基于电液类比原理的水导激光水压脉动衰减器滤波特性

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.007

摘要/Abstract

摘要：

供液系统低频压力脉动（0~500 Hz）导致的水束不稳定是水导激光（WJGL）中急需解决的问题。设计了一种利用柔性衬里耦合振动及Herschel-Quincke 管（HQ管）反相位相消原理实现双重滤波的水压脉动衰减器。采用一维解析法及电液类比原理建立传递矩阵模型，通过试验验证理论建模的可行性。通过仿真定量分析了HQ管结构参数、内插管长度、衬里弹性模量等关键参数对低频脉动抑制效果的影响机制。结果表明，聚氨酯衬里的减振能力随着其弹性模量的减小而增强，损耗角对传递损失具有负面影响；在一定条件下改变内插管长度对传递损失影响不大，而增大HQ管的长度和减小管径可以增强衰减效果。

关键词: 水导激光供液系统, 低频压力脉动, 电液类比法, 传递矩阵声学模型

Abstract:

In WJGL， the instability in water jet from low-frequency pressure pulsations （0~500 Hz） in fluid supply systems needed urgent resolution. A water pressure pulsation attenuator was designed using flexible liners for coupling vibrations and Herschel-Quincke tubes （HQ tubes） for phase cancellation， achieving dual filtering. A transfer matrix model was established based on one-dimensional analytical approach and electro-hydraulic analogy principle， and the feasibility was experimentally verified through prototype testing. The influence mechanism of key parameters， such as HQ tube structures， insert tube lengths， and liner elastic modulus on low-frequency pulsation attenuation were quantitative analyzed in simulations. The results show that the damping performance of polyurethane liners improves as their elastic modulus decreases， while the loss angle negatively affects transmission loss. Under certain conditions， changing the insert tube lengths has minimal impact on transmission loss（TL）， but increasing the HQ tube lengths and reducing the diameter enhances attenuation.

Key words: water jet guided laser（WJGL） fluid supplying system, low frequency pressure pulsation, electro-hydraulic analogy method, transfer matrix acoustic model

中图分类号:

TH137

孟朝中, 杨帆, 余家欣, 王宇强. 基于电液类比原理的水导激光水压脉动衰减器滤波特性[J]. 中国机械工程, 2025, 36(9): 1961-1967.

Chaozhong MENG, Fan YANG, Jiaxin YU, Yuqiang WANG. Filtering Characteristics of WJGL Pulsation Attenuator Based on Electro-Hydraulic Analogy Principles[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(9): 1961-1967.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.007

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2025/V36/I9/1961

图/表 13

图1 DTETC理论插入损失与试验测量比较［11］

Fig.1 Comparison of DTETC theoretical insertion loss with experimental measurements［11］

图2 水压脉动衰减器测试平台原理图1.变频电机 2.转速仪 3.柱塞泵 4，6.压力传感器5.脉动衰减器 7.节流阀 8.溢流阀 9.流量计 10.过滤器

Fig.2 Schematic diagram of hydraulic pulsation attenuator test platform

图3 水压脉动测试部分试验平台

Fig.3 Hydraulic pulsation test section test rig

图4 水压脉动测试结果

Fig.4 Hydraulic pulsation test result

图5 复合式脉动衰减器声学单元划分

Fig.5 Composite pulsation attenuator acoustic unit division

图6 柔性衬里部分等效电路模型

Fig.6 Equivalent circuit model of flexible liner

表 1 参数设置

Tab.1 parameter setting

类别	参数	数值
水参数	运动黏度/（m²·s^-1）	1.01×10^-6
	密度ρ/（kg·m^-3）	890
	体积弹性模量/GPa	2.18
	动力黏度/（Pa·m）	46
弹性模量参数	不锈钢的弹性模量/GPa	200
	聚氨酯储能弹性模量/MPa	15.97
	橡胶厚度/mm	30
管道参数	内插管直径/mm	38
	内插管1长度/mm	78
	内插管2长度/mm	39
	扩张室直径/mm	90
	扩张室长度/mm	175
	HQ管长度/mm	600
	HQ管直径/mm	20

