小型割草機(jī)聲學(xué)特性分析與降噪設(shè)計

李　瑋，周新民

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

小型割草機(jī)聲學(xué)特性分析與降噪設(shè)計

李瑋，周新民

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

摘要：小型割草機(jī)工作時噪聲較大，實(shí)測值>100 db，對周圍人們的工作、學(xué)習(xí)和生活造成了嚴(yán)重干擾。通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的空轉(zhuǎn)噪聲測試試驗(yàn)與噪聲頻譜分析，明確了割草機(jī)聲源發(fā)聲機(jī)理，確定了噪聲控制的頻率對象，改進(jìn)了原有排氣消聲器，從而降低了小型汽油機(jī)的排氣噪聲。開發(fā)設(shè)計了隔聲罩來屏蔽隔離小型汽油機(jī)其余噪聲以及刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲，聲學(xué)分析軟件LMS Vitual.lab仿真結(jié)果表明上述措施有效降低了割草機(jī)噪聲輻射。

關(guān)鍵詞：小型割草機(jī)；試驗(yàn)測試；聲學(xué)特性分析；降噪設(shè)計

利用園林綠化機(jī)械進(jìn)行作業(yè)操作的地點(diǎn)涉及到城市公園、街道廣場、居民小區(qū)、機(jī)關(guān)、學(xué)校和科研院所等的公共綠地，由于工作地域的特殊性，對這些機(jī)械設(shè)備工作時產(chǎn)生的噪聲提出了較高的環(huán)保性能要求。小型割草機(jī)工作時噪聲較大，實(shí)測值>100 db，嚴(yán)重影響了周圍人群的工作、學(xué)習(xí)和生活，同時對操作人員的身心健康也有較大的傷害；因此，必須對這類園林機(jī)械實(shí)施噪聲控制，在保證操作質(zhì)量的同時降低噪聲[1-2]。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)施了空轉(zhuǎn)噪聲測試試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行了噪聲頻譜分析和數(shù)據(jù)處理，并歸納了聲源發(fā)聲規(guī)律，確定了噪聲控制的頻率對象，找到了降低噪聲的方法，并采取相應(yīng)措施實(shí)施噪聲控制，最大程度上降低了其噪聲污染[3-4]。

1小型割草機(jī)結(jié)構(gòu)和測試平臺的搭建

試驗(yàn)以國產(chǎn)揚(yáng)州維邦小型割草機(jī)WB530B-DL為研究對象并搭建了試驗(yàn)測試平臺，割草機(jī)的外形如圖1a所示，該割草機(jī)尺寸較小，尺寸為0.13 m×0.35 m,發(fā)動機(jī)為汽油機(jī)，經(jīng)查詢國標(biāo)GB 1859-2000中的規(guī)定，確定該試驗(yàn)用五點(diǎn)法進(jìn)行測試。圖1a中的數(shù)字是該試驗(yàn)測試中確定的5個測試點(diǎn)，每個測試周期采集1次噪聲數(shù)據(jù)，保存該數(shù)據(jù)并送入計算機(jī)中用數(shù)據(jù)分析軟件對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1b所示，主要由汽油機(jī)、刀片、扶手、車輪和連接軸等部件構(gòu)成。噪聲測試使用的聲級計及搭建的噪聲測試系統(tǒng)要滿足ISO3744中規(guī)定的精度要求，試驗(yàn)測試中安排的測試范圍和聲級計的放置應(yīng)該符合相關(guān)國標(biāo)規(guī)定的要求；因此，為滿足試驗(yàn)的測量需求，該試驗(yàn)在長、寬、高分別為16、12和6 m的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室墻面為水泥，地面鋪設(shè)可以吸收地面反射聲音的地毯，試驗(yàn)測試的環(huán)境可滿足測試要求。

