簇绒地毯织机结构振动声辐射特性研究

徐 洋，赵锦艳，盛晓伟，张晓蕾

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

簇绒地毯织机噪声工况异常复杂，经调研发现，当前地毯纺织车间的噪声值均超2013年国家新修订的GB/T50087-2013《工业企业噪声控制设计规范》[1]中规定的生产车间噪声限值85 dB。强烈的环境噪声会对纺织工人的身心健康造成严重的危害。

目前，国内外关于簇绒地毯织机噪声的研究较少，尤其在国内，簇绒地毯织机噪声的研究还处于起步阶段。仅陈瑞琪[2]等较为全面综述了纺织工业机械设备噪声产生的原因与测试方法。另外赵建民[3]等对D3603型牵伸加捻锭子的噪声产生原因进行分析，并提出通过改进结构进行降噪的措施。因此进行簇绒地毯织机结构振动噪声特性研究，是进一步进行簇绒地毯织机工作空间降噪的关键。

在声学仿真方面，有限元法在地铁[4]、乘用车[5]等噪声仿真中得到广泛应用，而边界元法是将离散与解析相结合的一种半解析数值法，降低了声学问题的维度，大大减少了计算量，不仅应用于汽车[6–7]的振动辐射噪声预测，而且在桥梁[8]、高速列车[9]、船舶[10]等结构振动声辐射问题中得到了广泛应用。

本文运用声学边界元法，结合专业声学软件LMS Virtual.Lab Acoustics建立簇绒地毯织机织造机构和工作空间的边界元模型。采用实测振动数据进行簇绒机结构的加速度响应计算，以此为声学边界条件进行结构振动辐射噪声计算，并研究其工作空间中复合声场的分布特性。最后采用声压传感器测得工作空间中工人耳旁的声压数据，验证声学计算的可靠性，为下一步实施地毯织机降噪措施提供了理论基础。

1 簇绒机噪声分析及工作空间介绍

1.1 簇绒机噪声分析

簇绒地毯织机结构系统主要有主机系统、针排及横动系统、成圈系统等组成。在织造过程中由电机驱动带轮并带动主轴旋转，主轴再通过针排连杆机构与针排、钩针相连，带动上下两个从动机构运动。主要功能构成图如图1所示。

图1 簇绒织机功能构成图

根据各结构间的运动关系分析可知，织造过程中主要的噪声源为主、从动轴及连杆机构的振动噪声，次要噪声源有针刺底布噪声、电子罗拉的转动噪声等。次要噪声源量级较小，因此本文主要研究簇绒地毯织机主、从动轴及连杆机构（主织造机构）的振动噪声特性。

1.2 簇绒地毯织机工作空间介绍

本文研究对象为DHU-2型簇绒地毯织机，其工作空间（实验室）中存在多个机器和其他设备。实验室基本布局及尺寸如图2所示。为建立更加准确的工作空间声场边界模型，需要了解内部各机器的材料属性。实验室内各机器、仪器属性如表1所示。

图2 实验室布局图

由图2可看出室内障碍物较多，簇绒织机结构振动辐射噪声在室内的传播会受到各种障碍物的影响，准确建立包括障碍物[11](实验室机器等)在内的复杂声场边界模型，才能更准确地研究其振动辐射噪声的分布特性。室内三块玻璃结构尺寸较大，厚度仅为2 mm，簇绒机结构声辐射作用会引起薄板玻璃的振动，从而向室内辐射噪声。因此在分析簇绒机工作空间噪声特性时将考虑玻璃的耦合作用。

2 簇绒机主织造机构辐射噪声计算与声场特性分析

2.1 声学理论及分析流程

2.1.1 声学边界元理论

依据声学原理，均匀理想流体介质中具有简谐解的小振幅声波波动可以用Helmholtz微分方程表示

式中：∇2为Laplace算子；p(x)为结构表面x处的声压。采用直接边界元法，利用格林公式，可将式（1）转化为簇绒地毯织机振动结构表面上的Helmholtz积分方程

表1 实验室内部机器、仪器材料属性

式中：p(x)和p(y)分别为x点和y点的声压。

采用间接边界元法计算簇绒机主织造机构在工作空间中的噪声，其计算公式是从式(2)所示的直接边界元方程推导而来，以簇绒机结构表面的声压差和声压梯度差为未知变量，在边界表面两侧分别对内外场问题应用上述直接边界元内外场的Helmholtz边界积分方程，然后将两式相加即可得到声场域内任意点的声压

式中：σ为结构表面的法向压力梯度差；μ为结构表面的声压差。

2.1.2 分析流程

为得到声学仿真的边界条件，以实测振动速度数据作为激励，进行簇绒机结构振动响应计算。然后以此为边界条件进行声场分析，具体分析流程如图3所示。

图3 分析流程

2.2 基于模态叠加法的地毯织机结构振动响应计算

采用ANSYS软件建立簇绒机结构有限元模型，如图4所示。

图4 簇绒机结构有限元模型

使用LV-S01激光测振仪测量簇绒地毯织机关键位置的振动信号，测量距离取为2.0 m，速度量程取为50 mm/s，分别测得主轴靠近电机作用点、钩从动轴与主轴连接作用点等关键位置的振动速度信号。其中测点位置如图5所示，测点1的时域信号如图6所示。

图5 测点位置示意图

图6 测点1时域速度信号

将所测得时域振动信号变换为频域信号作为激励作用于簇绒机结构有限元模型，进行基于模态的振动响应计算。所测振动信号基本在1 000 Hz以下，且800 Hz～1 000 Hz的振动信号基本为零，因此本文仅进行0～800 Hz频段的计算。其中靠近电机带轮位置节点的振动加速度响应曲线如图7所示。由图7可看出主轴与带轮连接位置处的振动速度频率主要分布在400 Hz以下频段。

