小型割草机声学特性分析与降噪设计

李　玮，周新民

(西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224)

小型割草机声学特性分析与降噪设计

李玮，周新民

(西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224)

摘要：小型割草机工作时噪声较大，实测值>100 db，对周围人们的工作、学习和生活造成了严重干扰。通过在实验室内进行的空转噪声测试试验与噪声频谱分析，明确了割草机声源发声机理，确定了噪声控制的频率对象，改进了原有排气消声器，从而降低了小型汽油机的排气噪声。开发设计了隔声罩来屏蔽隔离小型汽油机其余噪声以及刀片旋转空气动力性噪声，声学分析软件LMS Vitual.lab仿真结果表明上述措施有效降低了割草机噪声辐射。

关键词：小型割草机；试验测试；声学特性分析；降噪设计

利用园林绿化机械进行作业操作的地点涉及到城市公园、街道广场、居民小区、机关、学校和科研院所等的公共绿地，由于工作地域的特殊性，对这些机械设备工作时产生的噪声提出了较高的环保性能要求。小型割草机工作时噪声较大，实测值>100 db，严重影响了周围人群的工作、学习和生活，同时对操作人员的身心健康也有较大的伤害；因此，必须对这类园林机械实施噪声控制，在保证操作质量的同时降低噪声[1-2]。在实验室内实施了空转噪声测试试验，获取相关数据后进行了噪声频谱分析和数据处理，并归纳了声源发声规律，确定了噪声控制的频率对象，找到了降低噪声的方法，并采取相应措施实施噪声控制，最大程度上降低了其噪声污染[3-4]。

1小型割草机结构和测试平台的搭建

试验以国产扬州维邦小型割草机WB530B-DL为研究对象并搭建了试验测试平台，割草机的外形如图1a所示，该割草机尺寸较小，尺寸为0.13 m×0.35 m,发动机为汽油机，经查询国标GB 1859-2000中的规定，确定该试验用五点法进行测试。图1a中的数字是该试验测试中确定的5个测试点，每个测试周期采集1次噪声数据，保存该数据并送入计算机中用数据分析软件对其进行数据处理。该系统的结构简图如图1b所示，主要由汽油机、刀片、扶手、车轮和连接轴等部件构成。噪声测试使用的声级计及搭建的噪声测试系统要满足ISO3744中规定的精度要求，试验测试中安排的测试范围和声级计的放置应该符合相关国标规定的要求；因此，为满足试验的测量需求，该试验在长、宽、高分别为16、12和6 m的实验室中进行，实验室墙面为水泥，地面铺设可以吸收地面反射声音的地毯，试验测试的环境可满足测试要求。

图1　WB 530B-DL型割草机及其结构简图

WB530B-DL小型割草机结构简单，小型汽油机安装在一辆靠人力推动的四轮小车上，割草刀直接与小型汽油机主轴连接，之间无任何减速装置，其工作原理为小型汽油机带动割草刀高速旋转，产生一定的切割力，从而进行规定高度的割草作业，把杂草切断。WB530B-DL小型割草机噪声来源主要为汽油机的排气噪声和割草刀的空气动力性噪声，虽然汽油机安装了排气消声器，但因尺寸较小，结构简单，降噪效果较差；小型汽油机是裸露的，噪声直接向四周传播，无任何遮挡，产生的噪声对周边环境造成严重污染。

2声学特性分析

为了对噪声源声学特性做全面的了解，通过试验测试，判断总噪声能集中的频率区域及其各主要发声部件的噪声辐射强度；通过频谱分析，确定其噪声的频率构成成分，明确噪声控制的频率对象，实现对控制对象声学特性进行正确匹配，从而取得良好的消声降噪效果。

噪声测试试验严格按照国标GB 1859-2000的规定进行，运用DASP软件对采集的噪声数据文件进行自功率频谱分析，得到5个测点(如图1中①～⑤)的自功率频谱图，测点1和测点3的自功率频谱图形如图2和图3所示。

图2　测点1自功率频谱

图3　测点3自功率频谱

测试结果表明，割草机全速工作时噪声主要出现在600 Hz以内的低频段，分别为29、58、116、232、348、46和577 Hz，具有明显的规律性，峰值主要集中在116和232 Hz附近。试验测得的割草机发动机转速约为3 375 r/min，根据式1可求得其排气噪声基频为：