图7 复合式脉动衰减器结构示意图（l=175 mm,d1=d2=15 mm,d=90mm,h=15 mm,l3=70mm,l5=35mm)

Fig.7 Schematic structure of a composite pulsation attenuator

图8 HQ管结构参数对脉动衰减器传递损失的影响

Fig.8 Influence of HQ tube structural parameters on the transmission loss of pulsation attenuators

图9 HQ管管长对脉动衰减器传递损失的影响

Fig.9 The effect of HQ tube length on transmission loss of hydraulic pulsation attenuators

图10 内插管长度对脉动衰减器传递损失的影响

Fig. 10 The effect of endotube length on transmission loss of pulsatile attenuators

图11 储能体积模量对脉动衰减器传递损失的影响

Fig.11 The effect of storage bulk modulus on transmission loss of pulsation attenuators

图12 正切损耗角对脉动衰减器传递损失的影响

Fig.12 The effect of tangent loss angle on transmission loss of pulsation attenuators

参考文献 13

[1]	LI Honglu， FANG Xinming， ZHU Zijian， et al. The Approach of Nanoscale Vision-based Measurement via Diamond-machined Surface Topography［J］. Measurement， 2023， 214：112814.
[2]	HAN Junhong， CHEN Yanbing， WANG Jianpeng， et al. A Review of Molecular Dynamics Simulation in Studying Surface Generation Mechanism in Ultra-precision Cutting［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2022， 122（3）：1195-1231.
[3]	MARIMUTHU S， SMITH B. Water-jet Guided Laser Drilling of Thermal Barrier Coated Aerospace Alloy［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 113（1）：177-191.
[4]	王水旺，丁烨，程柏，等. 水导激光微加工机理与研究进展［J］. 中国激光， 2022， 49（10）：1002404.
	WANG Shuiwang， DING Ye， CHENG Bai， et al. Mechanism and Research Advances of Water-jet Guided Laser Micromachining［J］. Chinese Journal of Lasers， 2022， 49（10）：1002404.
[5]	杨帆，邓斌，王宇强，等. 具有柔性衬里的压力脉动衰减器滤波特性［J］. 西南交通大学学报， 2019， 54（1）：154-159.
	YANG Fan， DENG Bin， WANG Yuqiang， et al. Filtering Characteristics of Hydraulic Suppressor with Compressible Liner［J］. Journal of Southwest Jiaotong University， 2019， 54（1）：154-159.
[6]	SIQUEIRA MAZZARO R， de MORAIS HANRIOT S， JORGE AMORIM R， et al. Numerical Analysis of the Air Flow in Internal Combustion Engine Intake Ducts Using Herschel-Quincke Tubes［J］. Applied Acoustics， 2020， 165：107310.
[7]	AHMADIAN H， NAJAFI G， GHOBADIAN B， et al. Analytical and Numerical Modeling， Sensitivity Analysis， and Multi-objective Optimization of the Acoustic Performance of the Herschel-quincke Tube［J］. Applied Acoustics， 2021， 180：108096.
[8]	PAPATHANASIOU T K， TSOLAKIS E， SPITAS V， et al. The Herschel-Quincke Tube with Modulated Branches［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society A：Mathematical， Physical and Engineering Sciences， 2022， 380（2237）：20220074.
[9]	齐成婧，毛崎波. 多分支HQ管模型的传声损失分析［J］. 声学技术， 2020， 39（2）：224-229.
	QI Chengjing， MAO Qibo. Analysis of the Acoustic Transmission Loss of Multi-branch HQ Tube Structure［J］. Technical Acoustics， 2020， 39（2）：224-229.
[10]	KIM D Y， IH J G， ÅBOM M. Virtual Herschel-Quincke Tube Using the Multiple Small Resonators and Acoustic Metamaterials［J］. Journal of Sound Vibration， 2020， 466：115045.
[11]	杨帆，邓斌. 一种集成Herschel-Quincke管的双调谐内插管扩张室液压脉动衰减器的设计与分析［J］. 液压气动与密封， 2019， 39（8）：34-40.
	YANG Fan， DENG Bin. Design and Analysis of a Double-tuned Extended-tube Expansion Chamber Hydraulic Noise Suppressor Integrated a Herschel-Quincke Tube［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2019， 39（8）：34-40.
[12]	姚静，张昊，宋英哲，等. 面向数字阀组压力脉动的复合被动稳压结构设计［J］. 机械工程学报， 2025：61（8）：344-351.
	YAO Jing， ZHANG Hao， SONG Yingzhe， et al. Composite Passive Stabilizer Structure Design for Pressure Pulsation of Digital Valve Package［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2025：61（8）：344-351.
[13]	MAREK K A， EARNHART N E， CUNEFARE K A. Model and Analysis of a Cylindrical In-line Hydraulic Suppressor with a Solid Compressible Liner［J］. Journal of Sound and Vibration， 2014， 333（24）：6312-6331.

