淺析減振降噪在機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用

趙先峰

（銅陵有色工程技術(shù)分公司，安徽 銅陵 244000）

機(jī)械設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)減振降噪相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，合理控制噪聲源頭，同時(shí)采取合理措施對(duì)噪聲傳播途徑進(jìn)行有效控制，從源頭徹底消滅噪聲，同時(shí)合理采取相應(yīng)的防御措施，能夠順利實(shí)現(xiàn)減振降噪目標(biāo)。

1 噪聲源控制

1.1 合理選材

機(jī)械選材中，除了需要結(jié)合材料經(jīng)濟(jì)性、工藝性能、化學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能等因素進(jìn)行考慮之外，為了進(jìn)一步控制噪聲，還需要對(duì)材料內(nèi)阻尼性能進(jìn)行科學(xué)分析，內(nèi)阻尼性能代表某種材料于激振力作用下，內(nèi)部分子對(duì)于能量吸收消耗以及構(gòu)件振動(dòng)的抑制能力，如圖1所示。

圖1 噪聲源定位過(guò)程

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常會(huì)采用鋁、鐵、銅等材料，其內(nèi)阻尼系數(shù)相對(duì)較小，振動(dòng)能量消耗少，而處于激振力作用下，構(gòu)件表層輻射噪聲較強(qiáng)。某些高分子材料以及減振合金則擁有較大內(nèi)阻尼，于激振力影響下，合金內(nèi)部摩擦引發(fā)振動(dòng)滯后損耗效應(yīng)，可以把振動(dòng)能量順利轉(zhuǎn)化成熱能，直接耗散，實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。比如齒輪設(shè)計(jì)和選擇中，如果轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，強(qiáng)度要求不高，可以考慮選擇非金屬材料對(duì)齒輪進(jìn)行制造和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)[1]。

1.2 優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)噪音屬于輻射源，不會(huì)直接在暴露于空氣內(nèi)，利用結(jié)構(gòu)傳播噪音。該種噪聲通常出現(xiàn)在不同機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中。振動(dòng)篩和齒輪箱等封閉式的殼體機(jī)械，相關(guān)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射在整體噪音中的所占比例大概為90%到95%。而機(jī)械設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)降噪目的。比如旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)相關(guān)振動(dòng)篩，可以在其中設(shè)置減振器或調(diào)整軸承的滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，控制噪聲傳播。軸間相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求較低條件下，可以于篩體以及激振器之間額外設(shè)置減震器，科學(xué)設(shè)置減震器參數(shù)，確保機(jī)體于工作頻率附近能夠維持穩(wěn)定振幅，確保振動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，降低機(jī)體高頻響應(yīng)，提高降噪效果。而小型篩的降噪量能夠達(dá)到6DB，大中型篩會(huì)擁有更大降噪量。相反情況下，假如軸間相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有較高的精度要求條件下，可選擇以下空心滾動(dòng)體軸承，在避開共振區(qū)以及保障滾動(dòng)體整體強(qiáng)度條件下，提高降噪效果。相關(guān)空心滾動(dòng)軸承如圖2所示。

圖2 空心滾動(dòng)軸承

2 噪聲傳播途徑控制

2.1 吸聲技術(shù)和隔聲技術(shù)

結(jié)合吸聲材料相關(guān)結(jié)構(gòu)的粘滯性、導(dǎo)熱性以及內(nèi)部摩擦作用，可以把吸聲材料內(nèi)的吸入聲波利用材料纖維振動(dòng)和空氣振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能，將其耗散和吸收，該種技術(shù)便是吸聲技術(shù)。吸聲技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中最為關(guān)鍵的是吸聲結(jié)構(gòu)和吸聲材料選擇，結(jié)合相應(yīng)的隔聲材料以及結(jié)構(gòu)隔離，阻擋聲音傳播。

通過(guò)應(yīng)用隔聲技術(shù)以及吸聲技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好降噪效果。某種吸聲隔聲材料組成結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 汽車前圍隔聲材料結(jié)構(gòu)