考虑到割草机工作速度的不稳定性，取fk≈29r/min。由此可得割草机主要噪声的基频和2、4、8、16次谐频分别为29、58、116、232和464 Hz。通常情况下，随着谐波阶次的增高，割草机排气噪声声压级逐渐降低，然而其在116和232 Hz处出现了最大值峰值。由刀片噪声计算式2可得刀片旋转空气动力性噪声基频为：

(2)

与发动机转速近似值fk≈29r/min相对应，取f≈113 r/min。

上述计算结果表明，割草机的排气噪声基频为29 Hz，进排气噪声基频为58 Hz，刀片旋转空气动力性噪声基频为116 Hz，232 Hz为其二次谐频。割草机噪声与发动机转速密切相关，割草机噪声在116 Hz处出现峰值，是发动机进排气噪声的二次谐频与刀片旋转空气动力性噪声基频的叠加，232 Hz为其二次谐频。割草机的主要噪声是由发动机排气脉动气流和刀片旋转空气动力气流所引起的。

3噪声控制与降噪设计

WB530B-DL小型割草机原有发动机的消声器结构简单，消声效果较差，如图4所示的实测噪声最大峰值>100 db。实测的WB530B-DL小型割草机有无(系列1为不带消声器，系列2为带消声器)消声器时的比较频谱图如图5所示，说明原有消声器在噪声最大峰值116和232 Hz处几乎无降噪效果；因此，只要合理地设计排气消声器，削弱峰值噪声，就能有效降低排气噪声。采用排气消声器方法对发动机性能影响较小且易于实现，是目前最主要、最有效和最简单的排气噪声控制方法。

图4　割草机带消声器频谱图

图5　测点1有无消声器的比较频谱图

WB530B-DL小型割草机的频带宽度相对较大，单纯依靠排气消声器技术使其噪声降低到一个理想水平是比较困难的，因此在合理设计排气消声器的同时，再采用隔声罩对发动机其他噪声以及刀片旋转空气动力性噪声进行屏蔽隔离，与排气消声器协调工作，共同完成对WB530B-DL小型割草机的噪声控制任务。

为加强消声器的消声效果，改进设计了三腔回流结构排气消声器，如图6所示。在增设的隔板上开孔以增加空气摩擦，从而提高消声量。声学分析软件LMS Vitual.lab的仿真结果表明，传递损失曲线低频段有所提高，基本消除了1 000 Hz前的低谷，中高频段趋于平稳缓和(见图7)。改进后的消声器消声性能优于原消声器。

图6　消声器内部声压分布图

图7　考虑流速时消声器的传递损失曲线

配套设计的隔声罩采用内置微穿孔吸声结构，具有轻质、密闭、通风和散热好的特点，如图8所示。声学分析软件LMS Vitual.lab的仿真结果如图9所示。随着频率的升高，隔声罩对噪声的削弱效果有所增加，在0～1 000 Hz的频率范围，隔声量达到4～13 db。

图8　隔声罩的Pro/E模型

图9　隔声罩的传递损失曲线

4结语

小型割草机噪声发声机理为发动机排气脉动气流和刀片旋转空气动力气流。噪声控制的频率对象应为排气噪声基频29 Hz及其2、4、8、16次谐频。改进原有排气消声器控制小型汽油机的排气噪声和设计隔声罩对小型汽油机其余噪声以及刀片旋转空气动力性噪声进行屏蔽隔离，声学分析软件LMS Vitual.lab仿真结果表明，其是降低割草机噪声辐射的有效控制方法。

参考文献

[1] 周新祥.噪声控制技术及其新进展[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2] 王佐民.噪声与振动测量[M].北京：科学出版社,2009.

[3] 赵平. 我国园林绿化装备的发展历程及现状[J]. 林业机械与木工设备,2011(4)：4-10.

[4] 赵平.我国园林绿化装备发展中存在的问题及其原因[J].林业机械与木工设备,2011(9)：10-14.

责任编辑李思文

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

作者简介：李玮(1967-)，女，教授，博士，主要从事机电一体化教学和科研等方面的研究。

中图分类号：TB 535

文献标志码：A