某一 音调刺激 时， 基底膜相应区域的共鸣器便发生共振， 与其相联系 的神经纤维因而也发生兴奋。音调的频 率不 同，它所刺激的基底膜上 的共鸣器和相应的神 经元也不同。因此 ，每一种音调在基底膜上都有其 特定 的位 置和神经代表 ，这就是 听觉理论 中的共 鸣学。 大量试验和临床解剖证 明，基底膜 的厚度和宽 度从底部到顶部是逐渐增大的，其弹性系数、阻尼 等物理量也发生改变 。基底膜 的底部质量小，弹性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 机械工程学报 第 5 2卷第 4期 3 仿生式脉动衰减器数学模型 仿生式脉动 衰减器 的等效模型可用 图 4来表 示，将脉动衰减器近似看作是 由单个管道容腔滤波 系统与 n个仿生单元结构谐振系统并联组成 ，衰减 器入 口压力和流量分别为p l 、Q1 ，出口压力和流量 分别为p 2 、Q2 。 管道容腔系统 结构谐振系统 Q1 I Q 2 设 y 1 为容腔系统的入 口导纳 ， f 为结构谐 振系统中膜片振动引起的流量分支入 口导纳 。采用 液压系统管道动特性分析方法 J ，用集 中参数法建 立仿生式脉动衰减器频域动态模型为 1 洲 o 1 ㈣ 一Q l S ” p 1 式中， 为液压油的体积模量； 为共振容腔体积； S j c o ， 为角频率。 是由仿生单元的振动特性所决定 。仿生 单元 矩形弹性薄板 在液压油环境中振动 ，如图 5 所示 ，在流固耦合的界面上 ，流体的脉动压力作用 于矩形薄板而引起其产生振动和变形，而矩形薄板 的运动和变形又引起流体流量的变化。 I 一 ～一 、 、 一 I r t ⋯ ⋯ f fdj f ⋯ ⋯⋯ 一 一 f 一 J 一 6 图 5 仿生单元在流体 中振动示 意图 考虑脉动 衰减器 中的弹性薄板变形 为小扰动 变形 ， 忽略平行流过薄板 的稳态流速对振动的影响， 求得单个仿生单元 弹性薄板 在脉动压力 p下的振 动位移为㈣ w ∽ [1 - co s h 。s ] 2 p ] Df， ] 。 pv 2 h2 4b i-t 12bi 。 式中，P 、P 、v分别为液压油的压力、密度和速度。 [1_c0s 商 os d V w y d y 4 5 3 2 D 兀 一 6 7 y 2 f 3 a i b i S s 8 1 0 1 0] 0] 4 仿生式脉动衰减器衰减特性分析 为了分析仿生结构脉动衰减器的衰减特性 ，将 液压系统简化为图 6所示 的液压系统 。 图 6中，A、B段分别是长度 为 l 、 2 的钢直 管 ，C部分是安装 的仿生式脉动衰减器，D部分为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 年 2月 贺尚红等基于耳蜗基底膜仿生原理的液压脉动衰减器滤波特性研究 1 7 5 终端动态阻抗 ，本文为 “ 长度 三 4的钢直管 节流 负载 ”。 图 6 液压系统管道负载结构示意图 于是 ，这个液压 系统的传递矩 阵模型为 ] ] 9 ] ] 10 由管道和节 流负载 的动态 特性可 知压力脉动 衰减器的负载导纳为㈣ r o S 2 A P 2 D 2 , Q 2 D 2 所 以 E 巨， Q 2 s E E ， 2 A p2 D2 , Q 2 D P 2 s “P 2 “2 a p 2 D 1 1 Q 2 l 1 2 当图 6中的脉动衰减器换成长度为 3 的钢直管 时， 、 分别为未 安装脉动衰减器 时泵出 口处的压力脉动和流量脉动 ， 、 分别为 长度为 3 的钢直管 出口处的压力脉动和流量脉动 ， 它的传递矩阵为 乏 ] F 2。 ／l Al l 。 hi 2 ] A B C c 所 以 2 z p 2 D 2 1 0 2 92 2 1 4 式中，A、B、C、D分别为系统中长度为 1 、 2 、 3 、 4 的钢直管的传递矩阵 。 以传递矩阵 A为例 ，则有 f c h V s Z Z o 厶1 ∽ 厶 厶j 式中 ，厂 为管 道 传播因 子，厂 R ／ ； Z o 为管道特 性 阻抗 ， Z o p c F s l A s ；L 为管长； 为管道截面积。 采用 以插入损 失法为基础 的压力 脉动衰减分 贝数来对液压系统压力脉动衰减器 的衰减特性进行 评价。计算公式为 D 2 0 1 g 1 5 M 式 中，D 为压力脉动衰减分 贝； 为未安装压力 脉动衰减器 的压力脉动值； M安装压力脉动衰减 器之后 的压力脉动值 。 式 1 2 及 1 4 中 Q l S ，因此有 一吨 - g F F 2 △ 2 D2 1 0 2 D2 2 ～。 。 2 2D1 1 Q 2 D2 1 F J ． F 2 a p 2 1 Q 2 D E 2 2 A p 2 D1 1 Q 2 1 1 6 按照上述方法，对只有单个仿生单元的脉动衰 减器 的衰减特性进行分析 ，取膜 片宽度 a 1 0 i ／ l l n ， 厚度 h 0 ． 0 5 r a i n ，长度 b分别为 3 0舢加 、2 3 I I l l I 1 、 2 0 m l T l 、1 5 mm，通过 Ma t l a b程序计算得出不同尺 寸参数仿生单元的脉动衰减器在频率 O ～1 0 0 0 H z 的插入损失如 图7 所示 未计入管道容腔滤波部分 。 ∞ 皂 髅 ． fl Hz 图 7 不同长度 b的仿生单元的脉冲衰减器的插入损失 由图 7可知 ，单个不 同尺寸参数的仿生单元对 脉动衰减器的插入损失有所影响；膜片长度减小， 其固有频率增大，仿生膜片的结构谐振滤波频率带 向高频移动。 仿生膜片 由多个的不 同尺寸参数 的仿生单元 并联组成，于是将上述 的 4个仿生单元 同时固定在 仿 生式脉动衰减器中，同样通过式 1 6 计算其插入 损失，如图 8所示 。 由图 8可看出，该脉动衰减器的插入损失曲线 在 1 0 0H z 、3 0 0H z 、5 0 0H z 、7 2 0H z 、9 5 0Hz附近 ， ●_一／ 、，●- 、、 2 2、●， ， 、 ● ● _ 、 、窖 1 。 置 广 一 ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年 2月 贺尚红等基于耳蜗基底膜仿生原理的液压脉动衰减器滤波特性研究 1 7 7 d B，高于试验值 。这是由于理论建模未考虑非线性 因素及流场 中绕流阻力等因素 ，仿真 曲线只能初步 反映脉动衰减器 的滤波性能；但仿真 曲线中有效滤 波范围与试验结果基本一致 。 3 0 ∞2 0 1 0 鑫 。 一1 O - 2 0 频； g f ／ I -I z 图 1 3 衰减器样机滤波特性拟合曲线 6 结论 1 提 出了一种基于耳蜗基底膜动力学特性 的 流体脉动抑制方法 ，将耳蜗基底膜振动 的 “ 空 间一 频率”特性用于结构振动式脉动衰减器中，为实现 液压系统的宽频滤波提供 了有效手段 。 2 以听觉理论的共鸣学为依据 ，设计 了用长 度各异 的矩形弹性薄片模拟耳蜗基底膜动力学特性 的仿生膜片结构，可在较宽频率范围内构成多个吸 振系统 ，以流固谐振方式吸收液压脉动。 3 对仿生式液压脉动衰减器 的理论分析和试 验测试表明该脉动衰减器对多个频段压力脉动具 有较好的滤波效果，试验结果与仿真计算结果 的滤 波频率范围基本一致，初步验证仿生式液压脉动衰 减器的广谱滤波特性。 参考文献 [ 1 】李树立， 焦宗夏． 液压流体脉动主动控制研究现状与展 望 J 】 ． 机床与液压，2 0 0 6 9 2 4 3 ． 2 4 6 ． LI S h u l i ，J I AO Zo n g x i a ． Re s e a r c h a c t u a l i t y a n d p r o s p e c t o f a c t i v e c o n t r o l o f h y d r a u l i c fl u i d f u c tua t i o n [ J ] ． Ma c h i n e T o o l a n d H y dra u l i c s ，2 0 0 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l ，c o mp a c t p u l s a t i o n c o mp e n s a t o r t o r e d u c e p r e s s ur e p u l s a t i o n s i n h y dr a u l i c s y s t e ms [ C ／ C D ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f I c a n o v - I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ac o u s t i c s ， No i s e a n d Vi b r a t i o n ， Ot t a wa ， Ca n a d a ，Au g u s t ，2 0 0 1 ． [ 7 】贺尚红，王雪芝，何志勇，等．薄板振动式液压脉动衰 减器滤波特性[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 3 ， 4 9 3 1 4 8 1 5 3 ． HE S h an g h o n g， WANG Xu e z h i ， HE Zh i y o n g， e t a 1 ． Fi l t e rin g p r o p e r t i e s o f t h i n p l a t e h y d r a u l i c p u l s a t i o n a t t e n u a t o r [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 3 ， 4 9 3 1 4 8 - 1 5 3 ． [ 8 ]8 黄鹤年．现代耳鼻咽喉头颈外科学[ M1 ．上海复旦大 学出版社，2 0 0 3 ． HUANG He n i an ． Mo d e m E NT h e a d an d n e c k s urg e ry[ M] ． S h ang h a i F u d a n U n i v e r s i ty P r e s s ，2 0 0 3 ． [ 9 】苏尔皇．管道动态分析及液流数值计算方法[ M] ．哈尔 滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 8 5 ． S U Er h u a n g ．T u b i n g s y s t e m d y n a mi c ana 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