圖1　WB 530B-DL型割草機(jī)及其結(jié)構(gòu)簡圖

WB530B-DL小型割草機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，小型汽油機(jī)安裝在一輛靠人力推動的四輪小車上，割草刀直接與小型汽油機(jī)主軸連接，之間無任何減速裝置，其工作原理為小型汽油機(jī)帶動割草刀高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的切割力，從而進(jìn)行規(guī)定高度的割草作業(yè)，把雜草切斷。WB530B-DL小型割草機(jī)噪聲來源主要為汽油機(jī)的排氣噪聲和割草刀的空氣動力性噪聲，雖然汽油機(jī)安裝了排氣消聲器，但因尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，降噪效果較差；小型汽油機(jī)是裸露的，噪聲直接向四周傳播，無任何遮擋，產(chǎn)生的噪聲對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

2聲學(xué)特性分析

為了對噪聲源聲學(xué)特性做全面的了解，通過試驗(yàn)測試，判斷總噪聲能集中的頻率區(qū)域及其各主要發(fā)聲部件的噪聲輻射強(qiáng)度；通過頻譜分析，確定其噪聲的頻率構(gòu)成成分，明確噪聲控制的頻率對象，實(shí)現(xiàn)對控制對象聲學(xué)特性進(jìn)行正確匹配，從而取得良好的消聲降噪效果。

噪聲測試試驗(yàn)嚴(yán)格按照國標(biāo)GB 1859-2000的規(guī)定進(jìn)行，運(yùn)用DASP軟件對采集的噪聲數(shù)據(jù)文件進(jìn)行自功率頻譜分析，得到5個測點(diǎn)(如圖1中①～⑤)的自功率頻譜圖，測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的自功率頻譜圖形如圖2和圖3所示。

圖2　測點(diǎn)1自功率頻譜

圖3　測點(diǎn)3自功率頻譜

測試結(jié)果表明，割草機(jī)全速工作時噪聲主要出現(xiàn)在600 Hz以內(nèi)的低頻段，分別為29、58、116、232、348、46和577 Hz，具有明顯的規(guī)律性，峰值主要集中在116和232 Hz附近。試驗(yàn)測得的割草機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約為3 375 r/min，根據(jù)式1可求得其排氣噪聲基頻為：

考慮到割草機(jī)工作速度的不穩(wěn)定性，取fk≈29r/min。由此可得割草機(jī)主要噪聲的基頻和2、4、8、16次諧頻分別為29、58、116、232和464 Hz。通常情況下，隨著諧波階次的增高，割草機(jī)排氣噪聲聲壓級逐漸降低，然而其在116和232 Hz處出現(xiàn)了最大值峰值。由刀片噪聲計算式2可得刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲基頻為：

(2)

與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速近似值fk≈29r/min相對應(yīng)，取f≈113 r/min。

上述計算結(jié)果表明，割草機(jī)的排氣噪聲基頻為29 Hz，進(jìn)排氣噪聲基頻為58 Hz，刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲基頻為116 Hz，232 Hz為其二次諧頻。割草機(jī)噪聲與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，割草機(jī)噪聲在116 Hz處出現(xiàn)峰值，是發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣噪聲的二次諧頻與刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲基頻的疊加，232 Hz為其二次諧頻。割草機(jī)的主要噪聲是由發(fā)動機(jī)排氣脈動氣流和刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力氣流所引起的。

3噪聲控制與降噪設(shè)計

WB530B-DL小型割草機(jī)原有發(fā)動機(jī)的消聲器結(jié)構(gòu)簡單，消聲效果較差，如圖4所示的實(shí)測噪聲最大峰值>100 db。實(shí)測的WB530B-DL小型割草機(jī)有無(系列1為不帶消聲器，系列2為帶消聲器)消聲器時的比較頻譜圖如圖5所示，說明原有消聲器在噪聲最大峰值116和232 Hz處幾乎無降噪效果；因此，只要合理地設(shè)計排氣消聲器，削弱峰值噪聲，就能有效降低排氣噪聲。采用排氣消聲器方法對發(fā)動機(jī)性能影響較小且易于實(shí)現(xiàn)，是目前最主要、最有效和最簡單的排氣噪聲控制方法。

