研讨噪声工程机械噪声及制约技术研究

论文导读：
摘要：分析了工业噪声的主要来源，从噪声源的控制、噪声传播途径的控制和个人防护的角度探讨了目前的噪声控制技术。指出了我国目前噪声研究中存在的不足，并提出了未来的发展方向。
关键词：工程机械；噪声控制；阻尼；CAE
1引言
与美国、日本以及欧洲的一些发达国家相比，我国对工程机械噪声的研究还处于起步阶段，许多噪声分析及控制方法的应用还缺乏足够的经验积累。
目前噪声控制的主要途径有声源控制、噪声传播途径控制及采取个人防护措施，其中声源控制和传播途径控制降噪效果最为明显。
2噪声的来源

2.1机械性噪声源

机械性噪声是由固体振动而产生，主要包括结构噪声、齿轮噪声、电磁噪声、液压泵与管路噪声、撞击噪声、周期性作用力激发的噪声、摩擦噪声、转动系统的振动噪声、轴承噪声、建筑施工机械噪声等。

2.2空气动力性噪声源

空气动力性噪声由高速气流、不稳定气流以及气流与物体相互作用所产生，主要包括喷射噪声、涡流噪声、旋转噪声、周期性进排气噪声、燃烧噪声、激波噪声等。
3噪声源的控制

3.1合理选择材料

选择机械设备材料时，除了考虑材料的常用性能外，还需注重材料本身的内阻尼性能。内阻尼性能表示材料受到激振力的作用时，内部分子吸收能量或抑制构件振动能力的大小。铜、铁、铝等常用金属材料内阻尼较小，在激振力的作用下，材料表面辐射出较多的能量，因此产生的噪声比较大；一些高分子材料和减振合金具有较高的内阻尼，在相同条件下，由于合金内摩擦引起振动滞后损耗效应，将部分振动的能量转化为热能耗散掉，因此降噪效果好。通过实验，可以得到普通齿轮与阻尼材料齿轮在转速分别为500r/min、1000r/min、1400r/min下的噪声对比曲线，其中A为普通齿轮，B为阻尼材料齿轮，如图1所示。
图1普通齿轮与阻尼材料齿轮噪声对比曲线

3.2机械性噪声源的控制

3.

2.1结构噪声

结构噪声是一种辐射源不直接暴露在空气中而通过结构传播的噪声，普遍存在于各类机械的运转中，通过优化结构设计可以达到较好的减噪效果[3]。
常用于旋转机械设备的振动筛可以通过安装减振器或改变轴承滚动体的结构来降低结构噪声。在轴间相对运动精度要求较低的情况下，在激振器（或轴承）与筛体之间安装一组减振器，适当选取减振器参数，使机体在工作频率附近获得稳定振幅，从而减小机体的高频响应，达到很好的降噪效果；当轴间相对运动精度要求较高时，可选用空心滚动体轴承，在保证滚动体强度和避开共振区的条件下也可获得较好的降噪效果。
在研究柴油机结构噪声控制问题时，通常采用动力学模型仿真与实验相结合的方法。首先对柴油机的曲轴系统和配气机构等振动较多的机构进行激振力动力学仿真，采用有限元与边界元的处理方法，建立柴油机的摘自：学年论文www.7ctime.com
组合结构动力学模型，进行整体振动分析，再通过实验校核模型的正确性和仿真数据的有效性，并进行修正。利用修正后的模型进行结构噪声的预测和分析，最终根据预测结果进行结构噪声的优化控制[4]。
3.

2.2齿轮噪声

齿轮噪声是啮合的齿轮对或齿轮组由于互撞和摩擦激起齿轮体的振动而辐射出的噪声。当齿轮转速达到一定值时，其受迫振动频率与箱体、齿轮架或齿轮体的固有频率相等，产生共振，导致辐射噪声级别急剧增加[5]。影响齿轮噪声大小的主要因素有：齿轮的设计参数、加工精度、粗糙度、箱内润滑油粘度以及材料等。
可以采取以下措施减少齿轮噪声：①在满足生产要求和经济性的前提下，优先选用斜齿轮或人字齿轮；②在兼顾负载的前提下，尽量减小齿轮的压力角；③选择合适的齿侧间隙，避免齿隙较小的咆哮噪声和齿隙过大的撞击噪声；④对齿轮进行修齿，避免齿轮互撞；⑤提高加工精度，降低表面粗糙度；⑥在一定的传递功率下，尽可能选择大粘度润滑油，以保证传动平稳；⑦选择合适的材料，如用阻尼合金、高分子材料、铸铁、木材等。
3.

