对机械结构振动噪声仿真及控制技术的相关分析

摘  要：在工业和交通运输事业高速发展的大环境下，噪声对人们的正常生活和身体健康造成了十分不利的影响。如何解决噪声问题，受到相关领域的高度关注。本文以对机械结构振动噪声仿真及控制技术相关分析为题，重点研究了控制振动噪声的方法，主要包括两部分内容，分别为机械机构噪声产生机理和控制措施，以望借鉴。

关键词：机械结构;振动噪声;电机管路

中图分类号：TB535;TH113.1      文献标识码：A 文章编号：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

当今世界，各个国家对噪声问题的重视程度不断上升，并通过立法的方式控制噪声，虽然取得了一定的成效，但却无法对噪声问题进行根治。在众多噪声污染中，由机械机构振动引发的噪声问题尤为严重，具有控制难度大的特点，在此背景下，研究此课题具有十分重要的意义。

1  机械结构噪声的产生机理

机械结构噪声具有三个特点，分别为振动噪声并存、来源广泛以及构成部分多，因此，需要对其进行分类研究。

机械噪声产生的根源是机械部件间的交变应力，这种力由多个部分构成，比如：摩擦力、撞击力以及作用力，这几种力能够互相依存，只是在强弱上有所不同。

不管是受迫振动，还是固有振动，只要机械发生振动，其必然会产生噪声，振动系统中的固有振动频率是机械噪声的主要组成部分，与此同时，机械结构和固有振动频率间存在紧密的联系，因此，系统噪声又被业内人士称为结构噪声，这类噪声在机械噪声中尤为突出。某研究机构曾经利用仿真技术，对驾驶室的空腔共鸣现象进行了模拟，模拟结果如表1所示。

模拟结果表明在驾驶室内的空腔模态与结构模态相重合时，就会引起结构共振，同时产生强烈的噪声，对于驾驶人员的影响十分严重，因此，需要对空腔模态与驾驶室结构固有频率相重合的情况进行避免。

机器在工作过程中，各个部件会在周期性干扰力的作用下发生振动，如传动件、壳体等，再加上传动件多为弹性体，因此，促进了噪声的传播。

通过上述分析可知，想要对机械噪声进行控制，减小机体弹性振动是有效的措施。对机体振动产生敏感影响的因素相对较多，主要包括联结轴承刚度、旋转件以及其他的动力特性。因此，只研究某一项影响参数，很难得到有效的方案。

2  机械结构振动噪声仿真及控制技术分析

2.1  采用隔声措施

从字面意义上来看，所谓的隔声就是阻隔声音，避免声音向外扩散，这样一来，就可以对噪声进行有效控制。控制原理为：一个具有一定能量的噪聲，在射到墙壁后，墙壁会在声波作用力的影响下发生振动，墙壁振动所产生的声能就是所谓的透射声能，这部分声能会向外扩散。但是与正常传播的噪声相比，透射声能的能量仅为正常噪声的1%，甚至一些隔声性能强的材料，可以将噪声能量削减到人体可以接受的范围之内[1]。

我们可以用t1表示透射系数，隔声构件的隔声能力可以用101g（1/t1）表示，此外，这种隔声能力还有另一种表达方式，这种表达方式被称为传声损失，记作为字母R，这样一来，公式就变成了R=101g（1/t1），在该公式中，t1的值越小，则R值越大，二者具有反比关系，反之则亦然。但值得注意的是，机房中的噪声不仅会透过墙壁传播，窗户、地板和天花板都可以成为噪声的传播途径。

（1）单层匀质密实板材壁面隔声原理和技术分析。这种壁面在受到压力波的影响后，会产生与压缩变形相类似的情况，从而使声波由首端传递到尾端，逐渐变为透射波，这属于常见的物理现象，单层匀质密实板材无法吸收大量的声波，起到的降噪作用较为有限，但对于复合隔声结构而言，尤其是吸声层结构位于夹层中间的复合隔声结构，具有十分突出的吸声能力，是控制噪声的有效措施。

实践结果表明，上述板材壁面的隔声能力与射声波的频率存在密切的关联，可以按照入射频率的高低，将其吸声情况进行三个区域的划分，具体包括吻合效应区、阻尼控制区和质量控制区。并且这些控制区还可以进行进一步的划分，其中阻尼控制区的另一个名称为共振区。

