箱式大功率電機(jī)的噪聲控制

彭若龍，夏博雯，楊 濤

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

箱式大功率電機(jī)的噪聲控制

彭若龍，夏博雯，楊 濤

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某箱式大功率電機(jī)的噪聲問題，開展了整體系統(tǒng)的噪聲控制。通過噪聲測(cè)試分析確定聲源的性質(zhì)和傳遞路徑；在現(xiàn)有電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了減振降噪方案和開發(fā)相應(yīng)的聲學(xué)材料，由此實(shí)施和評(píng)價(jià)噪聲控制的方案。相比原有消聲處理后的電機(jī)最終總體噪聲從89 dB降低到81 dB，優(yōu)于現(xiàn)有要求的85 dB的指標(biāo)。

聲學(xué)；電機(jī)；減振；降噪；吸聲；阻尼

電機(jī)噪聲一般包括氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲。電機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要是由于電機(jī)加裝了散熱風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生；電機(jī)機(jī)械噪聲和電磁噪聲聲主要是由于電磁激勵(lì)和機(jī)械旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲[1]。

對(duì)于如圖1所示的箱式大功率工業(yè)電機(jī)而言，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)由于電機(jī)外殼的密封作用，使得電機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲比機(jī)械噪聲和電磁噪聲高，成為主要噪聲源，同時(shí)過大的氣動(dòng)噪聲還將引起電機(jī)的整體噪聲超標(biāo)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某企業(yè)箱式大功率電機(jī)的噪聲值較高問題，開展噪聲控制工作和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功大幅降低了該電機(jī)整體噪聲，不但滿足了該電機(jī)的現(xiàn)有噪聲指標(biāo)，并提高了現(xiàn)有電機(jī)的通風(fēng)量。

1 電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試結(jié)果

電機(jī)的噪聲主要由三部分組成：內(nèi)、外風(fēng)扇引起的空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)殼振動(dòng)等引起的結(jié)構(gòu)噪聲與電機(jī)的電磁噪聲[2]。

圖1為國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的一種典型的箱式大功率電機(jī)。該電機(jī)前端為進(jìn)風(fēng)口，經(jīng)過上部的冷卻器，最后由出風(fēng)口排出氣體。而電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件則被電機(jī)外殼所包裹密封。在測(cè)試時(shí)，為確定主要聲源，在靠近進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口以及電機(jī)中部的旋轉(zhuǎn)部件區(qū)域附近各布置了一個(gè)傳聲器。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1為測(cè)試的五款箱式大功率電機(jī)噪聲聲壓級(jí)。其中測(cè)點(diǎn)N1靠近電機(jī)出風(fēng)口，主要評(píng)估該電機(jī)排氣噪聲貢獻(xiàn)；N2為靠近電機(jī)中部，主要評(píng)估電機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)；N3主要靠近電機(jī)進(jìn)風(fēng)口，主要評(píng)估電機(jī)進(jìn)氣噪聲的貢獻(xiàn)。從表1，可以看到，當(dāng)加裝外風(fēng)扇時(shí)，N3測(cè)點(diǎn)噪聲均比N1和N2測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)大約6 dB以上。特別對(duì)于B型號(hào)電機(jī)而言，在加裝外風(fēng)扇前后N3測(cè)點(diǎn)噪聲相差13 dB。因此整個(gè)電機(jī)以進(jìn)氣端噪聲貢獻(xiàn)為主。

表1 不同型號(hào)的電機(jī)噪聲值

圖2為風(fēng)扇在安裝外風(fēng)扇時(shí)的噪聲頻譜特性。可以看到，除去低頻的50 Hz和100 Hz的電信號(hào)噪聲峰值外，該進(jìn)氣噪聲的峰值出現(xiàn)在497 Hz。由于該電機(jī)的葉片數(shù)為10，運(yùn)轉(zhuǎn)速度為2 984 r/m in。因此該電機(jī)風(fēng)扇的1階旋轉(zhuǎn)噪聲為

它正好對(duì)應(yīng)于外風(fēng)扇的1階旋轉(zhuǎn)噪聲。同時(shí)從圖2還可以看到，在接近1 kHz時(shí)，電機(jī)的2階旋轉(zhuǎn)噪聲的也有一定的貢獻(xiàn)。

圖2 不同測(cè)點(diǎn)在正常工況下的噪聲頻譜

因此下一步的工作就是主要針對(duì)進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇開展降噪工作，同時(shí)適當(dāng)控制外風(fēng)扇附近機(jī)殼的結(jié)構(gòu)噪聲。

