工程機械噪聲與控制理論問題初探

1、工程機械噪聲與控制理論問題初探隨著工程機械行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對于工程機械的舒適性和振 動噪聲控制的要求越來越嚴格。噪聲的控制，不僅關系到乘坐舒適 性，而且還關系到環(huán)境保護。一切噪聲又源于振動，振動能夠引起某 些部件的早期疲勞損壞，從而降低工程機械的使用壽命；過高的噪聲 既能損害駕駛員的聽力，還會使駕駛員迅速疲勞，從而對工程機械行 駛作業(yè)安全性構(gòu)成了極大的威脅。噪聲控制也關系到工程機械產(chǎn)品的 工作的平順性、耐久性和安全性。因此振動、噪聲和舒適性這三者是 密切相關的，既要減小振動，降低噪聲，又要提高乘坐舒適性，保證 產(chǎn)品的經(jīng)濟性，使工程機械產(chǎn)品的噪聲控制在標準范圍之內(nèi)。進入上世紀后，人類為了實現(xiàn)

2、可持續(xù)發(fā)展，提出了工程機械 的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù)，使工程機械發(fā)展進入了新的發(fā)展階段。歐美 和日本市場對工程機械產(chǎn)品的噪聲實施了更加嚴格的要求。因此工程 機械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù)是今后國際工程發(fā)展趨勢的主流。為配合 國際化戰(zhàn)略，以國際先進產(chǎn)品標準為指導，提升產(chǎn)品技術(shù)水平，尤其 為進一步開拓國際市場，徐工產(chǎn)品下一步發(fā)展思路和主要目標之一就 是進行節(jié)能、環(huán)保、操作舒適性等技術(shù)的研究。噪聲的種類產(chǎn)生工程機械噪聲的主要因素是空氣動力、機械傳動、液壓三部 分。從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)動機（即燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪 聲、發(fā)電機噪聲），發(fā)動機本體噪聲（如發(fā)動機振動，配氣軸的轉(zhuǎn) 動，進、排氣門開關等引起的噪聲）

3、。傳動系噪聲、底盤各部件的連 接配合引起的噪聲，車身噪聲（發(fā)動機引起車身結(jié)構(gòu)的振動，附件的 安裝不合理引起的噪聲），液壓噪聲（齒輪泵，液壓閥及管路振動引 起的噪聲），制動系統(tǒng)排氣噪聲，工作裝置動作沖擊噪聲。其中發(fā)動 機及其相關件產(chǎn)生的噪聲占二分之一以上。因此發(fā)動機的減振、降噪 成為工程機械噪聲控制的關鍵之一。噪聲要求早在年，一部分國產(chǎn)裝載機因噪聲過高，北京市公安局 不發(fā)給使用牌照，購買單位紛紛要求退貨，使工程機械生產(chǎn)企業(yè)受到 了一次強烈的沖擊。年，機械工業(yè)部頒布了工程機械噪聲 限值標準（）；年國家環(huán)保局頒布了 建筑施工場界噪聲限值標準（）。在以上 基礎上，參照：標準， 年頒布了國家標準工程機械

4、噪聲限值（ ），該標準規(guī)定的限值作為現(xiàn)階段我國工程機械產(chǎn) 品的最低指標，是強制性標準而發(fā)布實施（比 有所放寬）。該標準規(guī)定了工程機械司機位置處噪聲限值為 （），還規(guī)定了機外輻射噪聲聲功率級與標定功率之間的關系。 分別見表，由于西方發(fā)達國家制造業(yè)水平較高，無論是發(fā)動機，還是油泵、 變速箱、變矩器等機械、液壓部件等運行噪聲較小。出于對環(huán)境和對人體健康的保護，這些國家的嗓聲限值標準一直 在不斷降低。歐洲噪聲限值標準于年修訂，比原標準下降 （），其中規(guī)定最大噪聲不得大于（），發(fā)動機 功率為時，噪聲聲功率級限值應小于等于 （），比我國現(xiàn)行國家標準低（）年月 日，歐洲標準進一步修訂，比年標準下降（）。在日

5、 本，年月頒布實施的最低噪聲限值標準，比年歐洲 標準嚴，其中規(guī)定發(fā)動機功率大于寸，最大噪聲不得 大于（），比我國現(xiàn)行國家標準低（）。現(xiàn) 在，降低工程機械產(chǎn)品噪聲排放限值已是全球性趨勢。歐盟年月日的頒布的“有關室外使用設備環(huán)境噪聲 排放”法規(guī)規(guī)定，從年月，實施該法規(guī)第二階段噪聲排放 標準，同等發(fā)動機功率設備，比年修訂的歐洲噪聲限值低 （）。具體噪聲排放標準見表噪聲評價與噪聲的控制噪聲評價指標主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動適應性。評價方 法可分為主觀評價和客觀評價。影響汽車噪聲主觀評價的主要因素是 舒適性、響度和確定性。在客觀評價時，可以采用噪聲測量裝置測量 試驗進行分析；此外模擬技術(shù)中的聲場分析

