對機械結(jié)構(gòu)振動噪聲仿真及控制技術(shù)的相關(guān)分析

摘? 要：在工業(yè)和交通運輸事業(yè)高速發(fā)展的大環(huán)境下，噪聲對人們的正常生活和身體健康造成了十分不利的影響。如何解決噪聲問題，受到相關(guān)領(lǐng)域的高度關(guān)注。本文以對機械結(jié)構(gòu)振動噪聲仿真及控制技術(shù)相關(guān)分析為題，重點研究了控制振動噪聲的方法，主要包括兩部分內(nèi)容，分別為機械機構(gòu)噪聲產(chǎn)生機理和控制措施，以望借鑒。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu);振動噪聲;電機管路

中圖分類號：TB535;TH113.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0163-02

Abstract：In the environment of rapid development of industry and transportation，noise has a very adverse impact on people’s normal life and health. How to solve the problem of noise is highly concerned by related fields. In this paper，the vibration and noise simulation of mechanical structure and the related analysis of control technology are the topics. The methods of controlling vibration and noise are mainly studied，including two parts，which are the mechanism of mechanical mechanism noise and control measures，for reference.

Keywords：mechanical structure;vibration and noise;motor pipeline

0? 引? 言

當(dāng)今世界，各個國家對噪聲問題的重視程度不斷上升，并通過立法的方式控制噪聲，雖然取得了一定的成效，但卻無法對噪聲問題進行根治。在眾多噪聲污染中，由機械機構(gòu)振動引發(fā)的噪聲問題尤為嚴重，具有控制難度大的特點，在此背景下，研究此課題具有十分重要的意義。

1? 機械結(jié)構(gòu)噪聲的產(chǎn)生機理

機械結(jié)構(gòu)噪聲具有三個特點，分別為振動噪聲并存、來源廣泛以及構(gòu)成部分多，因此，需要對其進行分類研究。

機械噪聲產(chǎn)生的根源是機械部件間的交變應(yīng)力，這種力由多個部分構(gòu)成，比如：摩擦力、撞擊力以及作用力，這幾種力能夠互相依存，只是在強弱上有所不同。

不管是受迫振動，還是固有振動，只要機械發(fā)生振動，其必然會產(chǎn)生噪聲，振動系統(tǒng)中的固有振動頻率是機械噪聲的主要組成部分，與此同時，機械結(jié)構(gòu)和固有振動頻率間存在緊密的聯(lián)系，因此，系統(tǒng)噪聲又被業(yè)內(nèi)人士稱為結(jié)構(gòu)噪聲，這類噪聲在機械噪聲中尤為突出。某研究機構(gòu)曾經(jīng)利用仿真技術(shù)，對駕駛室的空腔共鳴現(xiàn)象進行了模擬，模擬結(jié)果如表1所示。

模擬結(jié)果表明在駕駛室內(nèi)的空腔模態(tài)與結(jié)構(gòu)模態(tài)相重合時，就會引起結(jié)構(gòu)共振，同時產(chǎn)生強烈的噪聲，對于駕駛?cè)藛T的影響十分嚴重，因此，需要對空腔模態(tài)與駕駛室結(jié)構(gòu)固有頻率相重合的情況進行避免。

機器在工作過程中，各個部件會在周期性干擾力的作用下發(fā)生振動，如傳動件、殼體等，再加上傳動件多為彈性體，因此，促進了噪聲的傳播。

通過上述分析可知，想要對機械噪聲進行控制，減小機體彈性振動是有效的措施。對機體振動產(chǎn)生敏感影響的因素相對較多，主要包括聯(lián)結(jié)軸承剛度、旋轉(zhuǎn)件以及其他的動力特性。因此，只研究某一項影響參數(shù)，很難得到有效的方案。

