張子煜， 徐 洋， 盛曉偉， 解國(guó)升

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

紡織行業(yè)修訂的FZ/T 94056—2010《數(shù)字化簇絨地毯織機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,簇絨地毯織機(jī)的工作噪聲聲壓級(jí)限值為75 dB。但是，現(xiàn)階段我國(guó)簇絨地毯織機(jī)車間的噪聲基本都在標(biāo)準(zhǔn)限值以上。紡織工人長(zhǎng)期暴露在這種極其強(qiáng)烈的噪聲環(huán)境中，聽覺(jué)器官會(huì)發(fā)生急劇外傷，引起鼓膜破裂出血，甚至可能完全失去聽力，出現(xiàn)暴震性耳聾。高頻噪聲更是會(huì)引起血管緊張度增加以及血壓升高[1],因此，對(duì)簇絨地毯織機(jī)的高頻噪聲進(jìn)行抑制是非常有必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于噪聲的研究主要采用3種方法：有限元方法(FEM)、邊界元方法(BEM)以及統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)。由于系統(tǒng)模態(tài)密度等因素的制約，前二者應(yīng)用范圍被限制在400 Hz以內(nèi)的低頻段，統(tǒng)計(jì)能量分析法則是可以用于解決復(fù)雜系統(tǒng)的寬帶高頻動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有效方法[2-3]。在國(guó)內(nèi)，SEA廣泛應(yīng)用于車輛工程、船舶工程等領(lǐng)域。陳書明等[4]提出基于SEA原理分析預(yù)測(cè)車外噪聲的新方法，并驗(yàn)證了該方法的有效性。胡凡等[5]利用SEA方法對(duì)船舶約束阻尼結(jié)構(gòu)和自由阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行分析，得到了不同約束條件及不同敷設(shè)方式對(duì)隔聲量的影響規(guī)律。除此之外，SEA還應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域。陳曦等[6]以衛(wèi)星天線為例，建立了天線的 SEA 模型，研究了統(tǒng)計(jì)能量參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并驗(yàn)證了該聲振響應(yīng)方法用于天線結(jié)構(gòu)噪聲振動(dòng)響應(yīng)預(yù)示的有效性。

迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用SEA方法對(duì)高端紡織機(jī)械設(shè)備噪聲進(jìn)行建模和分析的研究成果。為此，本文提出了用SEA對(duì)簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲抑制的思路，建立了簇絨地毯織機(jī)的統(tǒng)計(jì)能量分析模型，獲得聲壓級(jí)信號(hào)，并有針對(duì)性地采用多孔吸聲材料對(duì)簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲進(jìn)行抑制，取得了較好的效果，為簇絨地毯織機(jī)的高頻噪聲控制提供了新的途徑。

1 統(tǒng)計(jì)能量分析的基本原理

統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)的基本思想是將一個(gè)完整的復(fù)雜系統(tǒng)分割為多個(gè)耦合子系統(tǒng)，利用振動(dòng)能量描述各個(gè)子系統(tǒng)的特性；利用系統(tǒng)參數(shù)建立不同子系統(tǒng)之間的能量傳遞關(guān)系，推導(dǎo)出系統(tǒng)能量平衡方程；利用系統(tǒng)的能量平衡方程計(jì)算獲得各個(gè)子系統(tǒng)所儲(chǔ)存的能量，進(jìn)而獲得各個(gè)子系統(tǒng)的振動(dòng)聲輻射及振動(dòng)響應(yīng)[7]。對(duì)于具有N個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)間的能量傳遞關(guān)系如圖1所示。

圖1 子系統(tǒng)間的能量傳遞示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy transfer between subsystems

假設(shè)簇絨地毯織機(jī)的SEA模型可以劃分成N個(gè)子系統(tǒng)，則某個(gè)子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗功率Pid為

Pid=ωηiEi

(1)

式中：ω為1/3倍頻帶中心圓頻率，rad/s；ηi為簇絨地毯織機(jī)子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子；Ei為簇絨地毯織機(jī)子系統(tǒng)i貯存的能量，J。

子系統(tǒng)i與子系統(tǒng)j間功率流Pij傳遞關(guān)系為

Pij=ωηijEi-ωηjiEj

(2)

niηij=njηji

(3)