图7 振动加速度

将上述计算得到的整体模型的振动加速度数据映射到模型边界元网格上，并建立加速度边界条件，进行传动机构的振动辐射噪声计算。

2.3 地毯机结构振动噪声及耦合声场计算

采用LMS Virtual.Lab建立簇绒机主传动机构的边界元模型、包括障碍物在内的工作空间的边界元模型和室内三块玻璃的结构网格。将2.2小节中分析所得的加速度边界条件从结构有限元模型映射到边界元模型中，计算地毯机结构的声学特性。主轴传动机构的边界元模型通过在其有限元模型的基础上提取面网格，并对网格进行粗化得到，满足最大单元的边长小于计算频率乘以最短波长的六分之一。具体模型如图8所示。

图8 结构与声学网格

为研究结构振动体表面的振动噪声特性，采用直接边界元法，进行结构的外场噪声计算。设置空气密度为1.225 kg/m3，声速为340 m/s，参考声压为2×10-5Pa，计算频段为0～800 Hz，步长为5 Hz。同时在横向和纵向分别插入场点网格以观察结构振动噪声的辐射特性，计算结果如图9、图10所示。

图9 振动体表面声压级云图

图10 地毯机结构外场辐射云图

由图9可看出簇绒织机结构振动体表面的声压级在频率较低的50 Hz时，电机带轮与主轴连接点处是振动辐射噪声较高的部位，其最大声压级达到了104 dB。在结构体表面振动噪声计算的整个频段内，200 Hz处声压级达到了最大值，为121 dB，且能量最大的部位主要是主轴与钩轴连杆、针排连杆等连接位置处，以及针从动轴与针排摆杆连接处。在这些部位主要是由于各结构间的相互作用，产生较大的振动噪声。

由场点云图(见图10)可看出在同一距离条件下，声压级总体呈瓣状分布，且在横向上瓣状分布较为明显；在同一角度上，声压级随距离的增加而逐层递减。由此可看出簇绒机主织造机构的辐射声场具有较为明显的指向性。

簇绒机结构振动在工作空间中的噪声声场是一个复合声场，在计算时考虑到室内薄壁玻璃对室内声场的影响，采用间接边界元法进行簇绒机结构的耦合声场计算，同时在空间中插入六个面场点网格，研究其声场分布特性，计算结果如图11所示。

图11 工作空间场云图

由图11可知，整个声场是各个结构体振动噪声的叠加与室内多个障碍物干涉作用后的复合声场，在频率较低处的声场内声压分布非常不均匀，出现了整个声场内明显的声波叠加引起声压增大或消减的区域交错分布的现象。随着频率的升高，不同声压值的点状区域面积逐渐变小，整个声场分布较为均匀，属于声场稳定区。

为研究工人作业位置的噪声环境，依据文献[13]在声场模型中插入工人人耳位置的场点网格，计算其声压级曲线图如图12所示。

图12 工人人耳位置场点声压级

由图12可看出工人人耳处的声压级在28 Hz、58 Hz、116 Hz、150 Hz、162 Hz等位置处出现了峰值，且主要的噪声源集中在400 Hz以下。通过Virtual.Lab Acoustics计算出图12中人耳处总的声能量为90 dB，噪声值超过文献[1]所规定的85 dB，因此工人作业环境中噪声值较高，长期作业条件下对工人身心影响较大。

3 实验

为验证仿真结果的可靠性，采用16通道声阵列传感器和东华测试动态测试仪进行簇绒地毯织机实验室内噪声值的测量。并依据文献[11]测量工人人耳位置的噪声值，现场测量图如图13所示。

图13 现场实验图

将测量所得工人人耳处的声压信号变换成声压级信号，并进行快速傅里叶变换得到频域图如图14所示。

图14 实测工人人耳处声压级

将仿真的结果与实验数据进行对比可知，二者在400 Hz以下的低频段噪声具有较好的吻合性，均在28 Hz、58 Hz、116 Hz、150 Hz、162 Hz等处出现了峰值，在400 Hz以上的频段，仿真得到的噪声值明显低于实验测得噪声值5 dB～10 dB。此处主要是由于本文仅仅进行了簇绒机主织造机构的振动噪声计算，未考虑针刺底部噪声、电子罗拉转动噪声及针与针之间的冲击噪声等次要噪声。主、从动轴及连杆机构的振动噪声主要集中在低频处，而簇绒针产生的冲击噪声主要集中在中高频段，导致仿真得到的数据在400 Hz以上总体小于实测的噪声值。因此工人作业位置处的噪声值实际应超过仿真值90 dB，长期作业条件下会严重影响工人健康，在簇绒机工作空间中采取必要的降噪措施是急需解决的问题。

4 结语

本文采用声学边界元法，结合实际簇绒地毯织机复杂工作空间的特点，运用专业声学软件LMS Virtual.LabAcoustics进行地毯织机机构的辐射噪声计算，得出如下结论：

（1）采用直接边界元法计算得到的簇绒地毯织机主织造结构表面的振动噪声主要以主轴及其与连杆机构连接位置处的噪声为主，其外场辐射总体呈瓣状分布，具有明显的指向性。

（2）对耦合后的声场模型进行振动辐射计算可知：工作空间中的声场是各振动噪声源的叠加与室内障碍物干涉后的复合声场，同时随着频率的升高，不同声压值的点状区域面积减小，声场由紊乱区逐渐变为稳定区。

（3）通过在簇绒机工作空间声场模型中插入场点网格进行声学场点响应计算可知：地毯织机工作空间中纺织工人作业位置处的噪声值较高，超过国家标准限值85 dB，因此下一步进行簇绒地毯织机主动降噪具有重要意义。