浅谈低噪声机械结构设计

张东 马超群 李现亭 高飞 李宇辉

摘 要：机械噪声的高低，在一定程度上影响着人们的健康与安全。为了优化机械的作业环境，应采取科学的措施，实现机械噪声的有效控制。文章对低噪声机械结构设计的常见方法、注意事项进行了分析，并探讨了低噪声机械结构设计的应用思路，以供借鉴、参考。

关键词：机械;噪音;结构设计

伴随着市场经济的迅速发展，当前人们对生活质量的要求越来越高。噪声污染是现代社会中的主要污染之一，影响着人们的生活质量。鉴于此，加强对噪声的研究与控制，已经成为机械设计中不可或缺的内容。

1 低噪声机械结构设计的常见方法

1.1改变振动源

机械的噪声，通常是来自于振动源，振动源会发出频率较高的振动能量，振动能量可以在机械中的零件中进行转换，以振动的形式，实现能量的传播，使得机械壳体表层发出噪声。但是，一些机械的振动源产生的声压级效率、辐射等相对较低，使得音频能量包含在基本能量中，所占比例相对较小。基于这样的情况，为实现对机械噪声的有效控制，可以采取改变振动源的方法，以降低机械噪声频率。但是，采取这样的方式，可能会导致机械无法顺利运转，还会使机械设备的工作效率出现一定的下降。因此，通过改变或者是控制振动源来控制机械噪声的方式，有待进一步研究、优化。

1.2控制传播途径

机械的振动源产生的高频能量，有着十分广泛的传播途径，既可以通过框架、连杆进行传递，也可以通过聲学空间进行传递。因此，为实现对机械噪声的有效控制，可以采取控制传播途径的方法。例如，可以通过振动源接住能量的反射，并利用阻尼来隔除噪声。但是，对这种控制噪声的方法进行分析发现，耗散组件可将阻尼单元为依据，连杆上的载荷质量则是以阻抗单元或不具连续性的反射单元为依据。但结构所有结合部位的阻尼较多，所以在机械中加入阻尼的效果不大。结构铸件主要由盖板、壳体组成，铸铁中包含大量具有良好韧性的石墨，同时也有着较高的消振性。通过优化加工过程、控制原材料质量，可以提高结构铸件的刚度、重量，同时也能提高机械的频率，避免挠频基频与固有频率的重合，从而避免共振现象给降噪效果带来的不利影响。

1.3改变辐射表层

机械结构铸件的开口、工作面等部位，可作为辐射表层，机械辐射表层会由于机械各运转机构的作用而产生振动，制造噪声。面对这样的情况，可采取涂加阻尼、应用消音材料的方法，来改善辐射表层的噪声。除此之外，也可以通过改变辐射表层的刚度、重量，来控制噪声。

2 低噪声机械结构设计的注意事项

2.1安排专业人员负责

以往为了实现对机械噪声的有效控制，通常需要找出产生噪声的零件，然后对零件进行密封处理，以控制噪声。如果排气管中安装了消声器，则可借助消声器进行消声。此外，还可以将弹簧当作机械设备的托放点，或者是在机械表层涂抹消声材料，来减弱振动带来的噪声。采取这些方式可以有效降低噪声的强度，但对工作人员的专业能力有着较高的要求。因此，低噪声机械结构设计中，应安排专门人员负责，以确保设计的合理性。针对机械的噪声问题，不可直接将其与振动划等号，有些机械的振动，是由辐射声波所导致的，此类振动人们是感觉不到的，为了掌握机械的振动规律，应安排专门人员采用专业设备、专业手段进行待查、解决。开展低噪声机械结构设计时，应全面考虑机械的实际情况，确保设计的科学性。