2.3电磁噪声

电磁噪声是不平衡的电磁力引起某些机械振动而产生的噪声，主要来源于工业用变频器、大型电动机和变压器。这里主要介绍工业用电动机中降低电磁噪声的措施。
直流电动机和同步交流电动机具有相同的噪声特性，理论上可以采用增大气隙间距来减噪。Sperling提出一台350kW的感应电动机，当将其气隙由1mm增大到1论文导读：
.5mm时，可使以1700Hz的噪声减少5dB[6]；但增加气隙间距受到磁极磁通密度饱和程度的限制，同时会使效率和功率因数降低以及温升增大。因此，常采用变化的气隙间距或斜槽转子来降低电磁噪声，同时若两者配合使用，效果会更好。
交流异步电动机的电磁噪声是由于定子与转子各次谐波相互作用而产生的，称为槽噪声。可以采取以下解决措施：①采用斜槽转子以削弱齿谐波；②采用闭口齿槽，消除或减小开口槽引起的高次谐波；③降低气隙磁密，减小由基波磁通和定子转子各高次谐波的磁势幅值，从而减小径向作用力；④增大定子转子气隙，改善磁场的均匀性，减小单边磁拉力的作用；⑤提高加工精度，使气隙均匀[5]。
3.

2.4液压泵与管路噪声

液压泵的噪声包括泵的机械噪声和液体动力性噪声。机械噪声来源于液压泵出液体时构件间的冲击和摩擦，可使用锰铜合金等高内阻材料制作泵体或者在泵内加装减振器；液体动力性噪声是由于液压泵连续工作时出现动力压强脉冲，从而激发泵体和液压阀等部件的振动而辐射出的噪声[6]。
液压阀的噪声包括机械性噪声和流体噪声。以溢流阀为例，其机械噪声主要由阀中可动部件的机械接触、电磁铁的吸合、阀芯的冲击以及机械部件的振动产生；流体噪声是由于压力流量脉动、气穴和气蚀、旋涡运动、高低压突变、流体的摩擦等原因产生的[7]。为了降低溢流阀阀芯与阀套间可能产生的干摩擦、高频噪声和机械碰撞声，可选择具有自润滑特性和减振性能良好的摩擦副材料，如金属石墨、陶瓷等。

3.3空气动力性噪声源的控制

空气动力性噪声多出现在空气压缩机、通风机、喷气发动机、高压锅炉和内燃机进排气阀等处。通风机的噪声是旋转噪声与涡流噪声的叠加形成的，可以采取以下解决措施：①适当增加蜗舌间距或将蜗舌适当倾斜，可以减小气流对蜗舌的冲击，减小脉动，如图2所示；②适当增大蜗舌曲率半径，降低旋转噪声；③适当降低叶道出口涡流区相对宽度[8]。
图2倾斜蜗舌风机声级曲线
周期性进、排气噪声是一种典型的空气动力性噪声，是由于进、排气门的开闭使管道中气体周期性地产生压力和速度的波动，导致气流柱振动而产生的低频噪声[9]，常见于内燃机、活塞式空气压缩机的进、排气装置。如内燃机在排气冲程周期性排放高压高温气体，使周围空气的压强和密度不断受到扰动而产生噪声；在进气冲程，气流经进气门高速进入内燃机燃烧室产生巨大的冲击波从而产生噪声[5]。可以采取以下解决措施：①合理设计和选用空气滤清器；②合理设计气缸盖进、排气管道，减小进、排气系统内压力脉动强度和涡流强度，保证气流顺利通过。
4噪声传播途径的控制