2? 機械結(jié)構(gòu)振動噪聲仿真及控制技術(shù)分析

2.1? 采用隔聲措施

從字面意義上來看，所謂的隔聲就是阻隔聲音，避免聲音向外擴散，這樣一來，就可以對噪聲進行有效控制?？刂圃頌椋阂粋€具有一定能量的噪聲，在射到墻壁后，墻壁會在聲波作用力的影響下發(fā)生振動，墻壁振動所產(chǎn)生的聲能就是所謂的透射聲能，這部分聲能會向外擴散。但是與正常傳播的噪聲相比，透射聲能的能量僅為正常噪聲的1%，甚至一些隔聲性能強的材料，可以將噪聲能量削減到人體可以接受的范圍之內(nèi)[1]。

我們可以用t1表示透射系數(shù)，隔聲構(gòu)件的隔聲能力可以用101g（1/t1）表示，此外，這種隔聲能力還有另一種表達方式，這種表達方式被稱為傳聲損失，記作為字母R，這樣一來，公式就變成了R=101g（1/t1），在該公式中，t1的值越小，則R值越大，二者具有反比關(guān)系，反之則亦然。但值得注意的是，機房中的噪聲不僅會透過墻壁傳播，窗戶、地板和天花板都可以成為噪聲的傳播途徑。

（1）單層勻質(zhì)密實板材壁面隔聲原理和技術(shù)分析。這種壁面在受到壓力波的影響后，會產(chǎn)生與壓縮變形相類似的情況，從而使聲波由首端傳遞到尾端，逐漸變?yōu)橥干洳ǎ@屬于常見的物理現(xiàn)象，單層勻質(zhì)密實板材無法吸收大量的聲波，起到的降噪作用較為有限，但對于復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)而言，尤其是吸聲層結(jié)構(gòu)位于夾層中間的復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)，具有十分突出的吸聲能力，是控制噪聲的有效措施。

實踐結(jié)果表明，上述板材壁面的隔聲能力與射聲波的頻率存在密切的關(guān)聯(lián)，可以按照入射頻率的高低，將其吸聲情況進行三個區(qū)域的劃分，具體包括吻合效應(yīng)區(qū)、阻尼控制區(qū)和質(zhì)量控制區(qū)。并且這些控制區(qū)還可以進行進一步的劃分，其中阻尼控制區(qū)的另一個名稱為共振區(qū)。

在勁度控制區(qū)，入射頻率會由0逐漸向第一共振頻率Fr逐漸發(fā)展。在這個區(qū)域內(nèi)，墻板壁在面對聲壓時，會產(chǎn)生與彈簧較為類似的反應(yīng)，此時的墻板壁隔聲能力取決于勁度，簡言之，勁度越大，墻板壁隔聲能力越強。就相同的板材而言，入射頻率的加大，會對其隔聲性能產(chǎn)生不利的影響。

（2）雙層隔聲墻的隔聲原理和技術(shù)。雙層隔聲墻與單層隔聲墻相比，具有更強的隔聲能力，其組成部分為兩層勻質(zhì)墻，并且勻質(zhì)墻之間還夾雜著一層空氣。如果在控制機械振動噪聲時，想要使單層隔聲墻的隔聲能力增加，通常情況下，需要加厚墻體或增強其密實度，但這些方法起到的效果較為有限，同時還會浪費大量的材料。在這一背景下，雙層隔聲墻被研發(fā)出來，且應(yīng)用效果十分顯著。其隔聲原理為，在聲波通過不同材質(zhì)的墻體和空氣介質(zhì)時，會在這些介質(zhì)的作用下，出現(xiàn)多次反射，每次反射都會使聲波減弱，再加上空氣層富有彈性和吸收能力，可以在最大程度上對機械結(jié)構(gòu)振動能量進行弱化。與單層隔聲結(jié)構(gòu)相比，二者在達到相同隔聲效果的情況下，雙層隔聲結(jié)構(gòu)比單層隔聲結(jié)構(gòu)輕60%，由此可見，雙層隔聲墻更為適用[2]。

