探索减振降噪在机械设计中的应用

摘要：机械设计中的减振降噪是一项涉及很多领域的综合技术，从某一单一方面的改进努力往往得不到预期效果，本文分析机械噪音的产生，指出减振降噪的方法，有一定的参考价值。

关键词：减振降噪；机械设计

中图分类号：F407.4 文献标识码：A

1 噪声源的控制

1. 1 合理选择材料

在为机械设备选材时，除要考察材料的力学性能、物理性能和化学性能、工艺性能和经济性等因素外，为降低噪声，还应分析材料本身的内阻尼性能。

内阻尼性能表示一种材料受到激振力的作用时，内部分子消耗吸收能量和抑制构件振动的能力大小。机械设计中普遍应用的材料，如铜、铁、铝等，内阻尼较小，消耗振动的能量少，在激振力的作用下，构件表面辐射较强的噪声; 相比之下，一些高分子材料和减振 ( 阻尼) 合金具有较高的内阻尼，在承受激振力的作用时，合金内摩擦将引起振动滞后损耗效应，将振动的能量转化为热能耗散掉，以达到降噪效果。例如，在齿轮的设计与选用中，如遇到转速较低，强度要求不大的场合，可以考虑使用非金属材料制造齿轮，以达到降低噪声的目的。与此同时，在多粉尘的工作环境中和冶金工业中，使用非金属材料的齿轮传动，既可以应对多粉尘或者腐蚀严重的环境，又可以降低噪声，改善工人们的工作条件。根据东北农业大学李中才的研究，图 1、图 2 和图 3 分别为转速 500r / min、1 000 r / min、1 400r / min 时普通齿轮与阻尼材料齿轮的噪声对比曲线，其中 A 为普通齿轮，B 为阻尼材料齿轮。B 齿轮的噪声较 A 齿轮的噪声普遍低，尤其是在齿轮高转速情况下阻尼材料齿轮的噪声与普通材料的更低。同时阻尼合金材料在承受一定载荷的情况下能较好的发挥阻尼降噪的作用。

1. 2 优化机械结构

结构噪声为一种辐射源不直接暴露在空气中，通过结构传播的噪声。该类噪声普遍存在于各类机械的运转中。“齿轮箱等封闭壳体的机械和振动筛这类以振动为主要工作方式的机械，结构振动辐射声占总声能的比例的 90% ～ 95%。在机械设计工作中，针对结构噪声，优化结构设计，可以达到较好的除声降噪的效果。下面本文将集中讨论几种典型的结构噪声的控制方法。

1. 2. 1 振动筛噪声

如常见于旋转机械设备的振动筛就可以通过安装减振器或者改变轴承滚动体的结构来降低结构噪声，空心滚动体轴承示意图如图 4 所示。在轴间相对运动要求不高的情况下，可以在激振器( 或轴承) 与筛体之间安装一组减振器，通过适当选取减振器参数既可以使机体在工作频率附近获得稳定振幅，保证振动机正常工作，又可以使机体的高频响应减小，降噪效果显著，小型筛降噪量可达 6dB，对于大中型筛降噪量会更大。反之，如果轴间相对运动精度要求较高，可以采用如下图所示的空心滚动体轴承，在保证滚动体强度和避开共振区的条件下也可以获得较好的降噪效果。

1. 2. 2 齿轮噪声

啮合的齿轮对或齿轮组，由于互撞和摩擦激起齿轮体的振动，从而辐射齿轮噪声。当齿轮达到一定转速，其受迫振动频率与齿轮箱体、齿轮架或齿轮体的固有频率产生相等，产生共振，导致辐射噪声级别急剧增加。齿轮的设计参数、齿轮的加工精度及粗糙度、箱内油粘度以及前文所提及的材料选择均对齿轮噪声有所影响。

从以上因素考虑，可以采取以下措施控制齿轮噪声: ①在满足生产要求和经济性的前提下，使用斜齿轮或人字齿轮代替直齿轮，使力传递均匀，冲击载荷减小，运动平稳，减少共振，达到降噪的目的; ②在兼顾负载的前提下，尽量减小齿轮的压力角，一般取 20°，以降低噪声; ③选择合适的齿侧间隙，以避免齿隙较小的咆哮噪声和齿隙过大的撞击噪声。

