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    ——机械噪声识别与控制技术综述

    ——Summary of mechanical noise identification and control technology

    摘要：机械噪声由许许多多不同频率和声强的声音杂乱无章地组和而成，使人烦恼，有损身心健康，应该设法予以消除。控制机械噪声一般原则为降低机械噪声。如减小齿轮、轴承驱动电机、液压系统等噪声：改进零件结构材料，如采用新型齿轮：合理设计罩壳、盖板等薄板零件，防激振，减少噪声辐射：设计局部隔声罩：采用电子干涉消声装置降低窄频噪声。本文通过对机械噪声定义区分，简介机械噪声目前测量方法，进一步阐释其控制方法原则，论述我国目前机械噪声控制技术应用，以期在实际生产生活中减少机械噪声带来的危害。

    关键词：机械噪声识别，机械噪声测量，机械噪声控制

    Abstract: Mechanical noise is composed of many sounds with different frequencies and intensities, which is annoying and harmful to physical and mental health, and should be eliminated. The general principle of controlling mechanical noise is to reduce mechanical noise. For example, reduce the noise of gears, bearing-driven motors and hydraulic systems; improve the structural materials of parts, such as adopting new gears; rationally design thin-plate parts such as housings and cover plates to prevent vibration and reduce noise radiation; design local sound insulation covers; and adopt electronic interference silencing devices to reduce narrow-frequency noise. In this paper, the definition of mechanical noise is differentiated, the current measurement methods of mechanical noise are briefly introduced, the control principles are further explained, and the application of mechanical noise control technology in China is discussed in order to reduce the harm caused by mechanical noise in actual production and life.

    Keywords: mechanical noise identification, mechanical noise measurement, mechanical noise control

    1．机械噪声识别分类

    1.1噪声

    噪声是一种声频范围在20Hz至20kHz内，处于人体可闻域的，生活中与人息息相关的声音。物理学中认为噪声频率和强度无规律且杂乱无章地组合。生理学定义噪声是一种使人不快或不喜欢被听到的声音，该定义和美国定义相似。总之，噪声使人烦躁，厌倦，不被需要。

    频率位置不同，声压高低不同，产生噪声不同。声强大于85dB，人心理会感受到明显危害，如警车鸣笛，落地音响，飞机轰鸣声等。声音若大于140dB，超过人耳承受范围。噪声引起耳聋和听力下降。中强度噪声环境会引起人的听力疲劳，更大的噪声会引起暂时听域改变（20~30dB），声强高频会引起永久性听力偏移。噪声会引起其他疾病。

    1.2机械噪声

    机械噪声产生的原因有许多，最主要的原因是转子不平衡和轴承两方面的问题。机械噪声来源于机械部件之间的交变力（撞击力、周期性作用力和摩擦力）,由于机械振动系统的受迫振动和固有振动所引起的，固有振动起主要作用。这种噪声以振动系统的一个或多个固有振动频率为主要组成部分。如机床一般噪声源是带传动装置，引起的因素是多方面的，其中有空气动力噪声，有低频摩擦噪声，也有结构共振诱发的声辐射等。振动系统固有频率与其结构性质有关，简称结构噪声。机械力所引起的噪声中，以结构噪声最为突出。

    大型动力机械的结构噪声是大型动力机械的主要噪声源之一。机械工作时，各零件相互作用振动并传递到机械外壳。外壳振动改变空气压力，能量以振动形式向外辐射，产生噪声。结构振动辐射声能占总声能比巨大，结构噪声产生是由于零件加工精度不够或设计存在某些问题，因此，无法从根本上消除噪声。

    我国于1982年召开了第一届全国环境噪声控制工程技术会议和机电设备噪声控制技术交流会，总结噪声控制方面经验，肯定了一些机电产品如齿轮泵、圆盘锯、异步电机、轴流风机等开展降噪工作成绩。我国噪声标准已从测声压级逐渐转向测声功率级声强测量也取得成果，噪声识别技术发展较快，随机数据计算和处理技术已用于噪声识别和信号处理，对空气动力型机器消声降噪问题有新突破（陶瓷消声器、电子消声器、小孔喷注消声器和微穿孔板消声结构），对工程机械降噪工作开展有促进作用。

    2．机械噪声测量

    声学度量显示，人耳对2000~5000Hz范围最敏感，对于小于100Hz的低频不敏感，强噪声下人耳难以区分高低频。通过频谱分析，可以得知主要峰值声源信息，为噪声控制提供依据。除噪声强度和频率被测量外，还需监测噪声时间量度。不稳定噪声测量等效连续声级或不同 A 声级下暴露时间。

    声强测量是20世纪70年代末逐步实用化了的新技术。用于测量声功率级和声源识别。80~90年代，我国的噪声控制技术处于较快的发展阶段，噪声振动控制技术研究得到迅速发展，高速运输系统和工具等一些新噪声源的出现及计算机、数字处理、新材料等其他高新技术发展使噪声测试控制技术及设备研究与发展更具重要意义。随着声强测量技术在理论和实践上的进一步发展并且趋于成熟，仪器成本降低，声强法测量噪声及在噪声源识别上应用将越来越广泛。

    目前噪声的测量主要是声压级、声功率及其噪声频谱的测量。机床噪声主要是由于机件受到冲击、摩擦和交变应力的变化引起振动而产生的，变速箱噪声是机床噪声的主要噪声源。噪声不仅取决于冲击、摩擦和交变应力的变化频率（即机件的特殊设计如轴转速、轴承的直径和齿轮的齿数、模数等有关），与机件固有频率等有关。噪声信号能量分布在整个频率范围内，对噪声进行频谱分析，可从频谱图频率频率簇中找出产生原因。