4.1 吸声与隔声技术

吸声指利用吸声材料的粘滞性、内摩擦作用和导热性，将进入吸声材料空隙的声波通过空气和材料的细小纤维转化为热能进而吸收和耗散掉；隔声指利用隔声材料和隔声结构隔离或阻挡声能的传播[10]。
吸声技术与隔声技术常交叉使用，以达到良好的降噪效果。如上海第九丝织厂在机房内局部平顶作超细吸声棉吸声处理以降低机房内混响声，并可减少机房向外辐射的噪声[5]；汽车前围常采用相应的吸声、隔声材料，如图3所示；工业用钢球磨煤机多在筒体上安装多层耐热材料复合的隔声套，使噪声经阻尼材料的内耗衰减和吸声、隔声材料的吸、隔作用而降低，同时采用隔声罩将钢球磨煤机本体、齿轮箱和电机等噪声源封闭在一个相对小的空间内，减小噪声向周围辐射[11]。
图3汽车前围吸声隔声材料结构示意
2013年5月绿色科技第5期 一般吸声处理只能减弱反射声，而对从声源来的直达声没有作用，在离噪声源较远处，宜采用吸声措施。

4.2消声装置

消声分为主动消声与被动消声，目前被动消声技术的应用较为成熟，而主动消声技术是新兴技术，多用于高精尖设备[12]。消声器是最常见的消声装置之一，包括阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器和有源消声器6大论文导读：
类，下面主要介绍消声器。
消声器常用来控制空气动力性噪声，它既能允许气流顺利通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播，唯一的不足在于不能减少设备的结构噪声、电磁噪声等机械性噪声[10]。因此，消声器在处理进、排气口空气噪声中应用最广，凡是以气流噪声为主的噪声控制问题，均可在进、排气口安装消声器来降低噪声[13]。如空调系统中锅炉房和冷冻机房等设备机房进出风口处、冷却塔进出风口处、舰船柴油发动机废气排放处等均采用了相应的消声器[14]。
在尖端武器领域，消声器也有着不可替代的作用。目前，大部分潜艇上已安装了自适应被动共鸣板消声器[12]。消声器虽然不能为系统注入声能，属于被动消声，但在有功率来源的情况下可以调整噪声的频率，使噪声衰减。目前相关研究人员正在研究可根据噪声的频率自动调节声阻抗的智能主动噪声控制系统，通过输入抗性声能，抵消噪声以降噪。
消声百叶扇是一种新型进、排气消声装置，采用由进、排气流驱动的可变阻旋转叶轮的消声方法。由于旋转叶轮轴承间隙随温度变化而引起不同的摩擦阻力，使被气体驱动的旋转叶轮对流动气体形成不同的阻尼，从而达到消声效果。同时旋转叶轮能储存气流的能量，对脉动气流可以起到瞬时加压或抽吸，使脉动气流趋于平稳[15]。

4.3隔振技术

隔振分为主动隔振与被动隔振，主动隔振是将振源与支撑振源的基础隔开；被动隔振是将需防振的物体单独与振源隔开。目前常采用的做法是将振动源与地基或需要防振的物体之间用弹性元件和阻尼件进行连接，隔绝或减弱振动。如图5所示，隔振系统由刚度系数为K的弹簧和阻尼系数为C的阻尼器构成，当振动激励输入系统时，弹簧振子与阻尼器共同起到隔离和衰减振动的作用，使得系统输出的振动频率大为降低，以达到隔离振动的目的。
图4隔振系统原理
目前汽车中多采用悬置隔振技术，包含了主动隔振与被动隔振。在发动机运转时，曲轴输出脉冲扭矩引起发动机的扭转振动，悬置阻止了这种振动向车身的传递；在正常行驶时，路面的不平衡激励会造成整车的振动，悬置将发动机与整车振动隔开，防止振动传递至发动机，引起共振，对发动机造成严重的损害[16]。
5个人防护
目前个人防护方面主要采取的措施有以下几点：①对生产一线工人进行防治噪声的宣传教育，落实各项职业卫生规章制度；②生产工人佩戴声衰性能良好的护耳器（耳塞或耳罩），护耳器的选择以降低中、高频噪声为主。
6结语
随着现代工业技术发展摘自：毕业论文选题www.7ctime.com
，工业噪声已成为危害工人健康和污染环境的重要因素，有效控制噪声不仅是中国机械产品面临的问题，同时也是全球发展的趋势。与国外的机械产品相比，国内产品噪声控制水平存在较大差距，部分产品噪声限值甚至超过国家标准，因此必须要重视工程机械噪声及相关降噪新技术的研究。
目前噪声控制技术的发展方向有以下几点：①集高阻尼、高强度、高精度于一身的非金属材料的研制；②机械零件与构件的结构改进；③新型消声器、减振器、隔振器的发明和普及；④FEM、BEM和SEA等噪声分析方法的综合应用[17]。