工程機(jī)械噪聲與控制理論問題初探

    隨著工程機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于工程機(jī)械的舒適性和振動(dòng)噪聲控制的要求越來越嚴(yán)格。噪聲的控制，不僅關(guān)系到乘坐舒適性，而且還關(guān)系到環(huán)境保護(hù)。一切噪聲又源于振動(dòng)，振動(dòng)能夠引起某些部件的早期疲勞損壞，從而降低工程機(jī)械的使用壽命；過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力，還會(huì)使駕駛員迅速疲勞，從而對(duì)工程機(jī)械行駛作業(yè)安全性構(gòu)成了極大的威脅。噪聲控制也關(guān)系到工程機(jī)械產(chǎn)品的工作的平順性、耐久性和安全性。因此振動(dòng)、噪聲和舒適性這三者是密切相關(guān)的，既要減小振動(dòng)，降低噪聲，又要提高乘坐舒適性，保證產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，使工程機(jī)械產(chǎn)品的噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

    進(jìn)入２１上世紀(jì)后，人類為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，提出了工程機(jī)械的環(huán)保技術(shù)和信息技術(shù)，使工程機(jī)械發(fā)展進(jìn)入了新的發(fā)展階段。歐美和日本市場(chǎng)對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的噪聲實(shí)施了更加嚴(yán)格的要求。因此工程機(jī)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(shì)的主流。為配合國際化戰(zhàn)略，以國際先進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，提升產(chǎn)品技術(shù)水平，尤其為進(jìn)一步開拓國際市場(chǎng)，徐工產(chǎn)品下一步發(fā)展思路和主要目標(biāo)之一就是進(jìn)行節(jié)能、環(huán)保、操作舒適性等技術(shù)的研究。

　　１噪聲的種類

　　產(chǎn)生工程機(jī)械噪聲的主要因素是空氣動(dòng)力、機(jī)械傳動(dòng)、液壓三部分。從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)動(dòng)機(jī)（即燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲），發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲（如發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，配氣軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)、排氣門開關(guān)等引起的噪聲）。傳動(dòng)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(dòng)機(jī)引起車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，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(dòng)引起的噪聲），制動(dòng)系統(tǒng)排氣噪聲，工作裝置動(dòng)作沖擊噪聲。其中發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)件產(chǎn)生的噪聲占二分之一以上。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的減振、降噪成為工程機(jī)械噪聲控制的關(guān)鍵之一。

　　２噪聲要求

　　早在１９８３年，一部分國產(chǎn)裝載機(jī)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(jī)械生產(chǎn)企業(yè)受到了一次強(qiáng)烈的沖擊。１９８４年，機(jī)械工業(yè)部頒布了《工程機(jī)械噪聲限值》標(biāo)準(zhǔn)（ＪＢ３７７４．８４）；１９９０年國家環(huán)保局頒布了《建筑施工場(chǎng)界噪聲限值》標(biāo)準(zhǔn)（ＧＢｌ２５２３－９０）。在以上基礎(chǔ)上，參照ＩＳＯ／ＤＩＳ６３９３－６３９６：１９９５標(biāo)準(zhǔn)，１９９６年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)《工程機(jī)械噪聲限值》（ＧＢ１６７１０．１—１９９６），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值作為現(xiàn)階段我國工程機(jī)械產(chǎn)品的最低指標(biāo)，是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)而發(fā)布實(shí)施（比ＪＢ３７７４．１—８４有所放寬）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工程機(jī)械司機(jī)位置處噪聲限值為９２ｄＢ（Ａ），還規(guī)定了機(jī)外輻射噪聲聲功率級(jí)與標(biāo)定功率之間的關(guān)系。分別見表１，２

　　由于西方發(fā)達(dá)國家制造業(yè)水平較高，無論是發(fā)動(dòng)機(jī)，還是油泵、變速箱、變矩器等機(jī)械、液壓部件等運(yùn)行噪聲較小。

　　出于對(duì)環(huán)境和對(duì)人體健康的保護(hù)，這些國家的嗓聲限值標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷降低。歐洲噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)于１９９７年修訂，比原標(biāo)準(zhǔn)下降４ｄＢ（Ａ），其中規(guī)定最大噪聲不得大于１１３ｄＢ（Ａ），發(fā)動(dòng)機(jī)功率為１５４ｋＷ時(shí)，噪聲聲功率級(jí)限值應(yīng)小于等于１０７ｄＢ（Ａ），比我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)低１１ｄＢ（Ａ）．２００２年１月１日，歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步修訂，比９７年標(biāo)準(zhǔn)下降３ｄＢ（Ａ）。在日本，１９９７年１０月頒布實(shí)施的最低噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)，比９７年歐洲標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，其中規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于１０５ｋＷｌｔ寸，最大噪聲不得大于１０６ｄＢ（Ａ），比我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)低１２ｄＢ（Ａ）。現(xiàn)在，降低工程機(jī)械產(chǎn)品噪聲排放限值已是全球性趨勢(shì)。