式中：ηij、ηji均為簇絨地毯織機(jī)子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)j間的耦合損耗因子；ni、nj分別為子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)j的模態(tài)密度,Hz-1；Ej為子系統(tǒng)j貯存的能量，J。

當(dāng)外界對(duì)子系統(tǒng)i施加激勵(lì)時(shí)，其輸入功率Pi,in可表示為

(4)

式中，ηik為簇絨地毯織機(jī)子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)k間的耦合損耗因子。

由此，在所研究頻域范圍內(nèi)簇絨地毯織機(jī)子系統(tǒng)i的聲壓級(jí)為

(5)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；c為聲速，m/s；p0為參考聲壓，取p0=2×10-5Pa；V為聲學(xué)空間的容積，m3。

簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲抑制的具體流程如圖2所示。首先對(duì)簇絨地毯織機(jī)建立初步SEA模型；隨后對(duì)其添加簇絨地毯織機(jī)實(shí)際參數(shù)，包括模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子以及外部激勵(lì)，使SEA模型與實(shí)際簇絨地毯織機(jī)更加吻合。在驗(yàn)證了SEA模型的有效性后，進(jìn)一步對(duì)高頻噪聲進(jìn)行抑制研究。

圖2 噪聲抑制流程圖Fig.2 Flow chart of noise suppression

2 簇絨地毯織機(jī)SEA模型的建立

基于統(tǒng)計(jì)能量分析原理的基本假設(shè)以及上述基本原理，以GB/T 7111.6—2002 《紡織機(jī)械噪聲測(cè)試規(guī)范 第6部分：織造機(jī)械》中的要求“織機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)須距機(jī)器表面1 m，距地面或工作臺(tái)高度1.6 m?！睘橐罁?jù)，根據(jù)簇絨地毯織機(jī)原型以及統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)劃分與建模的簡(jiǎn)化原則[8]，建立如圖3所示的簇絨地毯織機(jī)的SEA模型。

圖3 簇絨地毯織機(jī)SEA模型Fig.3 SEA model of tufted carpet loom.(a) Structural SEA model; (b) Acoustic cavity SEA model

簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)SEA模型共包含有56個(gè)節(jié)點(diǎn)，13個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)以及10個(gè)聲腔，其中包含距簇絨地毯織機(jī)1 m范圍內(nèi)的工人工作區(qū)域聲腔建模，以及房間內(nèi)部其余區(qū)域聲腔建模。

由于簇絨地毯織機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由提花部件、平圈送紗部件、耦連軸系部件、主軸曲柄機(jī)構(gòu)和箱體等部分組成。織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，存在高速回轉(zhuǎn)、往復(fù)、多運(yùn)動(dòng)耦合的復(fù)雜狀況，噪聲源不止一個(gè)，如電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)主軸及其從動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲和針排穿刺基布產(chǎn)生的摩擦噪聲等。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析法計(jì)算獲得的聲腔聲壓級(jí)則是簇絨地毯織機(jī)各處噪聲源所產(chǎn)生的噪聲之和。圖3(b)所示即為運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析法建立的聲腔SEA模型。

3 簇絨地毯織機(jī)SEA模型參數(shù)計(jì)算

為了能夠使模型各子系統(tǒng)的特性貼近實(shí)際簇絨地毯織機(jī)系統(tǒng)的特性，需要對(duì)SEA模型各子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子以及各子系統(tǒng)間的耦合損耗因子3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將這些參數(shù)代入模型中。

3.1 模態(tài)密度

SEA模型子系統(tǒng)的模態(tài)密度是指該子系統(tǒng)在某一頻率范圍內(nèi)單位頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù)。它代表著在某一頻段內(nèi)子系統(tǒng)的模態(tài)密集程度，也代表著振動(dòng)系統(tǒng)貯存能量的能力。能量流動(dòng)方向?yàn)榈湍B(tài)密度子系統(tǒng)到高模態(tài)密度子系統(tǒng)。

簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)SEA模型均由平板件建立完成，計(jì)算其模態(tài)密度可直接以規(guī)則板件處理。二維平板的模態(tài)密度n(f)為

(6)

(7)

簇絨地毯織機(jī)各平板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的模態(tài)密度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 平板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)模態(tài)密度Tab.1 Modal density of plate structure subsystem

