减振降噪在机械设计中的应用

姜子豪，李 浩，阚江明

（北京林业大学工学院，北京 100083）

噪声污染与大气污染、水污染并称为世界三大污染。在高度工业化的当今时代，国家工业机械化程度决定着生产力的高低。机械设备作为日常生活中广泛使用的产品，也具备着其不可避免的缺点:其在运行过程中所产生的噪声污染已经成为一个不容忽视的问题。运动的机械产生的噪声按噪声源分类可分为:空气动力性噪声和机械性噪声。如何能够有效地削弱机械设备在使用过程中产生的噪声成为了众多业内人士研究的热点问题。工程中广泛应用的噪声控制方法有噪声源的控制和噪声传播途径的控制等。在众多的解决途径中，采用消声、隔声、吸声等措施，可以较为有效地控制噪声污染，在一定程度上缓解了机械设备固有的不足［1－4］。

本文着重从噪声源的控制和噪声传播途径的控制两个方面，针对交通工具、工业生产机械、液压设备和动力设备等常见机械设备，总结和分析减振降噪技术在其中的应用情况。

1 噪声的来源

1.1 空气动力性噪声源

该类噪声主要由高速气流、不稳定气流以及气流与物体相互作用所产生，包括喷射噪声、涡流噪声、旋转噪声、周期性进排气噪声、燃烧噪声和激波噪声等。

1.2 机械性噪声源

机械性噪声因固体振动而产生，例如，在撞击、摩擦、交变机械应力或磁性应力等的作用下，机械设备的金属板、轴承、齿轮等发生碰撞、振动而产生的机械噪声［5］。该类噪声主要包括撞击噪声、周期性作用力激发的噪声、摩擦噪声、结构噪声、转动系统的振动噪声、齿轮噪声、轴承噪声、电磁噪声、液压泵与管路噪声、建筑施工机械噪声等。

2 噪声源的控制

2.1 合理选择材料

在为机械设备选材时，除要考察材料的力学性能、物理性能和化学性能、工艺性能和经济性等因素外，为降低噪声，还应分析材料本身的内阻尼性能。内阻尼性能表示一种材料受到激振力的作用时，内部分子消耗吸收能量和抑制构件振动的能力大小。

机械设计中普遍应用的材料，如铜、铁、铝等，内阻尼较小，消耗振动的能量少，在激振力的作用下，构件表面辐射较强的噪声［6］;相比之下，一些高分子材料和减振 （阻尼）合金具有较高的内阻尼，在承受激振力的作用时，合金内摩擦将引起振动滞后损耗效应，将振动的能量转化为热能耗散掉，以达到降噪效果。例如，在齿轮的设计与选用中，如遇到转速较低，强度要求不大的场合，可以考虑使用非金属材料制造齿轮，以达到降低噪声的目的。与此同时，在面粉厂等多粉尘的工作环境中和冶金工业中，使用非金属材料的齿轮传动，既可以应对多粉尘或者腐蚀严重的环境，又可以降低噪声，改善工人们的工作条件。根据东北农业大学李中才的研究，图1、图2和图3分别为转速500 r/min、1 000 r/min、1 400r/min时普通齿轮与阻尼材料齿轮的噪声对比曲线，其中A为普通齿轮，B为阻尼材料齿轮。B齿轮的噪声较A齿轮的噪声普遍低，尤其是在齿轮高转速情况下阻尼材料齿轮的噪声与普通材料的更低。同时阻尼合金材料在承受一定载荷的情况下能较好的发挥阻尼降噪的作用［7］。

2.2 优化机械结构

结构噪声为一种辐射源不直接暴露在空气中，通过结构传播的噪声。该类噪声普遍存在于各类机械的运转中。“齿轮箱等封闭壳体的机械和振动筛这类以振动为主要工作方式的机械，结构振动辐射声占总声能的比例的90% ～95%［8］。在机械设计工作中，针对结构噪声，优化结构设计，可以达到较好的除声降噪的效果。下面本文将集中讨论几种典型的结构噪声的控制方法。

图1 500r/min下普通齿轮与阻尼材料齿轮噪声对比Fig.1 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 500r/min

图2 1 000r/min下普通齿轮与阻尼材料齿轮噪声对比Fig.2 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 1000r/min

图3 1 400r/min下普通齿轮与阻尼材料齿轮的噪声对比Fig.3 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 1400r/min

2.2.1 振动筛噪声

如常见于旋转机械设备的振动筛就可以通过安装减振器或者改变轴承滚动体的结构来降低结构噪声，空心滚动体轴承示意图如图4所示。在轴间相对运动要求不高的情况下，可以在激振器（或轴承）与筛体之间安装一组减振器，通过适当选取减振器参数既可以使机体在工作频率附近获得稳定振幅，保证振动机正常工作，又可以使机体的高频响应减小，降噪效果显著，小型筛降噪量可达6dB，对于大中型筛降噪量会更大。反之，如果轴间相对运动精度要求较高，可以采用如下图所示的空心滚动体轴承，在保证滚动体强度和避开共振区的条件下也可以获得较好的降噪效果［6］。