[1]	邱冰静, 贾慕华, 励音骐, 吉刘斌. 基于试验测试的超重力离心模拟环境下加载缸稳压方案研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(8): 1651-1657.
[2]	刘宇超1, 习毅1, 张宇效2, 戴巨川1, 贺乐君1, 夏虎强2. 基于缸径与流量匹配的高空作业平台飞臂液压系统节能设计[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1290-1299.
[3]	类兴茂1, 丁海港1, 2, 王思民3, 杨程程1, 庞智珍1. 基于自抗扰控制算法的负载敏感多路阀阀口压差精准调控[J]. 中国机械工程, 2025, 36(05): 954-962，973.
[4]	王伟平, 周心怡, 陆顺. 基于气液溶解与气体压缩复合原理的高能量密度液压储能方法[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 426-434，443.
[5]	莫虎, 胡燕平. 单密封带滑靴高速应用的制约因素分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 96-103.
[6]	陈源1, 熊典峰1, 李运堂1, 高永操2, 李传仓2, 王冰清1, 金杰1. 航空高速齿轮泵齿轮端面摩擦副的润滑特性[J]. 中国机械工程, 2024, 35(07): 1178-1187.
[7]	陈立娟, 吴蝶, 高伟, 魏龙正, 曹晟维, 艾超, 李景彬. 基于反馈线性化与非线性扰动补偿的液压型风电机组有功功率控制研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(23): 2889-2897.
[8]	周兴炜, 冯克温, 赵星宇, 葛磊, 杨敬, 权龙. 异形反馈槽对比例节流阀特性的影响[J]. 中国机械工程, 2023, 34(16): 1921-1928.
[9]	杭旸, 闫康昊, 黄丹. 计入柱塞套弹性变形的柱塞副摩擦与密封特性分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 17-26.
[10]	叶绍干, 赖伟群, 侯亮, 卜祥建. 锥形缸体球面配流副润滑特性建模及试验验证[J]. 中国机械工程, 2022, 33(20): 2420-2428，2436.
[11]	董振乐, 杨英浩, 姚建勇, 张政, 李阁强, 王帅. 匹配和不匹配干扰共存时电液伺服系统预设性能渐近跟踪控制[J]. 中国机械工程, 2022, 33(20): 2437-2443.
[12]	陈东宁, 胡彦龙, 姚成玉, 王宽通, 马雷, . 多维动态贝叶斯网络及其重要度分析方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2340-2346.
[13]	李双路, 訚耀保, 张鑫彬, 王晓露, 傅俊勇. 全周边液压滑阀冲蚀形貌及性能演化特性[J]. 中国机械工程, 2022, 33(17): 2038-2045.
[14]	廖毅弘, 张桂明, 许静. 织构化可控界面对汽轮机调节阀泄漏影响规律及机制[J]. 中国机械工程, 2022, 33(12): 1427-1434.
[15]	晋超, 权龙, 夏连鹏, 葛磊, 赵斌. 储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1287-1293,1301.