6、有限元法（）和邊 界元法（）也被廣泛應用。國外對噪聲研究著手較早，年美國開始對車內(nèi)嗓聲特性 進行研究，八十年代，美國工程力學研究所在研究車內(nèi)噪聲特性預測 方面做了大量的研究工作，他們系統(tǒng)研究了聲學模態(tài)分析的有限單元 建模方法，探討了車身結(jié)構(gòu)振動對車內(nèi)聲場的影響以及車內(nèi)聲壓對邊 界振動的影響，建立了結(jié)構(gòu)一聲學藕合的有限單元模型。完成了彈性 邊界的聲學模態(tài)分析和車身結(jié)構(gòu)受迫振動時車內(nèi)聲壓分布的計算，推 導出結(jié)構(gòu)振動一聲壓波動在受到外界干擾力作用時的有限元計算公 式，為車內(nèi)噪聲預測分析打下了良好的基礎。日本對工程機械噪聲的研究也非常重視，在主要傳動件噪聲得到 有效控制后，深入研究不同結(jié)構(gòu)形成的空氣流

7、噪聲，并應用在新一代 挖掘機等工程機械上。國內(nèi)在車輛噪聲研究方面起步較晚，工程機械 噪聲的分析研究則更晚。近二十年來，治理工程機械噪聲已成為許多 生產(chǎn)廠和科研部門急需解決的重要課題。出于對舒適性的要求，國內(nèi) 外對車體駕駛室的振動及振動噪聲研究較多，對車外噪聲的分析 研究相對較少，但近幾年來也在逐步增加。噪聲治理首先要找出主要噪聲源。頻譜分析法是識別噪聲源基本 方法之一，頻譜分析中除了使用幅值頻譜圖以外，最常用的還有功率 譜圖，此外還有相干函數(shù)法、倒頻譜法。自代起，聲全息理論發(fā) 展迅速，但至今未能得到廣泛應用，主要是設備昂貴，且空間分辨誤 差要大于聲波的波長。聲強測量法是年代初在聲學測量和信號處

8、 理方面發(fā)展起來的新技術(shù)，已為人們普遍接受，由于測點太多，在我 國一般廠家很難實現(xiàn)。近幾年，采用聲近場聲全息技術(shù)和聲壓法識別 車外主要噪聲源的研究都取得了一定進展。根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機理，可以把噪聲控制技術(shù)分為以下三 類：一是對噪聲源的控制，二是對噪聲傳播途徑的控制，三是對噪聲 接受者的保護。其中對噪聲源的控制是最根本、最直接的措施，包括 降低噪聲的激振力及降低發(fā)動機部位對激振力的響應等，即改造振源 和聲源。但是對噪聲源難以進行控制時，就需要在噪聲的傳播途徑中 采取措施，例如吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施。工程機械產(chǎn)品的減振降哚水平與整車的熱平衡性、動力性、經(jīng)濟 性、可靠性及強度、剛度、

9、質(zhì)量、制造成本密切相關。發(fā)動機的振動與噪聲降低發(fā)動機噪聲是工程機械產(chǎn)品噪聲控制的重點。發(fā)動機是產(chǎn)生 振動和噪聲的根源。發(fā)動機的噪聲是由燃料燃燒，配氣機構(gòu)、正時齒 輪及活塞的敲擊噪聲等合成的。降低發(fā)動機本體噪聲就要改造振源和 聲源，包括用有限元法等方法分析設計發(fā)動機，選用柔和的燃燒工作 過程，提高機體的結(jié)構(gòu)剛度，采用嚴密的配合間隙，降低汽缸蓋噪 聲。例如在油底殼上增設加強筋和橫隔板，以提高油底殼的剛度，減 少振動噪聲。另外，給發(fā)動機涂阻尼材料也是一個有效的辦法。阻尼 材料能把動能轉(zhuǎn)變成熱能。進行阻尼處理的原理就是將一種阻尼材料 與零件結(jié)合成一體來消耗振動能量。它有以下幾種結(jié)構(gòu)：自由阻尼層 結(jié)構(gòu)、

10、間隔自由阻尼層結(jié)構(gòu)、約束阻尼層結(jié)構(gòu)和間隔約束阻尼層結(jié) 構(gòu)。它的采用明顯地減少了共振的幅度，加快了自由振動的衰減，降 低各個零件的傳振能力，增加了零件在臨界頻率以上的隔振能力。目 前，已有一些國家的專家設計了一種發(fā)動機主動隔振系統(tǒng)，用于減少 發(fā)動機振動，以達到降低噪聲的目的。（）進氣噪聲 進氣噪聲是發(fā)動機的主要噪聲源之一，系發(fā)動機的空氣動力噪 聲，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增強。非增壓式發(fā)動機的進氣噪聲主要成 分包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、汽缸的共振噪聲等。增壓式 柴油機的進氣噪聲主要來自增壓器的壓氣機。對此，最有效的方法是 采用進氣消聲器。類型有阻性消聲器（吸聲型）、抗性消聲器（膨脹 型、共振