　　歐盟２０００年５月５日的頒布的“有關(guān)室外使用設(shè)備環(huán)境噪聲排放”法規(guī)規(guī)定，從２００６年１月，實(shí)施該法規(guī)第二階段噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，同等發(fā)動(dòng)機(jī)功率設(shè)備，比１９９７年修訂的歐洲噪聲限值低２～３ｄＢ（Ａ）。具體噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)見表３

　　３噪聲評(píng)價(jià)與噪聲的控制

　　噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動(dòng)適應(yīng)性。評(píng)價(jià)方法可分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。影響汽車噪聲主觀評(píng)價(jià)的主要因素是舒適性、響度和確定性。在客觀評(píng)價(jià)時(shí)，可以采用噪聲測(cè)量裝置測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行分析；此外模擬技術(shù)中的聲場(chǎng)分析有限元法（ＦＥＭ）和邊界元法（ＢＥＭ）也被廣泛應(yīng)用。

　　國外對(duì)噪聲研究著手較早，１９７０年美國開始對(duì)車內(nèi)嗓聲特性進(jìn)行研究，八十年代，美國工程力學(xué)研究所在研究車內(nèi)噪聲特性預(yù)測(cè)方面做了大量的研究工作，他們系統(tǒng)研究了聲學(xué)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(dòng)對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)的影響以及車內(nèi)聲壓對(duì)邊界振動(dòng)的影響，建立了結(jié)構(gòu)一聲學(xué)藕合的有限單元模型。完成了彈性邊界的聲學(xué)模態(tài)分析和車身結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)時(shí)車內(nèi)聲壓分布的計(jì)算，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)一聲壓波動(dòng)在受到外界干擾力作用時(shí)的有限元計(jì)算公式，為車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析打下了良好的基礎(chǔ)。

　　日本對(duì)工程機(jī)械噪聲的研究也非常重視，在主要傳動(dòng)件噪聲得到有效控制后，深入研究不同結(jié)構(gòu)形成的空氣流噪聲，并應(yīng)用在新一代挖掘機(jī)等工程機(jī)械上。國內(nèi)在車輛噪聲研究方面起步較晚，工程機(jī)械噪聲的分析研究則更晚。近二十年來，治理工程機(jī)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(duì)舒適性的要求，國內(nèi)外對(duì)車體〖駕駛室〗的振動(dòng)及振動(dòng)噪聲研究較多，對(duì)車外噪聲的分析研究相對(duì)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(shí)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７０代起，聲全息理論發(fā)展迅速，但至今未能得到廣泛應(yīng)用，主要是設(shè)備昂貴，且空間分辨誤差要大于聲波的波長。聲強(qiáng)測(cè)量法是８０年代初在聲學(xué)測(cè)量和信號(hào)處理方面發(fā)展起來的新技術(shù)，已為人們普遍接受，由于測(cè)點(diǎn)太多，在我國一般廠家很難實(shí)現(xiàn)。近幾年，采用聲近場(chǎng)聲全息技術(shù)和聲壓法識(shí)別車外主要噪聲源的研究都取得了一定進(jìn)展。

　　根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機(jī)理，可以把噪聲控制技術(shù)分為以下三類：一是對(duì)噪聲源的控制，二是對(duì)噪聲傳播途徑的控制，三是對(duì)噪聲接受者的保護(hù)。其中對(duì)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(dòng)機(jī)部位對(duì)激振力的響應(yīng)等，即改造振源和聲源。但是對(duì)噪聲源難以進(jìn)行控制時(shí)，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(jī)械產(chǎn)品的減振降哚水平與整車的熱平衡性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、制造成本密切相關(guān)。

　　３．１發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲

　　降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是工程機(jī)械產(chǎn)品噪聲控制的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的根源。發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲是由燃料燃燒，配氣機(jī)構(gòu)、正時(shí)齒輪及活塞的敲擊噪聲等合成的。

　　（１）發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲

　　降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，選用柔和的燃燒工作過程，提高機(jī)體的結(jié)構(gòu)剛度，采用嚴(yán)密的配合間隙，降低汽缸蓋噪聲。例如在油底殼上增設(shè)加強(qiáng)筋和橫隔板，以提高油底殼的剛度，減少振動(dòng)噪聲。另外，給發(fā)動(dòng)機(jī)涂阻尼材料也是一個(gè)有效的辦法。阻尼材料能把動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能。進(jìn)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(dòng)能量。它有以下幾種結(jié)構(gòu)：自由阻尼層結(jié)構(gòu)、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(dòng)的衰減，降低各個(gè)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(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)隔振系統(tǒng)，用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，以達(dá)到降低噪聲的目的。