結(jié)合機(jī)械設(shè)備相關(guān)噪聲傳播的控制分析，可以于廠房?jī)?nèi)部屋頂以及墻面等區(qū)域額外設(shè)置各種吸聲材料。比如超細(xì)吸聲棉，能夠?qū)S房?jī)?nèi)部噪音實(shí)施吸聲處理，有效減少機(jī)房?jī)?nèi)部混響聲，控制機(jī)房外部輻射噪聲。在鋼球磨煤機(jī)相關(guān)降噪技術(shù)內(nèi)，可以于筒體中額外設(shè)置多層復(fù)合耐熱隔聲套材料，通過(guò)隔聲材料、吸聲材料相關(guān)吸隔作用以及內(nèi)耗衰減作用降低筒體噪聲。此外，還可以在磨煤機(jī)外部設(shè)置隔聲罩，把電機(jī)、齒輪箱和磨煤機(jī)本體等噪聲源控制在封閉空間內(nèi)，控制噪聲輻射。設(shè)置固定隔聲屏以及活動(dòng)隔聲屏，有效阻擋聲源傳播。

例如：銅冠冶化動(dòng)力車間C15-3、43/0、785型抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)機(jī)房噪音源實(shí)施控制中所涉及的隔聲和吸聲材料。汽凝式汽輪機(jī)設(shè)置鋁制吸聲微孔板，低頻阻尼層以及吸聲棉，剛性連接避免聲橋傳聲高效隔離汽輪機(jī)噪聲。

針對(duì)操作控制室進(jìn)行隔聲控制可以利用隔聲材料，其中門選擇隔聲門，而窗選擇雙層隔聲窗，針對(duì)汽輪機(jī)相關(guān)設(shè)備散熱，可以額外設(shè)置低噪音散熱風(fēng)機(jī)，針對(duì)設(shè)備通風(fēng)散熱還應(yīng)該合理進(jìn)行消聲設(shè)計(jì)，全面密封發(fā)電機(jī)房通風(fēng)口以及進(jìn)出口位置，避免隔離噪聲朝外部擴(kuò)散，針對(duì)發(fā)電機(jī)房與外部連接的換氣、排氣通道中的氣流實(shí)施消聲處理，等待噪聲衰減后，將其從室外順利排出。

2.2 消聲裝置應(yīng)用

噪聲的相關(guān)消聲處理可以進(jìn)一步細(xì)分為被動(dòng)消聲和主動(dòng)消聲兩種形式，被動(dòng)消聲的應(yīng)用范圍較廣，至于主動(dòng)消聲則是一種新興技術(shù)，通常會(huì)應(yīng)用于各種高精尖設(shè)備當(dāng)中，能夠有效消除早期聲波干擾以及抗噪聲源，使聲音直接消失。消聲器屬于一種常見消聲設(shè)備，包括六種類型，分別是有源消聲器、小孔消聲器、微穿板孔消聲器、復(fù)合式阻抗消聲器、抗性消聲器、阻性消聲器。設(shè)置安裝消聲器是對(duì)空氣動(dòng)力噪聲進(jìn)行合理控制的有效措施，其能夠保證氣流順利流通，同時(shí)還可以減弱并阻止聲能的外部傳播，其中需要注意，消聲器只可以控制空氣動(dòng)力設(shè)備沿管道傳播以及排氣口進(jìn)出噪聲。在電磁噪聲和設(shè)備結(jié)構(gòu)噪聲等方面不會(huì)產(chǎn)生太大效果。