2 電機(jī)的振動(dòng)噪聲控制

風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)的噪聲主要包括兩部分。首先是最主要的氣動(dòng)噪聲，其次在本項(xiàng)目中特別需要注意的是由于外風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)也將激起外風(fēng)扇周圍薄殼的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)輻射噪聲。因此，具體的降噪方案主要是開展風(fēng)路的消聲處理，降低空氣動(dòng)力噪聲；其次是針對(duì)結(jié)構(gòu)輻射噪聲進(jìn)行制振處理，降低噪聲的輻射。一些具體實(shí)施過程分述如下。

2.1 減振設(shè)計(jì)

固體表面振動(dòng)可以輻射噪聲，對(duì)于表面振動(dòng)速度v(x，y，z)ejωt，其空間r(x，y，z)輻射聲場(chǎng)可由式(1)來確定

式(1)表明，結(jié)構(gòu)輻射聲場(chǎng)強(qiáng)度與表面振動(dòng)速度、輻射面積以及頻率等有關(guān)[3]。大面積的薄板振動(dòng)，有最大的輻射效率。這種由金屬板結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲稱為結(jié)構(gòu)噪聲。對(duì)于風(fēng)扇周圍金屬板這種結(jié)構(gòu)振動(dòng)，由于本身阻尼較小，為10-4量級(jí)。比較經(jīng)濟(jì)的做法是在需要減振部位的金屬殼體上加一層阻尼層，讓原來機(jī)殼振動(dòng)的能量，盡可能多的耗散在阻尼層中，實(shí)現(xiàn)減振降噪[4]。

內(nèi)外風(fēng)扇由于氣流脈動(dòng)的沖擊，使得周圍的壁面振動(dòng)很大，因而需要對(duì)風(fēng)扇附近的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼減振處理，降低其結(jié)構(gòu)輻射聲。由于蝸殼靠近外風(fēng)扇，所以蝸殼的殼體振動(dòng)較大，需要對(duì)其進(jìn)行減振吸聲處理。蝸殼的處理設(shè)計(jì)了兩種方案，第一種方案在蝸殼的內(nèi)壁和端罩貼附單層的阻尼材料。第二種方案為進(jìn)一步提升制振效果在蝸殼內(nèi)壁兩側(cè)都貼附阻尼材料，即形成雙向減振。方案中多層共擠阻尼材料的阻尼性能如下圖3所示，通過阻尼耗散振動(dòng)能量，減少殼體的振動(dòng)，降低機(jī)殼向外輻射的噪聲，并減少振動(dòng)傳遞從而降低由振動(dòng)引起的噪聲。

圖3 時(shí)代新材橡多層共擠阻尼材料阻尼性能

實(shí)際中方案1和方案2各測(cè)點(diǎn)結(jié)果如下表2所示，可以看到方案2相比方案一要低2 dB，而在進(jìn)風(fēng)口降低量為4 dB，說明阻尼的制振對(duì)于外風(fēng)扇周圍機(jī)殼的結(jié)構(gòu)輻射噪聲有明顯的抑制作用。

表2 方案1和方案2對(duì)比 單位/dBA

2.2 電機(jī)風(fēng)路的噪聲控制

從前述的測(cè)試結(jié)果氣動(dòng)噪聲中以進(jìn)氣噪聲為主，因此消聲重點(diǎn)為控制進(jìn)氣噪聲，同時(shí)在整個(gè)風(fēng)路上進(jìn)行消聲設(shè)計(jì)以降低總體噪聲。

在本項(xiàng)目中，由于噪聲為寬頻噪聲，同時(shí)考慮材料成本等因素，我們推薦纖維板材料構(gòu)成消聲通道的主體吸聲材料。此外配合發(fā)泡吸聲材料。消聲通道的消聲量主要取決于消聲長(zhǎng)度和消聲通道內(nèi)的材料吸聲系數(shù)。消聲器的消聲量經(jīng)驗(yàn)公式為[5]

式中ΔL為消聲量；為與吸聲材料系數(shù)α有關(guān)的消聲系數(shù)(dB)，P為通道截面的周長(zhǎng)；S為通道橫截面面積；l為消聲通道有效長(zhǎng)度。

為了控制進(jìn)氣噪聲，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇前段加裝了一級(jí)前級(jí)消聲通道，如下圖4所示。從前級(jí)消聲通道到出風(fēng)筒，通過鋪設(shè)吸聲材料形成消聲通道，由此在通過消聲通道時(shí)會(huì)減小氣動(dòng)噪聲。從前級(jí)消聲通道開始各部分的吸聲材料及結(jié)構(gòu)的安裝如下圖。