11、型、干涉型和多孔分散型）和復合型消聲器。將其與空氣濾 清器結(jié)合起來（即在空濾器上增設共振腔和吸聲材料，）就成為最有 效的進氣消聲器。（）排氣系噪聲 排氣系噪聲主要由排氣壓力的脈動噪聲，氣流通過氣門座時所發(fā) 出的渦流噪聲，由于邊界層氣流的擾動而產(chǎn)生的噪聲以及排氣口處的 噴流噪聲所組成。優(yōu)化設計性能良好的消聲器，是降低車輛排氣系噪 聲的重要手段之一。優(yōu)化設計的方法有聲學有限元法和聲學邊界元 法，但目前還處于起步階段。避免消聲器的傳遞特性與振動特性耦合 是消聲器設計中要重點解決的一個問題。但是，降低排氣噪聲與提高 動力性是相矛盾的，因為降低排氣噪聲與降低排氣背壓對排氣管直徑 的設計有著相矛盾的要求，

12、前者要求有較小的直徑，而后者卻相反。 目前，汽車上采用并聯(lián)流路的雙功能消聲器，在減小背壓和降低氣流 噪聲方面頗為有效。另外，對于發(fā)動機排氣歧管到消聲器入口的一段管路，采用柔性 管的減振、降噪效果也很明顯。（）冷卻風扇噪聲冷卻風扇是噪聲的發(fā)生裝置，受到護風圈、水泵、散熱器及傳動 裝置的影響，但其噪聲的產(chǎn)生主要取決于風扇本身結(jié)構(gòu)噪聲以及與護 風圈的共振。傳動系噪聲傳動系噪聲來源于變速齒輪嚙合引起的振動和傳動軸旋轉(zhuǎn)振動。 一般采取的措施是：一是選用低噪變速器，二是發(fā)動機與變速箱及后 橋主減速器等部件與底盤用橡膠減振墊進行柔性連接，從而達到隔振 的目的，三是控制傳動軸的平衡度，降低扭轉(zhuǎn)振動。液壓噪聲液

13、壓系統(tǒng)是工程機械的重要噪聲源?，F(xiàn)今液壓設備在向高速、高 壓和大功率的方向發(fā)展，因此噪聲也必然會相應增高。一般來說，高 噪聲的液壓裝置較難正常工作，甚至會影響其應有的性能和元件壽 命。液壓系統(tǒng)的主要噪聲源之一是油泵，為了降低其噪聲，一是在油 泵結(jié)構(gòu)設計上消除一些機械沖擊和壓力沖擊，二是想辦法消除由幾何 空間變化不均勻所造成的壓力脈動。研究表明，液壓閥的噪聲特性主要與三個因素有關：閥的類型， 閥內(nèi)流體流向以及回游腔內(nèi)壓力。這三個因素很大程度上決定了液壓 閥的噪聲。車體噪聲車體噪聲主要有兩方面，一是車身結(jié)構(gòu)因與發(fā)動機相連引起的振 動噪聲，另一方面是工作裝置在裝料、卸料工作過程中撞擊發(fā)生的沖 擊噪聲。

14、控制降低此類的基本途徑是設計采用專業(yè)的隔振器。其他措施對工程機械產(chǎn)品噪聲的控制，除了在設計上使用優(yōu)化方法和零件 的優(yōu)化選用以外，還可以對噪聲進行主動控制。這就是以聲消聲技 術(shù)，原理是：利用電子消聲系統(tǒng)產(chǎn)生與噪聲相位相反的聲波使兩者 的振動相互抵消，以降低噪聲。這種消聲裝置采用極其先進的電子元 件，具有優(yōu)異的消聲效果，可用于降低車內(nèi)噪聲、發(fā)動機噪聲，還可 以用于主動發(fā)動機支撐系統(tǒng)，以抵消發(fā)動機振動噪聲。噪聲測量技術(shù)聲級計是根據(jù)國際標準和國家標準按照一定的頻率計權(quán)和時間計 權(quán)測量聲壓級的儀器，它是聲學測量中最基本最常用的儀器，適用于 室內(nèi)噪聲、環(huán)境保護、機器噪聲、建筑噪聲等各種噪聲測量。工程機 械噪聲通常也是采用聲級計測量。聲強測量是噪聲控制領域內(nèi)出現(xiàn)的一門新技術(shù)。由于聲強是矢 量，反應了聲能傳播的大小和方向，其測量不受環(huán)境的影響。聲強測 量也屬非接觸測量，不受聲源類型的限制。通過聲強測量，不但可測 得聲源聲強級的高低，同時可識別聲源的方位，用它來識別噪聲源和 研究結(jié)構(gòu)的傳聲損失，比用聲壓法研究具有許