消聲器通常多用于排氣口區(qū)域的空氣噪聲處理，而氣流噪聲為核心的噪聲控制，都能夠在排氣口區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的消聲設(shè)備，從而合理降低噪聲。比如于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)，通常會(huì)在冷凍機(jī)房、鍋爐房、空調(diào)機(jī)房等設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)的風(fēng)口位置安裝消聲器，進(jìn)行消聲處理，同時(shí)還會(huì)在冷卻塔風(fēng)口以及空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)送回管道環(huán)節(jié)實(shí)施消聲處理。在汽車消聲裝置方面通常會(huì)安裝標(biāo)準(zhǔn)消聲器，能夠?qū)υ肼曔M(jìn)行合理控制。在艦船中的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中也經(jīng)?？梢钥吹綉?yīng)用消聲器實(shí)施噪音控制。嚙合齒輪對(duì)以及齒輪組因?yàn)楸舜酥g摩擦碰撞，導(dǎo)致齒輪體振動(dòng)，形成輻射噪聲。齒輪達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速后，受迫振動(dòng)頻率和齒輪體、齒輪架以及齒輪箱體固定頻率相符，形成共振，導(dǎo)致輻射噪聲進(jìn)一步增加。針對(duì)該種問(wèn)題，在滿足經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)要求基礎(chǔ)上，應(yīng)該應(yīng)用人字或斜齒輪取代直齒輪，均勻傳遞力量，減小沖擊荷載，降低共振，保證平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。

2.3 隔振技術(shù)

振動(dòng)才會(huì)形成噪聲，但是在相關(guān)工程生產(chǎn)中不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題，所以隔振技術(shù)是消聲降噪的有效方法之一。針對(duì)那些無(wú)法避免的振動(dòng)問(wèn)題，可以通過(guò)阻尼件和彈性元件來(lái)充當(dāng)?shù)鼗驼駝?dòng)源之間的防振物體，而削弱或隔絕振動(dòng)方法也能夠?qū)崿F(xiàn)降噪目標(biāo)。隔振主要可以分成被動(dòng)隔振以及主動(dòng)隔振兩種方式。其中主動(dòng)隔振主要是隔離振源及其基礎(chǔ)支撐部分，被動(dòng)隔振則是利用相應(yīng)的防振物體，將振源和物體單獨(dú)隔離開來(lái)。在工程實(shí)踐中經(jīng)?？梢钥吹礁粽癫僮鳎热缒侈I車中的懸置隔振，涵蓋被動(dòng)與主動(dòng)隔振。轎車運(yùn)行中，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，曲軸發(fā)出的脈沖扭矩會(huì)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，能夠通過(guò)懸置隔離相關(guān)運(yùn)動(dòng)傳遞。懸置隔振把發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和車身隔離開來(lái)，是主動(dòng)隔振[2]。

2.4 機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)篩在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲

機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了避免處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的振動(dòng)篩產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，可以對(duì)軸承滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，也可以采用安裝減震器的方式消除結(jié)構(gòu)噪聲，如下圖4所示。

圖4 空心滾動(dòng)體軸承

如果對(duì)軸承之間所產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不高，就可以在軸承與振動(dòng)篩之間或者激振器與振動(dòng)篩之間安裝減振器。對(duì)于減振器的選擇，要求減振器的參數(shù)可以使機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中保持振幅穩(wěn)定，且振動(dòng)機(jī)可以處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。隨著振動(dòng)機(jī)的高頻響應(yīng)逐漸降低，噪音降低的效果就會(huì)更為顯著，通常小型的振動(dòng)篩降低噪音量都可以達(dá)到6Bb,而大型或者中型的振動(dòng)篩降低噪音量會(huì)更大。如果對(duì)軸直接的相對(duì)運(yùn)行精度具有很高的要求，為了在滾動(dòng)體強(qiáng)度有所保證的情況下避免振動(dòng)出現(xiàn)，就可以采用空心滾動(dòng)體軸承，一方面可以有效地避免共振區(qū)域產(chǎn)生，另一方面還可以使得震動(dòng)引起的噪音大大降低，由此而獲得良好的降低噪音效果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械設(shè)備實(shí)際操作運(yùn)行中，噪音和振動(dòng)等問(wèn)題都會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，想要實(shí)現(xiàn)減振降噪目標(biāo)，需要關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)中的不同層面，采取有效的改進(jìn)技術(shù)，合理控制噪聲源和噪聲傳播途徑，順利實(shí)現(xiàn)減振降噪目標(biāo)。