圖4 前級(jí)消聲通道示意圖

首先是在吸風(fēng)嘴前級(jí)去除進(jìn)氣筒，加裝一個(gè)前級(jí)消聲通道，具體內(nèi)部的吸聲布置如圖4所示。通道四周側(cè)壁安裝吸音板，為了降低流阻，頂部進(jìn)口端設(shè)計(jì)為弧形，然后在通道中間加吸聲板，進(jìn)一步提高降噪效果。

隨后考慮吸風(fēng)嘴和端罩以及導(dǎo)風(fēng)筒，一方面在端罩內(nèi)進(jìn)行吸聲處理，主要是在蝸殼兩側(cè)貼附吸聲材料。另一方面由于蝸殼的出風(fēng)噪聲比較大，所以導(dǎo)風(fēng)筒部位也需要做吸聲處理。對(duì)于導(dǎo)風(fēng)筒的處理如圖5所示，主要是在兩橫向壁面安裝吸聲材料，為減小阻力去除中間的導(dǎo)風(fēng)板。

圖5 冷卻器內(nèi)部吸聲布置

對(duì)冷卻器內(nèi)部的吸聲處理?？蛻糁暗姆桨甘窃诶鋮s器的三個(gè)壁面都安裝吸聲材料。但由于冷卻器的尺寸很大，所需要的吸聲材料很多，同時(shí)結(jié)合表1的噪聲分布情況以及風(fēng)路循環(huán)路徑，本方案僅在冷卻器的頂部布置吸聲材料。如圖5所示，其內(nèi)風(fēng)路的循環(huán)路徑如下圖紅色箭頭所示，因此在頂部壁面安裝吸聲材料效果最好。這種布置可以有效的吸收電機(jī)內(nèi)部的噪聲，既能保證吸聲效果，又能達(dá)到節(jié)約成本的目的。

出風(fēng)筒的吸聲處理如圖6所示，在出風(fēng)筒的橫向壁面上布置吸音材料，進(jìn)一步降低電機(jī)的出風(fēng)噪聲。

圖6 出風(fēng)筒內(nèi)部吸聲布置

此外對(duì)于蝸殼與主軸之間存在的間隙，為了降低泄漏的噪聲，設(shè)計(jì)了u型的吸隔聲擋板，以降低該處的聲音泄漏。

最終對(duì)比了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的減振降噪方案與原始消聲降噪方案，其測(cè)試結(jié)果如下表3所示。

表3 最終方案和原始消聲方案對(duì)比 單位/dBA

4 結(jié)語

(1)通過優(yōu)化原電機(jī)風(fēng)路和設(shè)計(jì)相應(yīng)的消聲通道和阻尼減振等技術(shù)措施后，該電機(jī)可以在提高通風(fēng)量的前提下，大幅降低電機(jī)運(yùn)行的噪聲水平；

(2)本方案通過實(shí)際試驗(yàn)運(yùn)行和耐久測(cè)試，在保證電機(jī)正常運(yùn)行下，該箱式大功率電機(jī)整體噪聲由之前的89 dB降低到81 dB，大幅優(yōu)于現(xiàn)有85 dB的指標(biāo)要求。

[1]李 帥，劉 巖，楊 冰，等.牽引電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲及振動(dòng)分析[J]噪聲與振動(dòng)控制，2011，03：149-152.

[2]陳永校，等.電機(jī)噪聲的分析與控制第一版[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ).第二版[M].南京：南京大學(xué)出版社，2001.

[4]周新祥.噪聲控制及應(yīng)用實(shí)例.第一版[M].北京：海洋出版社，1999.

[5]盛美萍，等.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)第一版[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

Noise Control of a High Power Electric Motor

PENG Ruo-long,XIA Bo-wen,YANG Tao

(Zhuzhou Times New Material Technology Co.Ltd.,Zhuzhou 412007,Hunan China)

Noise control of a domestic typical high-power electric motor is studied.Based on the measurement and analysis of the noise of the motor,the contribution and transfer path of the noise sources are determ ined.The noise reduction scheme is designed and the corresponding acoustic material is developed and applied to the electric motor.The results show that in comparison w ith the original motor,the overall sound level of the noise can be decreased by 8 dB,which effectively improves the compatibility of this type of motors.

acoustics;motor;vibration damping;noise control;sound absorption;damping

1006-1355(2014)04-0202-03+213

O42；TB53 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.044

2013-11-01

彭若龍（1981-），男，湖南攸縣人，目前從事噪聲與振動(dòng)控制。

E-mail:pengruolong@teg.cn