姜子豪，李 浩，闞江明

（北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

噪聲污染與大氣污染、水污染并稱為世界三大污染。在高度工業(yè)化的當今時代，國家工業(yè)機械化程度決定著生產(chǎn)力的高低。機械設備作為日常生活中廣泛使用的產(chǎn)品，也具備著其不可避免的缺點:其在運行過程中所產(chǎn)生的噪聲污染已經(jīng)成為一個不容忽視的問題。運動的機械產(chǎn)生的噪聲按噪聲源分類可分為:空氣動力性噪聲和機械性噪聲。如何能夠有效地削弱機械設備在使用過程中產(chǎn)生的噪聲成為了眾多業(yè)內(nèi)人士研究的熱點問題。工程中廣泛應用的噪聲控制方法有噪聲源的控制和噪聲傳播途徑的控制等。在眾多的解決途徑中，采用消聲、隔聲、吸聲等措施，可以較為有效地控制噪聲污染，在一定程度上緩解了機械設備固有的不足［1－4］。

本文著重從噪聲源的控制和噪聲傳播途徑的控制兩個方面，針對交通工具、工業(yè)生產(chǎn)機械、液壓設備和動力設備等常見機械設備，總結(jié)和分析減振降噪技術在其中的應用情況。

1 噪聲的來源

1.1 空氣動力性噪聲源

該類噪聲主要由高速氣流、不穩(wěn)定氣流以及氣流與物體相互作用所產(chǎn)生，包括噴射噪聲、渦流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、周期性進排氣噪聲、燃燒噪聲和激波噪聲等。

1.2 機械性噪聲源

機械性噪聲因固體振動而產(chǎn)生，例如，在撞擊、摩擦、交變機械應力或磁性應力等的作用下，機械設備的金屬板、軸承、齒輪等發(fā)生碰撞、振動而產(chǎn)生的機械噪聲［5］。該類噪聲主要包括撞擊噪聲、周期性作用力激發(fā)的噪聲、摩擦噪聲、結(jié)構噪聲、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的振動噪聲、齒輪噪聲、軸承噪聲、電磁噪聲、液壓泵與管路噪聲、建筑施工機械噪聲等。

2 噪聲源的控制

2.1 合理選擇材料

在為機械設備選材時，除要考察材料的力學性能、物理性能和化學性能、工藝性能和經(jīng)濟性等因素外，為降低噪聲，還應分析材料本身的內(nèi)阻尼性能。內(nèi)阻尼性能表示一種材料受到激振力的作用時，內(nèi)部分子消耗吸收能量和抑制構件振動的能力大小。

機械設計中普遍應用的材料，如銅、鐵、鋁等，內(nèi)阻尼較小，消耗振動的能量少，在激振力的作用下，構件表面輻射較強的噪聲［6］;相比之下，一些高分子材料和減振 （阻尼）合金具有較高的內(nèi)阻尼，在承受激振力的作用時，合金內(nèi)摩擦將引起振動滯后損耗效應，將振動的能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，以達到降噪效果。例如，在齒輪的設計與選用中，如遇到轉(zhuǎn)速較低，強度要求不大的場合，可以考慮使用非金屬材料制造齒輪，以達到降低噪聲的目的。與此同時，在面粉廠等多粉塵的工作環(huán)境中和冶金工業(yè)中，使用非金屬材料的齒輪傳動，既可以應對多粉塵或者腐蝕嚴重的環(huán)境，又可以降低噪聲，改善工人們的工作條件。根據(jù)東北農(nóng)業(yè)大學李中才的研究，圖1、圖2和圖3分別為轉(zhuǎn)速500 r/min、1 000 r/min、1 400r/min時普通齒輪與阻尼材料齒輪的噪聲對比曲線，其中A為普通齒輪，B為阻尼材料齒輪。B齒輪的噪聲較A齒輪的噪聲普遍低，尤其是在齒輪高轉(zhuǎn)速情況下阻尼材料齒輪的噪聲與普通材料的更低。同時阻尼合金材料在承受一定載荷的情況下能較好的發(fā)揮阻尼降噪的作用［7］。