3.2 內(nèi)損耗因子

內(nèi)損耗因子代表著子系統(tǒng)在單位時(shí)間、單位頻率內(nèi)部損耗的能量與平均儲(chǔ)存能量的比值。能量流動(dòng)方向?yàn)楦邇?nèi)損耗因子系統(tǒng)向低內(nèi)損耗因子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子ηi主要是由結(jié)構(gòu)損耗因子、振動(dòng)聲輻射阻尼形成的損耗因子以及邊界連接阻尼構(gòu)成的損耗因子構(gòu)成，即：

ηi=ηis+ηir+ηib

(8)

式中：ηis為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)本身材料內(nèi)摩擦所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)損耗因子；ηir為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)振動(dòng)聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)邊界連接阻尼構(gòu)成的損耗因子。

一般地，通過(guò)查閱材料手冊(cè)的方式可以獲得結(jié)構(gòu)損耗因子ηis。由于簇絨地毯織機(jī)各結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的組成成分均為鑄鐵，因此可查鑄鐵的結(jié)構(gòu)損耗因子為1.0×10-3。

聲輻射阻尼形成的損耗因子ηir可表示為

(9)

式中：ρ0為空氣密度，1.29 kg/m3；ρs為表面質(zhì)量密度，kg/m2；σsa為結(jié)構(gòu)輻射比，且有

(10)

(11)

式中，h為板厚，m。

對(duì)于規(guī)則板件而言，邊界連接阻尼對(duì)其影響較小，故邊界連接阻尼所構(gòu)成的損耗因子在內(nèi)損耗因子的計(jì)算中可忽略。

基于上述分析可見(jiàn)，簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子均可通過(guò)理論計(jì)算的方法獲得。其中，正面板與背面板的內(nèi)損耗因子如圖4所示。

圖4 簇絨地毯織機(jī)板子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子Fig.4 Loss factor in board subsystem of tufted carpet loom

3.3 耦合損耗因子

耦合損耗因子代表著2個(gè)子系統(tǒng)間的耦合程度，也代表著子系統(tǒng)間能量流動(dòng)過(guò)程中的損耗特性。能量流動(dòng)方向?yàn)橹苯蛹?lì)子系統(tǒng)到被間接激勵(lì)的子系統(tǒng)。

互相耦合的子系統(tǒng)之間的耦合損耗因子為

(12)

式中，σ為輻射比，且

(13)

根據(jù)上述分析可計(jì)算獲得簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的耦合損耗因子，如圖5所示。

圖5 簇絨地毯織機(jī)板子系統(tǒng)耦合損耗因子Fig.5 Coupling loss factor in board subsystem of tufted carpet loom

4 簇絨地毯織機(jī)SEA模型有效性驗(yàn)證

本文測(cè)試對(duì)象為DHU-2型簇絨地毯織機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速為350 r/min。采用PCB@公司的加速度傳感器，并結(jié)合DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀和DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集振動(dòng)加速度信號(hào)。采樣頻率設(shè)置為10 kHz。簇絨地毯織機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖6所示。

圖6 簇絨地毯織機(jī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Test site of tufted carpet loom

依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置的基本原則[9]，將簇絨地毯織機(jī)的正面板與背面板分別劃分為18個(gè)子單元，左側(cè)面板及右側(cè)面板分別劃分為9個(gè)子單元，頂板劃分為6個(gè)子單元。而后將加速度傳感器依次粘附于各個(gè)子單元采集振動(dòng)加速度信號(hào)。共采集5組振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)5組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析，得到各個(gè)面板的振動(dòng)加速度激勵(lì)譜。其中簇絨地毯織機(jī)正面板與背面板的振動(dòng)加速度激勵(lì)譜分別如圖7所示。

圖7 振動(dòng)加速度激勵(lì)譜Fig.7 Vibration acceleration excitation spectrum

將上述通過(guò)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算得到的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子以及各個(gè)面板的振動(dòng)加速度激勵(lì)譜施加到已建立的簇絨地毯織機(jī)SEA模型中，并輸入組成材料的密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)后經(jīng)統(tǒng)計(jì)能量分析計(jì)算，得到簇絨地毯織機(jī)SEA模型中各聲腔的聲壓級(jí)情況。