图4 空心滚动体轴承示意图Fig.4 Hollow rolling element bearing

2.2.2 齿轮噪声

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，从而辐射齿轮噪声。当齿轮达到一定转速，其受迫振动频率与齿轮箱体、齿轮架或齿轮体的固有频率产生相等，产生共振，导致辐射噪声级别急剧增加［9］。齿轮的设计参数、齿轮的加工精度及粗糙度、箱内润滑油粘度以及前文所提及的材料选择均对齿轮噪声有所影响。

从以上因素考虑，可以采取以下措施控制齿轮噪声:①在满足生产要求和经济性的前提下，使用斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮，使力传递均匀，冲击载荷减小，运动平稳，减少共振，达到降噪的目的;②在兼顾负载的前提下，尽量减小齿轮的压力角，一般取20°，以降低噪声;③选择合适的齿侧间隙，以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，纠正制造误差，避免齿轮互撞，减小摩擦;⑤提高加工制造精度，降低表面粗糙度，减小摩擦噪声;⑥在保证一定的齿轮传递功率的前提下，尽可能选择大粘度润滑油，以保证传动平稳，降低噪声;⑦选择合适的材料，如用阻尼合金、高分子材料、铸铁、木材等制造齿轮。

2.2.3 电磁噪声

不平衡的电磁力引起某些机械振动而产生的噪声称为电磁噪声。工业中变频器、大型电动机和变压器是电磁噪声的主要来源。因此工业用电动机中，广泛运用了降低电磁噪声的手段。

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降低不平衡力。Sperling的研究提出，一台350 kW的感应电动机，当将其气隙由1 mm增大到1.5 mm时，可使以1 700 Hz为主的噪声减少5dB［10］。但增加气隙间距受到磁极磁通密度的饱和程度限制，且会使效率和功率因数降低，温升增大。为此，可以采用变化的气隙间距或者斜槽转子，来降低电磁噪声，若两者配合使用，效果更佳。

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。解决措施如下:①采用斜槽转子以削弱齿谐波;②采用闭口齿槽，可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，以减小径向作用力;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［9］。

2.2.4 液压泵与管路噪声

液压泵的噪声可以分为液体动力性噪声和泵的机械噪声。泵的机械噪声来源于液压泵泵出液体时构件间的冲击和摩擦，可使用高内阻材料如锰铜合金制作泵体或者在泵内加装减振器，与前相同，不再赘述。

液体动力性噪声是由于液体流动过程中的相互作用或液体与固体介质的相互作用而产生的噪声。液压泵连续工作时，连续出现动力压强脉冲，从而激发泵体和液压阀等部件的振动由此而辐射噪声［9］。

液压阀的噪声也可分为机械性噪声和流体噪声。对于溢流阀来说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的;而流体噪声是由于压力流量脉动、气穴和气蚀、旋涡运动、高低压突变和流体的摩擦等原因产生的［11］。

主阀阀口与阀座的结构示意图如图5所示，针对气蚀噪声，设阀芯半锥角为α，阀座半锥角为β。四川建筑职业技术学院颜凌云等的实验表明，当α－β＞3.5°时气蚀的噪声很大。故为了降低噪声，一般取α－β=3°，同时将节流口做成长通道形，还要使阀体回流腔的尺寸变得狭窄，并使过流断面保持一定，减小漩涡和气穴的产生，减小噪声［11］。

图5 主阀阀口与阀座结构示意图Fig.5 The valve port and seat of the main valve

对于压力波动噪声，可以:①适当增加先导阀弹簧的刚度或减小先导阀阀座孔直径和锥角，增加液压溢流阀的压力稳定;②先导阀芯锥阀头部形状采用圆弧形或抛物线形，以改善锥阀处的流动状态，减弱涡流区的影响;③在主阀上腔加滑动配合的一个环形套，增大主阀的粘性阻尼系数，从而增加主阀的稳定性。

机械噪声的控制中，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。

2.2.5 风机噪声

风机噪声是一种典型的空气动力性噪声，根据南方风机股份有限公司任刚等的研究［12］，倾斜蜗舌风机与一般风机的声级曲线有所差异，二者声级曲线如图6所示。

图6 倾斜蜗舌风机声级曲线Fig.6 Sound level curve of the incline tongue fan

通风机的噪声主要是旋转噪声与涡流噪声的叠加形成的。可以采取:①适当增加蜗舌间距或将蜗舌适当倾斜，减小气流对蜗舌的冲击，减小脉动;②适当增加蜗舌曲率半径，降低旋转噪声;③适当降低叶道出口涡流区相对宽度［13］的方法降低噪声。2.2.6 进排气噪声

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［9］。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。进、排气噪声就是由于进、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［14］。从控制噪声源的角度出发，可以合理设计和选用空气滤清器，合理设计气缸盖进气通道和进排气管道，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。