2.2 優(yōu)化機械結(jié)構

結(jié)構噪聲為一種輻射源不直接暴露在空氣中，通過結(jié)構傳播的噪聲。該類噪聲普遍存在于各類機械的運轉(zhuǎn)中?！褒X輪箱等封閉殼體的機械和振動篩這類以振動為主要工作方式的機械，結(jié)構振動輻射聲占總聲能的比例的90% ～95%［8］。在機械設計工作中，針對結(jié)構噪聲，優(yōu)化結(jié)構設計，可以達到較好的除聲降噪的效果。下面本文將集中討論幾種典型的結(jié)構噪聲的控制方法。

圖1 500r/min下普通齒輪與阻尼材料齒輪噪聲對比Fig.1 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 500r/min

圖2 1 000r/min下普通齒輪與阻尼材料齒輪噪聲對比Fig.2 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 1000r/min

圖3 1 400r/min下普通齒輪與阻尼材料齒輪的噪聲對比Fig.3 Comparision of ordinary gear and damping material gear under 1400r/min

2.2.1 振動篩噪聲

如常見于旋轉(zhuǎn)機械設備的振動篩就可以通過安裝減振器或者改變軸承滾動體的結(jié)構來降低結(jié)構噪聲，空心滾動體軸承示意圖如圖4所示。在軸間相對運動要求不高的情況下，可以在激振器（或軸承）與篩體之間安裝一組減振器，通過適當選取減振器參數(shù)既可以使機體在工作頻率附近獲得穩(wěn)定振幅，保證振動機正常工作，又可以使機體的高頻響應減小，降噪效果顯著，小型篩降噪量可達6dB，對于大中型篩降噪量會更大。反之，如果軸間相對運動精度要求較高，可以采用如下圖所示的空心滾動體軸承，在保證滾動體強度和避開共振區(qū)的條件下也可以獲得較好的降噪效果［6］。

圖4 空心滾動體軸承示意圖Fig.4 Hollow rolling element bearing

2.2.2 齒輪噪聲

嚙合的齒輪對或齒輪組，由于互撞和摩擦激起齒輪體的振動，從而輻射齒輪噪聲。當齒輪達到一定轉(zhuǎn)速，其受迫振動頻率與齒輪箱體、齒輪架或齒輪體的固有頻率產(chǎn)生相等，產(chǎn)生共振，導致輻射噪聲級別急劇增加［9］。齒輪的設計參數(shù)、齒輪的加工精度及粗糙度、箱內(nèi)潤滑油粘度以及前文所提及的材料選擇均對齒輪噪聲有所影響。

從以上因素考慮，可以采取以下措施控制齒輪噪聲:①在滿足生產(chǎn)要求和經(jīng)濟性的前提下，使用斜齒輪或人字齒輪代替直齒輪，使力傳遞均勻，沖擊載荷減小，運動平穩(wěn)，減少共振，達到降噪的目的;②在兼顧負載的前提下，盡量減小齒輪的壓力角，一般取20°，以降低噪聲;③選擇合適的齒側(cè)間隙，以避免齒隙較小的咆哮噪聲和齒隙過大的撞擊噪聲;④對齒輪進行修齒，糾正制造誤差，避免齒輪互撞，減小摩擦;⑤提高加工制造精度，降低表面粗糙度，減小摩擦噪聲;⑥在保證一定的齒輪傳遞功率的前提下，盡可能選擇大粘度潤滑油，以保證傳動平穩(wěn)，降低噪聲;⑦選擇合適的材料，如用阻尼合金、高分子材料、鑄鐵、木材等制造齒輪。

2.2.3 電磁噪聲

不平衡的電磁力引起某些機械振動而產(chǎn)生的噪聲稱為電磁噪聲。工業(yè)中變頻器、大型電動機和變壓器是電磁噪聲的主要來源。因此工業(yè)用電動機中，廣泛運用了降低電磁噪聲的手段。

直流電動機和同步交流電動機具有相同的噪聲特性，理論上可以采用增大氣隙間距降低不平衡力。Sperling的研究提出，一臺350 kW的感應電動機，當將其氣隙由1 mm增大到1.5 mm時，可使以1 700 Hz為主的噪聲減少5dB［10］。但增加氣隙間距受到磁極磁通密度的飽和程度限制，且會使效率和功率因數(shù)降低，溫升增大。為此，可以采用變化的氣隙間距或者斜槽轉(zhuǎn)子，來降低電磁噪聲，若兩者配合使用，效果更佳。