在劲度控制区，入射频率会由0逐渐向第一共振频率Fr逐渐发展。在这个区域内，墙板壁在面对声压时，会产生与弹簧较为类似的反应，此时的墙板壁隔声能力取决于劲度，简言之，劲度越大，墙板壁隔声能力越强。就相同的板材而言，入射频率的加大，会对其隔声性能产生不利的影响。

（2）双层隔声墙的隔声原理和技术。双层隔声墙与单层隔声墙相比，具有更强的隔声能力，其组成部分为两层匀质墙，并且匀质墙之间还夹杂着一层空气。如果在控制机械振动噪声时，想要使单层隔声墙的隔声能力增加，通常情况下，需要加厚墙体或增强其密实度，但这些方法起到的效果较为有限，同时还会浪费大量的材料。在这一背景下，双层隔声墙被研发出来，且应用效果十分显著。其隔声原理为，在声波通过不同材质的墙体和空气介质时，会在这些介质的作用下，出现多次反射，每次反射都会使声波减弱，再加上空气层富有弹性和吸收能力，可以在最大程度上对机械结构振动能量进行弱化。与单层隔声结构相比，二者在达到相同隔声效果的情况下，双层隔声结构比单层隔声结构轻60%，由此可见，双层隔声墙更为适用[2]。

2.2  采用吸声措施

目前，多孔材料已经被广泛应用于工业生产之中，控制机械结构振动噪声是其应用目的，常用的多孔材料包括矿渣棉、合成高分子材料和玻璃棉等，在上述多孔材料中，共具有两种状态的气泡，第一种是常见的气泡状态，被称作单个闭合孤立气泡，不具备通气能力，第二种气泡是连接气泡。据查阅相关资料得知，第二种气泡在机械结构振动噪声控制中应用较为普遍，而第一种气泡状态由于噪声控制效果较差，故尚未被广泛应用。

空间组成骨架是吸声材料的固定部分，其目的在于使材料形状得到保持。吸声材料都是多孔材料，并且这些孔彼此相连，并深入到材料内部，因此吸声性能较强。在声波与材料接触时，会深入孔隙，并与孔隙中的空气产生摩擦，声能会因此被转化为热能，并随着空气的流动而消散，在控制机械结构噪声振动时，如果采用这种技术，在使用过程中，需要对材料的耐高温性能进行考虑，否则，材料可能会因为无法承受高温而自燃或损毁。因此，笔者建议选择矿渣棉或玻璃棉作为主要的填料，究其原因，主要是这两种材料具有不可燃的特性，且吸声性能卓越。环境对吸声材料的吸声能力有着直接的影响，在众多环境影响因素之中，温度最为突出。实验结果表明，这种材料在面对中高频噪声时表现良好，但是在面对低频噪声时则表现不佳，故在实际应用过程中，应该通过共振吸声结构的使用，使其低頻吸声能力得到强化[3]。

2.3  采用消声措施

目前，在机械机构振动噪声控制中经常使用的消声器主要是片式消声器。大型风机具有非常大的风流量，为传播风流量，故风机的通风通道面积相对较大，为增加消声器的周长和截面积，可以将板状吸声片插入其中，将一个完整的通风通道分为多个小通道，假设片式消声器每个通道的尺寸和构造完全相同，我们只需通过计算，求得单个通道的消声量，就可以获得消声器的整体消声量，其公式为La=∅（A0）L· 1/S=2∅（A0）·1/a。

将上述公式作为依据，可以看出，每个通道的宽度会影响消声器的消声量，通道宽度a越大，消声量就越小。故在设计大型风机片式消声器的过程中，设计人员通常会将宽度控制在20cm之下，同时将消声片的厚度控制在15cm之下，通过设计，充分发挥消声器的作用。

3  结  论

综上所述，工业发展在促进社会经济发展的同时，也带来了严重的噪声污染问题，为了实现对机械结构振动噪声的有效控制，建议工业企业采取隔声、吸声和消声等机械结构振动噪声仿真及控制技术，以降低噪声对周边居民的影响。

参考文献：

[1] 施冠军.基于振动分析的机械结构损伤识别方法综述 [J].内燃机与配件，2019（20）：210-211.

[2] 周祥，张袁元.基于振动分析的机械结构损伤识别方法综述 [J].机械工程与自动化，2017（1）：216-218.

[3] 陈鹏，崔龙，李洪谊.一种应用于遥操作系统的机械振动辨识方法 [J].信息与控制，2016，45（2）：185-192+198.

作者简介：曹婷婷（1993.04-），女，汉族，江苏张家港人，助教，研究生，研究方向：振动减噪。