    一套声压级测量仪器包括传声器、声级计、频谱分析仪、校准器等。声功率级是在特定条件下由测量声压级计算而出。一般现场测量时，主要用于机械设备的噪声评价（A声级、线性声压级等），测量环境选取被测设备周围不应有障碍物的环境，距四周墙壁不得小于2米。背景噪声（本底噪声）应低于实测噪声10dB以上，否则需修正，差值＜3dB时无效。

    为了更好地了解噪声的特性，需要知道声压级与频率之间的函数关系，需将通常时间域中的数据转变为频率域中数据，能完成这种转变的设备就是频率分析仪或频谱分析仪。噪声测量中最常用频率宽度是1/3倍频程。1/3倍频程谱有谱线少、频带宽特点。噪声频谱图通常以所选用频程的中心频率为横坐标，以对应的频带声压级为纵坐标。低频噪声指噪声频谱中最高声级分布在350Hz以下；中频噪声指最高声级分布在350-1000Hz中间；高频噪声（1000Hz以上）。

    噪声自动监测系统由全天候噪声传声器、数据传输模块、噪声控模块、远程自动校准模块、大容量锂电池或220V供电设备和配套监控软件及中心控制电脑构成。对监控噪声污染源的状态，实现远程监控及相关环保参数跟踪监测，根据远程返回的数据。噪声自动监测系统通过传感器自带接口外加数传模块实现有线或无线方式将噪声数据实时传输至中心控制远程计算机，通过接口同时传输到LED显示屏上实时显示噪声。软件自动生成噪声测量报告，工作人员不在时也可按用户要求设计相关软件达到用户定制效果。

    振动测量与模态分析实验模态最直接可应用于抑制或调整"优势模态"，以控制结构的辐射噪声。

    天津工程机械研究所和北京市劳动保护科研所负责起草的《工程机械噪声测量方法》标准和《工程机械噪声限值》标准已于1985年5月1日起贯彻执行。机械工业部重型矿山机械局指出限值标准是对工程机械的基本要求，应努力降低噪声，对尚达不到此标准的工厂应采取有效措施限期达到。此标准作为今后行业评比和产品创优的条件，是工程机械第一个噪声标准，采用了以能量为基础的声功率测量方法，较科学，精度较高。

    3．机械噪声控制技术

    3.1噪声控制原理

    改变传播路径：不同介质传播方向不同。介质分界面发生折射，衍射，反射，透射，改变声波传播方向。即使在空气中传播，随离地高度不同，昼夜温差不同使得气温变化，带来空气压强变化，也会改变声波传播方向。

    声能能量转换：声波在空气中传播时，振动质点间摩擦生热，一部分声能转换为热能。通常，高频吸收多，低频吸收少。凸曲面反射强度弱，可吸收噪音。不同材料吸收程度不同。

    3.2机械噪声控制

    控制机械噪声的一般程序：首先对机械系统噪声测试分析，根据噪声容许标准或减噪指标确定减噪量，根据技术的可行正确性、经济性、工作适用性选定控制方案，进而施工安装，鉴定隔音效果，修改安装方案，对预期降噪指标评价，国内一般习惯用A计权声压级作为评价机床噪声唯一依据。主观评价方法包括排序法、等级评分法、成对比较法、语义细分法等。

    声源控制是降噪主体，但不易操作。传播过程中控制噪声的方法有：隔声、消声、吸声、共振、屏蔽。到达接收者层面控制噪声可采用耳塞、隔离室的防护操作。噪声源控制是从生源上根治噪声，最积极最有效的措施。根据噪声频率，通过分析找出噪声的频率，通过分析找出噪声的原因。然后采取针对性的技术措施（高阻尼合金、改变传动方式等），其方法可归纳为：改进机械结构、改进工艺和操作方法、提高加工和装配精度。噪声源传播途径控制一般利用吸声隔声材料降噪；采用隔振和减震降噪声；消声器，耳罩等降噪装置设计。

    结构噪声在总噪声能中起着重要的作用。传递噪声构件能最大限度地损耗振动能量，就能有效降低噪声。多声源宽频带噪声，会在各构件的结构上作改进，研制具有大隔声特性高阻尼材料对构件进行阻尼处理。针对噪声频谱结构，设计局部（高噪声区）隔声罩，机床落差高度减少。机床噪声可分为空运转噪声和切削噪声2种。高速电主轴的噪声可利用结构设计双水外冷系统较好地解决发热、温升的问题，通过PLC变频调速技术使设备运行到额定转速。磨床磨具可加厚支架壁厚或加筋以改变支架自振频率，避免因支架共振而造成的声辐射；研制材质柔，强度高、拉伸变形小且轻而薄的，多孔编织带组织结构透气性好的高速低噪声传动带；带轮工作表面开环形排气沟槽减小空气压力突变降低空气动力噪声；磨头外围加设使用方便、隔声性能好的阻尼隔声罩；调整传动带张力传递足够的动力。

    双层次噪声控制系统，即在噪声控制工程中主动控制与被动控制结合。主动控制包括对大型动力机械的诊断消除故障性振动，加强减振隔振措施，降低声源的辐射能量，控制噪声被动控制是指通过切断噪声传播途径来控制噪声。宽频带阻抗复合吸声结构在现实大型动力机组噪声控制中有良好效果。

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