交流異步電動機的電磁噪聲，是由于定子與轉(zhuǎn)子各次諧波相互作用而產(chǎn)生的，稱為槽噪聲。解決措施如下:①采用斜槽轉(zhuǎn)子以削弱齒諧波;②采用閉口齒槽，可消除或減小開口槽引起的高次諧波;③降低氣隙磁密，減小由基波磁通和定子轉(zhuǎn)子各高次諧波的磁勢幅值，以減小徑向作用力;④增大定子轉(zhuǎn)子氣隙，改善磁場的均勻性，減小單邊磁拉力的作用;⑤提高加工精度，使氣隙均勻［9］。

2.2.4 液壓泵與管路噪聲

液壓泵的噪聲可以分為液體動力性噪聲和泵的機械噪聲。泵的機械噪聲來源于液壓泵泵出液體時構件間的沖擊和摩擦，可使用高內(nèi)阻材料如錳銅合金制作泵體或者在泵內(nèi)加裝減振器，與前相同，不再贅述。

液體動力性噪聲是由于液體流動過程中的相互作用或液體與固體介質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生的噪聲。液壓泵連續(xù)工作時，連續(xù)出現(xiàn)動力壓強脈沖，從而激發(fā)泵體和液壓閥等部件的振動由此而輻射噪聲［9］。

液壓閥的噪聲也可分為機械性噪聲和流體噪聲。對于溢流閥來說機械噪聲主要由閥中可動部件的機械接觸、電磁鐵的吸合、閥芯的沖擊以及機械部件的振動產(chǎn)生的;而流體噪聲是由于壓力流量脈動、氣穴和氣蝕、旋渦運動、高低壓突變和流體的摩擦等原因產(chǎn)生的［11］。

主閥閥口與閥座的結(jié)構示意圖如圖5所示，針對氣蝕噪聲，設閥芯半錐角為α，閥座半錐角為β。四川建筑職業(yè)技術學院顏凌云等的實驗表明，當α－β＞3.5°時氣蝕的噪聲很大。故為了降低噪聲，一般取α－β=3°，同時將節(jié)流口做成長通道形，還要使閥體回流腔的尺寸變得狹窄，并使過流斷面保持一定，減小漩渦和氣穴的產(chǎn)生，減小噪聲［11］。

圖5 主閥閥口與閥座結(jié)構示意圖Fig.5 The valve port and seat of the main valve

對于壓力波動噪聲，可以:①適當增加先導閥彈簧的剛度或減小先導閥閥座孔直徑和錐角，增加液壓溢流閥的壓力穩(wěn)定;②先導閥芯錐閥頭部形狀采用圓弧形或拋物線形，以改善錐閥處的流動狀態(tài)，減弱渦流區(qū)的影響;③在主閥上腔加滑動配合的一個環(huán)形套，增大主閥的粘性阻尼系數(shù)，從而增加主閥的穩(wěn)定性。

機械噪聲的控制中，為了降低溢流閥閥芯與閥套間可能產(chǎn)生的干摩擦、高頻噪聲和機械碰撞聲，可選擇具有自潤滑特性和減振性能良好的摩擦副材料，如金屬石墨、陶瓷等。

2.2.5 風機噪聲

風機噪聲是一種典型的空氣動力性噪聲，根據(jù)南方風機股份有限公司任剛等的研究［12］，傾斜蝸舌風機與一般風機的聲級曲線有所差異，二者聲級曲線如圖6所示。

圖6 傾斜蝸舌風機聲級曲線Fig.6 Sound level curve of the incline tongue fan

通風機的噪聲主要是旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲的疊加形成的?？梢圆扇?①適當增加蝸舌間距或?qū)⑽伾噙m當傾斜，減小氣流對蝸舌的沖擊，減小脈動;②適當增加蝸舌曲率半徑，降低旋轉(zhuǎn)噪聲;③適當降低葉道出口渦流區(qū)相對寬度［13］的方法降低噪聲。2.2.6 進排氣噪聲