2.2? 采用吸聲措施

目前，多孔材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，控制機械結(jié)構(gòu)振動噪聲是其應(yīng)用目的，常用的多孔材料包括礦渣棉、合成高分子材料和玻璃棉等，在上述多孔材料中，共具有兩種狀態(tài)的氣泡，第一種是常見的氣泡狀態(tài)，被稱作單個閉合孤立氣泡，不具備通氣能力，第二種氣泡是連接氣泡。據(jù)查閱相關(guān)資料得知，第二種氣泡在機械結(jié)構(gòu)振動噪聲控制中應(yīng)用較為普遍，而第一種氣泡狀態(tài)由于噪聲控制效果較差，故尚未被廣泛應(yīng)用。

空間組成骨架是吸聲材料的固定部分，其目的在于使材料形狀得到保持。吸聲材料都是多孔材料，并且這些孔彼此相連，并深入到材料內(nèi)部，因此吸聲性能較強。在聲波與材料接觸時，會深入孔隙，并與孔隙中的空氣產(chǎn)生摩擦，聲能會因此被轉(zhuǎn)化為熱能，并隨著空氣的流動而消散，在控制機械結(jié)構(gòu)噪聲振動時，如果采用這種技術(shù)，在使用過程中，需要對材料的耐高溫性能進行考慮，否則，材料可能會因為無法承受高溫而自燃或損毀。因此，筆者建議選擇礦渣棉或玻璃棉作為主要的填料，究其原因，主要是這兩種材料具有不可燃的特性，且吸聲性能卓越。環(huán)境對吸聲材料的吸聲能力有著直接的影響，在眾多環(huán)境影響因素之中，溫度最為突出。實驗結(jié)果表明，這種材料在面對中高頻噪聲時表現(xiàn)良好，但是在面對低頻噪聲時則表現(xiàn)不佳，故在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)該通過共振吸聲結(jié)構(gòu)的使用，使其低頻吸聲能力得到強化[3]。

2.3? 采用消聲措施

目前，在機械機構(gòu)振動噪聲控制中經(jīng)常使用的消聲器主要是片式消聲器。大型風(fēng)機具有非常大的風(fēng)流量，為傳播風(fēng)流量，故風(fēng)機的通風(fēng)通道面積相對較大，為增加消聲器的周長和截面積，可以將板狀吸聲片插入其中，將一個完整的通風(fēng)通道分為多個小通道，假設(shè)片式消聲器每個通道的尺寸和構(gòu)造完全相同，我們只需通過計算，求得單個通道的消聲量，就可以獲得消聲器的整體消聲量，其公式為La=?（A0）L· 1/S=2?（A0）·1/a。

將上述公式作為依據(jù)，可以看出，每個通道的寬度會影響消聲器的消聲量，通道寬度a越大，消聲量就越小。故在設(shè)計大型風(fēng)機片式消聲器的過程中，設(shè)計人員通常會將寬度控制在20cm之下，同時將消聲片的厚度控制在15cm之下，通過設(shè)計，充分發(fā)揮消聲器的作用。

3? 結(jié)? 論

綜上所述，工業(yè)發(fā)展在促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時，也帶來了嚴重的噪聲污染問題，為了實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)振動噪聲的有效控制，建議工業(yè)企業(yè)采取隔聲、吸聲和消聲等機械結(jié)構(gòu)振動噪聲仿真及控制技術(shù)，以降低噪聲對周邊居民的影響。

參考文獻：

[1] 施冠軍.基于振動分析的機械結(jié)構(gòu)損傷識別方法綜述 [J].內(nèi)燃機與配件，2019（20）：210-211.

[2] 周祥，張袁元.基于振動分析的機械結(jié)構(gòu)損傷識別方法綜述 [J].機械工程與自動化，2017（1）：216-218.

[3] 陳鵬，崔龍，李洪誼.一種應(yīng)用于遙操作系統(tǒng)的機械振動辨識方法 [J].信息與控制，2016，45（2）：185-192+198.

作者簡介：曹婷婷（1993.04-），女，漢族，江蘇張家港人，助教，研究生，研究方向：振動減噪。