采用16通道的BK4961傳聲器陣列，結(jié)合DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀和DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際高頻噪聲聲壓級(jí)情況。以工人工作區(qū)域?yàn)槔?，圖8示出簇絨地毯織機(jī)SEA模型聲壓級(jí)實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比?？梢钥闯?，SEA模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為吻合，準(zhǔn)確度高。在500～2 000 Hz的高頻范圍內(nèi)，仿真誤差小于4 dB，其中二者在500 Hz時(shí)相差最大，最大值為3.9 dB。在315 Hz之后的高頻段內(nèi)，實(shí)驗(yàn)值與仿真值更加吻合，即統(tǒng)計(jì)能量分析法在高頻段噪聲處更精確。由此驗(yàn)證了簇絨地毯織機(jī)SEA模型的有效性以及準(zhǔn)確性。

圖8 工人工作區(qū)域聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of sound field experiment and simulation results in working area of workers

5 簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲抑制

簇絨地毯織機(jī)工作時(shí)其噪聲聲壓級(jí)超過(guò)了規(guī)定的75 dB(見(jiàn)圖8)，充分顯示了噪聲抑制的必要性。為實(shí)現(xiàn)簇絨地毯織機(jī)工作噪聲的抑制，本文采用三聚氰胺泡沫吸聲材料并結(jié)合已驗(yàn)證準(zhǔn)確性的SEA模型對(duì)簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲進(jìn)行研究。三聚氰胺泡沫吸聲材料具有高開孔率及均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，使入射波能夠方便有效地進(jìn)入材料深層，因此具有良好的吸聲性能[10]。

為了驗(yàn)證三聚氰胺多孔吸聲材料對(duì)簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲抑制的有效性，選取適當(dāng)厚度的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該材料的吸聲有效性。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)驗(yàn)室空間適用性，以厚度等于40和60 mm為例，進(jìn)行上述驗(yàn)證。

將2種不同厚度的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板分別粘附在簇絨地毯織機(jī)SEA模型表面，經(jīng)仿真計(jì)算獲得噪聲抑制仿真結(jié)果。同時(shí)搭建如圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量降噪效果。

圖9 降噪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Noise reduction experiment platform

對(duì)簇絨地毯織機(jī)表面分別粘附與仿真計(jì)算相同的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板，再次采用16通道的BK4961傳聲器陣列，結(jié)合DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)和DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集降噪后的聲信號(hào)。圖10示出施加三聚氰胺多孔吸聲材料前后實(shí)驗(yàn)與仿真的噪聲情況對(duì)比。

圖10 簇絨地毯織機(jī)噪聲抑制情況Fig.10 Noise suppression of tufted carpet loom

從圖10可以看出，經(jīng)三聚氰胺泡沫吸聲材料作用后，理論降噪可達(dá)15 dB左右，且高頻噪聲降噪效果更為顯著。同時(shí)，三聚氰胺泡沫吸聲板材越厚，降噪效果越為明顯，由此充分顯示了三聚氰胺多孔吸聲材料對(duì)簇絨地毯織機(jī)噪聲抑制的有效性。在500～2 000 Hz高頻范圍內(nèi)，仿真降噪效果比實(shí)驗(yàn)降噪效果更明顯，仿真誤差在9 dB以內(nèi)，其中在1 250 Hz時(shí)相差最大，最大值分別為8.26以及7.93 dB。

6 結(jié) 論

本文基于統(tǒng)計(jì)能量分析法，結(jié)合簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)織機(jī)在正常工作狀態(tài)下的高頻段聲場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行抑制，得出如下結(jié)論。

1) 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析法獲取簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲聲壓級(jí)的方法，能有效表達(dá)出簇絨地毯織機(jī)的高頻噪聲。

2) 基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的簇絨地毯織機(jī)SEA模型的仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差在高頻段內(nèi)相差均小于4 dB。該模型能有效地計(jì)算出高頻噪聲聲壓級(jí)情況。

3) 基于三聚氰胺多孔吸聲材料的簇絨地毯織機(jī)高頻噪聲抑制方法的理論降噪可達(dá)15 dB左右，且噪聲頻率及材料厚度均對(duì)吸聲效果有一定影響。