內(nèi)燃機在排氣沖程周期性排放高壓高溫氣體，使周圍空氣的壓強和密度不斷受到擾動而產(chǎn)生噪聲［9］。在進氣沖程，氣流經(jīng)進氣門高速進入內(nèi)燃機燃燒室產(chǎn)生巨大的沖擊波。進、排氣噪聲就是由于進、排氣門的開閉，使管道中氣體周期性地產(chǎn)生壓力和速度的波動，導致氣流柱振動而產(chǎn)生的低頻噪聲［14］。從控制噪聲源的角度出發(fā)，可以合理設計和選用空氣濾清器，合理設計氣缸蓋進氣通道和進排氣管道，減小進排氣系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動強度和渦流強度，保證氣流順利通過。

3 噪聲傳播途徑的控制

3.1 吸聲技術與隔聲技術的應用

利用吸聲材料（結(jié)構）的粘滯性、內(nèi)摩擦作用和導熱性，將進入吸聲材料空隙的聲波的聲能通過空氣和材料的細小纖維振動轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓M而吸收和耗散掉的技術稱為吸聲技術。吸聲技術的應用過程即為吸聲材料和吸聲結(jié)構的選擇過程;利用隔聲材料和隔聲結(jié)構隔離或阻擋聲能的傳播的方法稱為隔聲［15］。

吸聲技術與隔聲技術常交叉使用，以達到良好的降噪效果。一種吸隔聲材料的結(jié)構示意圖如圖7所示?？紤]到機械設備的噪聲的傳播途徑的控制，可在廠房內(nèi)墻面及屋頂安裝吸聲材料。如上海第九絲織廠，在機房內(nèi)局部平頂作超細吸聲棉吸聲處理，以降低機房內(nèi)混響聲，并相應降低機房向外輻射的噪聲［9］。在工業(yè)用鋼球磨煤機的降噪技術應用中，可以:①在筒體上安裝多層耐熱材料復合的隔聲套，將筒體噪聲經(jīng)阻尼材料的內(nèi)耗衰減和吸聲材料、隔聲材料的吸隔作用而降低;②隔聲罩是利用罩形結(jié)構將鋼球磨煤機本體、齒輪箱和電機等噪聲源封閉在一個相對小的空間內(nèi)，減小噪聲向周圍輻射;③設立活動或固定式隔聲屏來阻擋聲源和接收者之間直達聲［16］。

圖7 汽車前圍吸聲隔聲材料結(jié)構示意圖Fig.7 The structure diagram of the automotive front wall sound-absorbing acoustic materials

這里需要特別指出的是，在離噪聲源較遠處，宜采用吸聲措施。吸聲處理只能減弱反射聲，而對從聲源來的直達聲沒有作用。當操作者離聲源較近時，接受的主要是直達聲，采取吸聲措施效果一般;當操作者離噪聲源較遠，接受的反射聲為直達聲時，采用吸聲措施有明顯效果［6］。

3.2 消聲裝置的應用

噪聲的消聲可以分為主動消聲與被動消聲，其中噪聲的被動控制法已經(jīng)非常成熟并廣泛應用，而主動消聲技術是新興技術，多用于高精尖設備，其使抗噪聲源與早期干擾聲波相結(jié)合導致聲音消失［17］。

消聲器是最常見的消聲裝置之一，主要分為:阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合式消聲器、微穿孔板消聲器、小孔消聲器和有源消聲器六大類。安裝消聲器是控制空氣動力性噪聲的有效措施，它既能允許氣流順利通過，又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播，值得指出的是，消聲器只能降低空氣動力設備的進排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲［15］，而對設備的結(jié)構噪聲、電磁噪聲等無明顯效果，其三維結(jié)構圖如圖8所示。

消聲器在處理進排氣口空氣噪聲中有應用較多，凡是以氣流噪聲為主的噪聲控制問題，均可在進排氣口安裝消聲設備來降低噪聲。如在空調(diào)系統(tǒng)中，消聲器被應用于空調(diào)機房、鍋爐房、冷凍機房等設備機房進出風口的消聲，空調(diào)系統(tǒng)送回風管道的消聲，以及冷卻塔進出風口的消聲［18］;又如標準排氣消聲器被安裝應用于汽車的消聲裝置上用于噪聲控制;消聲器還可以應用于艦船柴油發(fā)動機廢氣排放的噪音控制上。