3 噪声传播途径的控制

3.1 吸声技术与隔声技术的应用

利用吸声材料（结构）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的声能通过空气和材料的细小纤维振动转变为热能进而吸收和耗散掉的技术称为吸声技术。吸声技术的应用过程即为吸声材料和吸声结构的选择过程;利用隔声材料和隔声结构隔离或阻挡声能的传播的方法称为隔声［15］。

吸声技术与隔声技术常交叉使用，以达到良好的降噪效果。一种吸隔声材料的结构示意图如图7所示。考虑到机械设备的噪声的传播途径的控制，可在厂房内墙面及屋顶安装吸声材料。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，并相应降低机房向外辐射的噪声［9］。在工业用钢球磨煤机的降噪技术应用中，可以:①在筒体上安装多层耐热材料复合的隔声套，将筒体噪声经阻尼材料的内耗衰减和吸声材料、隔声材料的吸隔作用而降低;②隔声罩是利用罩形结构将钢球磨煤机本体、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;③设立活动或固定式隔声屏来阻挡声源和接收者之间直达声［16］。

图7 汽车前围吸声隔声材料结构示意图Fig.7 The structure diagram of the automotive front wall sound-absorbing acoustic materials

这里需要特别指出的是，在离噪声源较远处，宜采用吸声措施。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。当操作者离声源较近时，接受的主要是直达声，采取吸声措施效果一般;当操作者离噪声源较远，接受的反射声为直达声时，采用吸声措施有明显效果［6］。

3.2 消声装置的应用

噪声的消声可以分为主动消声与被动消声，其中噪声的被动控制法已经非常成熟并广泛应用，而主动消声技术是新兴技术，多用于高精尖设备，其使抗噪声源与早期干扰声波相结合导致声音消失［17］。

消声器是最常见的消声装置之一，主要分为: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六大类。安装消声器是控制空气动力性噪声的有效措施，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，值得指出的是，消声器只能降低空气动力设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声［15］，而对设备的结构噪声、电磁噪声等无明显效果，其三维结构图如图8所示。

消声器在处理进排气口空气噪声中有应用较多，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设备来降低噪声。如在空调系统中，消声器被应用于空调机房、锅炉房、冷冻机房等设备机房进出风口的消声，空调系统送回风管道的消声，以及冷却塔进出风口的消声［18］;又如标准排气消声器被安装应用于汽车的消声装置上用于噪声控制;消声器还可以应用于舰船柴油发动机废气排放的噪音控制上。

图8 泡沫铝阻抗式消声器三维结构图Fig.8 Three-dimensional structure of aluminum foam impedance muffler

值得提出的是，在尖端武器诸如潜艇等，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［17］。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。许多业内研究人员时下致力于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。

其它常见的消声设备有消声坑、消声百叶扇等。消声坑具有效果好、压力损失小、气流脉动衰减率高、施工方便、造价低等特点，位于地下，还具有不占空间的优点;消声百叶扇是一种新的进、排气消声方法及装置，其特点是采用由进、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，致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。因为旋转叶轮能储存气流的能量，因此旋转叶轮能对脉动气流起到瞬时加压或抽吸，使脉动气流趋于平稳［19］。

3.3 隔振技术的应用

振动产生噪声，而在工程实际中，振动是不可避免的，故隔振技术的合理利用是工业中除声降噪的有效途径。对于一些不可避免的振动，设计人员采取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，隔绝或减弱振动的方法达到降噪的目的。

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。

隔振系统的原理图如图9所示。其中系统由刚度系数为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9 隔振系统原理图Fig.9 The schematic of the vibration isolation system

隔振的例子在工程实践中比比皆是，如悬置隔振原理在某轿车的应用，包含了主动隔振与被动隔振。轿车发动机运转时，曲轴输出脉冲扭矩引起发动机的扭转振动，悬置隔离了这种运动向车身的传递;同时，行驶时路面的不平衡激励又会造成整车的振动，进而传递至发动机，引起发动机的共振，对发动机造成严重的损害［20］。因此悬置将发动机扭转振动与车身隔开属于主动隔振，而悬置将发动机与整车振动隔开则为被动隔振。

隔振技术中另外一个重要的分支就是阻尼材料，阻尼材料及阻尼减振的应用应划归为噪声源的控制范畴，在前文已经提及，在此不再赘述。

4 结束语

机械产品的应用大大提高了国家工业机械化和现代化的水平。机械产品振动噪声的污染既影响设备的寿命，又影响工作人员的身体健康，同时也污染了环境。因此，减振降噪任重道远。

随着科技水平的发展和科学研究的深入，减振降噪技术已经趋于成熟，如集高阻尼、高强度、高精度于一身的非金属材料的研制;机械零件与构件的结构改进;新型消声器;减振器、隔振器的发明和广泛应用。它涉及到声学、机械振动、材料学等多学科的交叉，在工程实际上有着广泛的应用。相信随着科学技术的进一步发展，减振降噪技术也将被更加广泛的应用。

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