　　（２）進(jìn)氣噪聲

　　進(jìn)氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一，系發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)。非增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲主要成分包括周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、汽缸的共振噪聲等。增壓式柴油機(jī)的進(jìn)氣噪聲主要來自增壓器的壓氣機(jī)。對(duì)此，最有效的方法是采用進(jìn)氣消聲器。類型有阻性消聲器（吸聲型）、抗性消聲器（膨脹型、共振型、干涉型和多孔分散型）和復(fù)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(shè)共振腔和吸聲材料，）就成為最有效的進(jìn)氣消聲器。

　　（３）排氣系噪聲

　　排氣系噪聲主要由排氣壓力的脈動(dòng)噪聲，氣流通過氣門座時(shí)所發(fā)出的渦流噪聲，由于邊界層氣流的擾動(dòng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的方法有聲學(xué)有限元法和聲學(xué)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(dòng)特性耦合是消聲器設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)解決的一個(gè)問題。但是，降低排氣噪聲與提高動(dòng)力性是相矛盾的，因?yàn)榻档团艢庠肼暸c降低排氣背壓對(duì)排氣管直徑的設(shè)計(jì)有著相矛盾的要求，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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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。

　　（４）冷卻風(fēng)扇噪聲

　　冷卻風(fēng)扇是噪聲的發(fā)生裝置，受到護(hù)風(fēng)圈、水泵、散熱器及傳動(dòng)裝置的影響，但其噪聲的產(chǎn)生主要取決于風(fēng)扇本身結(jié)構(gòu)噪聲以及與護(hù)風(fēng)圈的共振。

　　３．２傳動(dòng)系噪聲

　　傳動(dòng)系噪聲來源于變速齒輪嚙合引起的振動(dòng)和傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。一般采取的措施是：一是選用低噪變速器，二是發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱及后橋主減速器等部件與底盤用橡膠減振墊進(jìn)行柔性連接，從而達(dá)到隔振的目的，三是控制傳動(dòng)軸的平衡度，降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

　　３．３液壓噪聲

　　液壓系統(tǒng)是工程機(jī)械的重要噪聲源。現(xiàn)今液壓設(shè)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(huì)相應(yīng)增高。一般來說，高噪聲的液壓裝置較難正常工作，甚至?xí)绊懫鋺?yīng)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(shè)計(jì)上消除一些機(jī)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(dòng)。

　　研究表明，液壓閥的噪聲特性主要與三個(gè)因素有關(guān)：閥的類型，閥內(nèi)流體流向以及回游腔內(nèi)壓力。這三個(gè)因素很大程度上決定了液壓閥的噪聲。

　　３．４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(dòng)機(jī)相連引起的振動(dòng)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。控制降低此類的基本途徑是設(shè)計(jì)采用專業(yè)的隔振器。

　　３．５其他措施

　　對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品噪聲的控制，除了在設(shè)計(jì)上使用優(yōu)化方法和零件的優(yōu)化選用以外，還可以對(duì)噪聲進(jìn)行主動(dòng)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(dòng)相互抵消，以降低噪聲。這種消聲裝置采用極其先進(jìn)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(dòng)機(jī)噪聲，還可以用于主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐系統(tǒng)，以抵消發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲。

　　４噪聲測(cè)量技術(shù)

　　聲級(jí)計(jì)是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)按照一定的頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)測(cè)量聲壓級(jí)的儀器，它是聲學(xué)測(cè)量中最基本最常用的儀器，適用于室內(nèi)噪聲、環(huán)境保護(hù)、機(jī)器噪聲、建筑噪聲等各種噪聲測(cè)量。工程機(jī)械噪聲通常也是采用聲級(jí)計(jì)測(cè)量。

　　聲強(qiáng)測(cè)量是噪聲控制領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的一門新技術(shù)。由于聲強(qiáng)是矢量，反應(yīng)了聲能傳播的大小和方向，其測(cè)量不受環(huán)境的影響。聲強(qiáng)測(cè)量也屬非接觸測(cè)量，不受聲源類型的限制。通過聲強(qiáng)測(cè)量，不但可測(cè)得聲源聲強(qiáng)級(jí)的高低，同時(shí)可識(shí)別聲源的方位，用它來識(shí)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多優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，聲強(qiáng)測(cè)量法己成為聲學(xué)領(lǐng)域中一種重要的測(cè)量技術(shù)，特別是在車輛噪聲控制中得到了廣泛的應(yīng)用。聲強(qiáng)測(cè)量主要的優(yōu)點(diǎn)在于：

　　１）聲強(qiáng)法具有較好的抗背景噪聲的能力，它簡化試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求不高，可以方便地應(yīng)用于車輛的噪聲測(cè)試分析。２）通過聲強(qiáng)測(cè)試分析得到的三維聲強(qiáng)圖和等聲強(qiáng)線圖等，能夠定性、定量、形象地描述車輛噪聲的聲場(chǎng)特性，可有效地進(jìn)行噪聲源定位分析，對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)提高整車的噪聲水平具有實(shí)際的重要意義。

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