圖8 泡沫鋁阻抗式消聲器三維結(jié)構圖Fig.8 Three-dimensional structure of aluminum foam impedance muffler

值得提出的是，在尖端武器諸如潛艇等，消聲器也有著不可替代的作用。目前，大部分潛艇上已安裝了自適應被動共鳴板消聲器［17］。消聲器雖然不能為系統(tǒng)注入聲能，屬于被動消聲，但在有功率來源的情況下可以調(diào)整噪聲的頻率，使噪聲衰減。許多業(yè)內(nèi)研究人員時下致力于研究可根據(jù)噪聲的頻率自動調(diào)節(jié)聲阻抗的智能主動噪聲控制系統(tǒng)，通過輸入抗性聲能，抵消噪聲以降噪。

其它常見的消聲設備有消聲坑、消聲百葉扇等。消聲坑具有效果好、壓力損失小、氣流脈動衰減率高、施工方便、造價低等特點，位于地下，還具有不占空間的優(yōu)點;消聲百葉扇是一種新的進、排氣消聲方法及裝置，其特點是采用由進、排氣流驅(qū)動的可變阻旋轉(zhuǎn)葉輪的消聲方法。由于旋轉(zhuǎn)葉輪軸承間隙隨溫度變化而引起不同的摩擦阻力，致使被氣體驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)葉輪對流動氣體形成不同的阻尼，從而達到消聲效果。因為旋轉(zhuǎn)葉輪能儲存氣流的能量，因此旋轉(zhuǎn)葉輪能對脈動氣流起到瞬時加壓或抽吸，使脈動氣流趨于平穩(wěn)［19］。

3.3 隔振技術的應用

振動產(chǎn)生噪聲，而在工程實際中，振動是不可避免的，故隔振技術的合理利用是工業(yè)中除聲降噪的有效途徑。對于一些不可避免的振動，設計人員采取將振動源與地基或需要防振的物體之間用彈性元件和阻尼件進行連接，隔絕或減弱振動的方法達到降噪的目的。

隔振分為主動隔振與被動隔振。主動隔振是將振源與支撐振源的基礎隔開;被動隔振是將需防振的物體單獨與振源隔開。

隔振系統(tǒng)的原理圖如圖9所示。其中系統(tǒng)由剛度系數(shù)為K的彈簧和阻尼系數(shù)為C的阻尼器構成，當振動激勵輸入系統(tǒng)時，彈簧振子與阻尼器共同起到隔離和衰減振動的作用，使得系統(tǒng)輸出的振動頻率大為降低，以達到隔離振動的目的。

圖9 隔振系統(tǒng)原理圖Fig.9 The schematic of the vibration isolation system

隔振的例子在工程實踐中比比皆是，如懸置隔振原理在某轎車的應用，包含了主動隔振與被動隔振。轎車發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，曲軸輸出脈沖扭矩引起發(fā)動機的扭轉(zhuǎn)振動，懸置隔離了這種運動向車身的傳遞;同時，行駛時路面的不平衡激勵又會造成整車的振動，進而傳遞至發(fā)動機，引起發(fā)動機的共振，對發(fā)動機造成嚴重的損害［20］。因此懸置將發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動與車身隔開屬于主動隔振，而懸置將發(fā)動機與整車振動隔開則為被動隔振。

隔振技術中另外一個重要的分支就是阻尼材料，阻尼材料及阻尼減振的應用應劃歸為噪聲源的控制范疇，在前文已經(jīng)提及，在此不再贅述。

4 結(jié)束語

機械產(chǎn)品的應用大大提高了國家工業(yè)機械化和現(xiàn)代化的水平。機械產(chǎn)品振動噪聲的污染既影響設備的壽命，又影響工作人員的身體健康，同時也污染了環(huán)境。因此，減振降噪任重道遠。

隨著科技水平的發(fā)展和科學研究的深入，減振降噪技術已經(jīng)趨于成熟，如集高阻尼、高強度、高精度于一身的非金屬材料的研制;機械零件與構件的結(jié)構改進;新型消聲器;減振器、隔振器的發(fā)明和廣泛應用。它涉及到聲學、機械振動、材料學等多學科的交叉，在工程實際上有著廣泛的應用。相信隨著科學技術的進一步發(fā)展，減振降噪技術也將被更加廣泛的應用。

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