2 噪声传播途径的控制

2. 1 吸声技术与隔声技术的应用

利用吸声材料( 结构) 的粘滞性、内摩擦作用和导热性，将进入吸声材料空隙的声波的声能通过空气和材料的细小纤维振动转变为热能进而吸收和耗散掉的技术称为吸声技术。吸声技术的应用过程即为吸声材料和吸声结构的选择过程; 利用隔声材料和隔声结构隔离或阻挡声能的传播的方法称为隔声。

吸声技术与隔声技术常交叉使用，以达到良好的降噪效果。考虑到机械设备的噪声的传播途径的控制，可在厂房内墙面及屋顶安装吸声材料。如上海第九丝织厂，在机房内局部平顶作超细吸声棉吸声处理，以降低机房内混响声，并相应降低机房向外辐射的噪声。在工业用钢球磨煤机的降噪技术应用中，可以: ①在筒体上安装多层耐热材料复合的隔声套，将筒体噪声经阻尼材料的内耗衰减和吸声材料、隔声材料的吸隔作用而降低; ②隔声罩是利用罩形结构将钢球磨煤机本体、齿轮箱和电机等噪声源封闭在一个相对小的空间内，减小噪声向周围辐射; ③设立活动或固定式隔声屏来阻挡声源和接收者之间直达声。

2. 2 消声装置的应用

噪声的消声可以分为主动消声与被动消声，其中噪声的被动控制法已经非常成熟并广泛应用，而主动消声技术是新兴技术，多用于高精尖设备，其使抗噪声源与早期干扰声波相结合导致声音消失。

消声器是最常见的消声装置之一，主要分为:阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器和有源消声器六大类。

安装消声器是控制空气动力性噪声的有效措施，它既能允许气流顺利通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播，值得指出的是，消声器只能降低空气动力设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声，而对设备的结构噪声、电磁噪声等无明显效果。

消声器在处理进排气口空气噪声中有应用较多，凡是以气流噪声为主的噪声控制问题，均可在进排气口安装消声设备来降低噪声。如在空调系统中，消声器被应用于空调机房、锅炉房、冷冻机房等设备机房进出风口的消声，空调系统送回风管道的消声，以及冷却塔进出风口的消声; 又如标准排气消声器被安装应用于汽车的消声装置上用于噪声控制; 消声器还可以应用于舰船柴油发动机废气排放的噪音控制上。

其它常见的消声设备有消声坑、消声百叶扇等。消声坑具有效果好、压力损失小、气流脉动衰减率高、施工方便、造价低等特点，位于地下，还具有不占空间的优点; 消声百叶扇是一种新的进、排气消声方法及装置，其特点是采用由进、排气流驱动的可变阻旋转叶轮的消声方法。由于旋转叶轮轴承间隙随温度变化而引起不同的摩擦阻力，致使被气体驱动的旋转叶轮对流动气体形成不同的阻尼，从而达到消声效果。

2. 3 隔振技术的应用

振动产生噪声，而在工程实际中，振动是不可避免的，故隔振技术的合理利用是工业中除声降噪的有效途径。对于一些不可避免的振动，设计人员采取将振动源与地基或需要防振的物体之间用弹性元件和阻尼件进行连接，隔绝或减弱振动的方法达到降噪的目的。隔振分为主动隔振与被动隔振。主动隔振是将振源与支撑振源的基础隔开; 被动隔振是将需防振的物体单独与振源隔开。

隔振系统的原理中系统由刚度系数为 K 的弹簧和阻尼系数为 C 的阻尼器构成，当振动激励输入系统时，弹簧振子与阻尼器共同起到隔离和衰减振动的作用，使得系统输出的振动频率大为降低，以达到隔离振动的目的。

3结束语

随着科技水平的发展和科学研究的深入，减振降噪技术已经趋于成熟，如集高阻尼、高强度、高精度于一身的非金属材料的研制; 机械零件与构件的结构改进; 新型消声器; 减振器、隔振器的发明和广泛应用。它涉及到声学、机械振动、材料学等多学科的交叉，在工程实际上有着广泛的应用。相信随着科学技术的进一步发展，减振降噪技术也将被更加广泛的应用。

参 考 文 献

［1］王春明，吴秀华．内燃机噪声源识别与噪声控制［J］．林业机械与木工设备，2006，34( 3) : 43 －45．

［2］王红梅．降低变速器噪声方法探讨［J］．林业机械与木工设备，2007，35( 5) : 28 － 29 + 32．