圖4　割草機(jī)帶消聲器頻譜圖

圖5　測點(diǎn)1有無消聲器的比較頻譜圖

WB530B-DL小型割草機(jī)的頻帶寬度相對較大，單純依靠排氣消聲器技術(shù)使其噪聲降低到一個理想水平是比較困難的，因此在合理設(shè)計排氣消聲器的同時，再采用隔聲罩對發(fā)動機(jī)其他噪聲以及刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲進(jìn)行屏蔽隔離，與排氣消聲器協(xié)調(diào)工作，共同完成對WB530B-DL小型割草機(jī)的噪聲控制任務(wù)。

為加強(qiáng)消聲器的消聲效果，改進(jìn)設(shè)計了三腔回流結(jié)構(gòu)排氣消聲器，如圖6所示。在增設(shè)的隔板上開孔以增加空氣摩擦，從而提高消聲量。聲學(xué)分析軟件LMS Vitual.lab的仿真結(jié)果表明，傳遞損失曲線低頻段有所提高，基本消除了1 000 Hz前的低谷，中高頻段趨于平穩(wěn)緩和(見圖7)。改進(jìn)后的消聲器消聲性能優(yōu)于原消聲器。

圖6　消聲器內(nèi)部聲壓分布圖

圖7　考慮流速時消聲器的傳遞損失曲線

配套設(shè)計的隔聲罩采用內(nèi)置微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、密閉、通風(fēng)和散熱好的特點(diǎn)，如圖8所示。聲學(xué)分析軟件LMS Vitual.lab的仿真結(jié)果如圖9所示。隨著頻率的升高，隔聲罩對噪聲的削弱效果有所增加，在0～1 000 Hz的頻率范圍，隔聲量達(dá)到4～13 db。

圖8　隔聲罩的Pro/E模型

圖9　隔聲罩的傳遞損失曲線

4結(jié)語

小型割草機(jī)噪聲發(fā)聲機(jī)理為發(fā)動機(jī)排氣脈動氣流和刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力氣流。噪聲控制的頻率對象應(yīng)為排氣噪聲基頻29 Hz及其2、4、8、16次諧頻。改進(jìn)原有排氣消聲器控制小型汽油機(jī)的排氣噪聲和設(shè)計隔聲罩對小型汽油機(jī)其余噪聲以及刀片旋轉(zhuǎn)空氣動力性噪聲進(jìn)行屏蔽隔離，聲學(xué)分析軟件LMS Vitual.lab仿真結(jié)果表明，其是降低割草機(jī)噪聲輻射的有效控制方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 周新祥.噪聲控制技術(shù)及其新進(jìn)展[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] 王佐民.噪聲與振動測量[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[3] 趙平. 我國園林綠化裝備的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2011(4)：4-10.

[4] 趙平.我國園林綠化裝備發(fā)展中存在的問題及其原因[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2011(9)：10-14.

責(zé)任編輯李思文

Analysis of Acoustic Characteristics of Small Mower and Noise Reduction Design

LI Wei，ZHOU Xinmin

(College of Machinery and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Abstract:Noise emitted by large small mower at work, measured values is over 100 db, people's work, learning and life are caused severely interference around it, idling noise and the noise spectrum analysis test experiments in the laboratory, audible sound source was identified mechanism, determine the frequency of the noise control object, improving existing exhaust muffler to reduce exhaust noise small gasoline engine, development and design of acoustic enclosures shield the rest of the isolation of small gasoline engine noise and blade rotation aerodynamic noise, results of acoustic analysis software LMS Vitual.lab simulation showed that it is an effective control method for reducing radiated noise mower.

Key words:small gasoline engine，experiment test，analysis of the acoustic properties，noise reduction design

收稿日期：2014-04-18

作者簡介：李瑋(1967-)，女，教授，博士，主要從事機(jī)電一體化教學(xué)和科研等方面的研究。

中圖分類號：TB 535

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A