2.2尽可能地降低成本

是否经济合理是低噪声机械结构设计中必须考虑的一个问题。但是，低噪声机械结构设计中，存在无法分摊成本的现象。如，对机械进行降噪处理时，需要在罩盖上打孔，其成本包括打孔费用、钻孔工具的使用费用等。但罩盖打孔后产生辐射与噪声的面积会缩小，噪声也会有所减轻，降噪工作中使用的降噪物会减少，机械的通风性能也会得到提高。罩盖打孔后，罩壳使用的材料减少，壳体的成本会降低。但是，这并不代表低噪声设计可以百分百地降低机械的成本。上述例子仅针对单台机械的成本，同时低噪声设计中也有可能出现突发情况，一旦出现突发情况，则整条生产线便会发生改变，这种情况下的成本是无法准确计算的。虽然低噪声设计的降噪成本不能进行具体分摊，但在掌握机械噪音的来源、传播途径、辐射原理的基础上，将低噪声设计有机融入到机械设计全过程中去，便可以减弱噪声对机械可使用性的影响，控制降噪带来的成本。

3 低噪声机械结构设计的应用思路

3.1低噪声设计与其他设计的结合

低噪声机械结构设计的工作量较大，在机械设计全过程中有机融入低噪声设计，无疑会延迟新产品的问世时间，但如果将低噪声设计与其他设计联系起来，发挥协同作用，便可以在降低机械噪声的同时，确保运行效率。根据材料科学理论，机械结构部件的原料为非金属材料的时候，可以有效减轻机械的噪声。因此，针对机械中的齿轮、滑轮等，可采用塑料进行制作，相比较于金属齿轮，塑料齿轮的宽松性较好，但精准性、稳定性不高。因此，有必要加强对新材料的研发与使用。例如，某汽车公司使用了新材料静音钢铁，使得汽车的噪声、振动得到了减轻。这便是低噪声设计与其他设计有机结合的典型案例。

3.2提高固有频率

机械结构、机械频率中，如果固有频率趋于相近或者是变得相等的时候，机械结构的动刚度会降低，与其匹配的振幅则会大幅度上升且出现高峰值，部件在此时突发振动，产生共振现象。零件有了固定的大小及形状的情况下，其频率也可以被确定。通常情况下，零件的固有频率不是单值，而是会随着振动方向的改变而发生变化，即使振动方向一致，其振动模态的固有频率也不是只有一个。但是，因为固有频率的高频时间不长，因此基频持续时间相对更长。通过观察机械结构，可以看到，通过组装不同的零件，便能得到不同的约束条件，约束条件不同，零部件的固有频率也有明显的差异。一旦机械结构出现改变，则部件的固有频率也会发生变化，从而在一定程度上改善共振现象。但是，结构的改变往往是涉及到机械重量、材料成本等多个层面的共同作用。为提高固有频率，可采取增加铸件刚重比的方法，即减少相关区域的材料，同时增加另一相关区域的材料。

3.3辐射面的优化

机械的表层通常具有辐射面，为提高机械的降噪效果，应采取有效的措施，解决辐射面带来的影响。低噪声机械结构设计中，针对机械的运动部件，应采取有效措施，避免其发生碰撞，控制机械与运动部件的平衡度，提高运动零件之间相互接触的可能性，改善齿轮结构及型式的配对情况。借助传播途径来控制噪声的方法包括提高内部噪声的吸收能力、对轴进行隔振等。针对壳体表层涵盖的声辐射，可采用取消盖板、涂加阻尼材料的方法予以改善。

4 结语

综上所述，低噪声机械结构设计中，可采取改变振动源、控制传播途径、改变辐射表层等方法，并要注意安排专业人员负责、尽可能地降低成本。实际应用低噪声机械结构设计时，可以将低噪声设计与其他设计结合起来、提高固有频率、优化辐射面等，从而有效控制机械噪声，确保降噪效果。

参考文献：

[1]张森森，王新海，丁继才，陈祖瑞，胡军华.低噪声机械传动装置多目标优化设计方法[J].舰船科学技术，2020，42（13）：59-62.

[2]黄彩霞，杨振东，曹申，龚寄.工业平缝机噪声源定位与低噪声结构设计[J].噪声与振动控制，2018，38（05）：239-243+248.

[3]朱鹏，黄巍，曾柯杰，刘启航.某型设备低噪声优化设计[J].电子机械工程，2018，34（03）：40-43+47.