噪声与振动控制技术及在生产实践中的应用案例

1、噪声与振动控制技术及在生产实践中的应用案例一.噪声1噪声概述物体的振动产生声音。例如，人的讲话声來自声带的振动、各种机器运转中发出的噪声來源于机械结 构z间的撞击和摩擦。我们把能够发声的物体叫做声源。声源可以是固体，也可以是流体，流噪声主要是 由于流体本身的剧烈运动引起的。例如，飞机在飞行过程屮产生的流噪声就是典型的流体发声。声源发出的声音必须通过介质才能传播出去，按照固体、空气、水等传播介质的不同，声音可划分为结构 声、空气声、水声等类型。在噪声控制中，人们普遍关心的是空气声和水声，其中工业噪声控制中空气声 是最主要的。所谓噪声，就是人们不需要的声音。噪声冇的是自然现彖引起的，而冇的则是人为

2、活动造成的。随着 工业生产和交通运输的迅猛发展，噪声源越來越多，所发出的噪声也越來越强，我们生存的环境越來越严 巫地受到噪声的污染。噪声控制的h的就是耍获得适当的声学环境，把噪声污染限制在可容许的范围内。 木章主要介绍儿种主要的声波形式和典型声源及其声辎射特性，它是噪声控制的重要基础。2噪声控制的一般步骤噪声污染是一种物理性污染，它的特点是局部性的和无后效应的。声源停止辐射，噪声污染就消失了。在任何噪声环境中，声源发出噪声并向外界仙射的过程可以用示意图简单描述。噪声源传播轄接收者噪声传播示意图噪声源、传播途径和接收者3个环节是噪声控制中必须考虑的，和应的措施包括：声源控制、传播途径 控制和保护

3、接收者3个方面。声源控制是噪声控制中最根本和最有效的手段，也是近年来最受重视的问题。研究各种声源的发生机理、 控制和降低噪声的发生是根本性措施。h前在声源的控制上主要采用两种办法：一是改进设备结构，提高 加工和装配质量，以降低声源的辐射声功率；二是利用声的吸收、反射、干涉等特性，采用吸声、隔声、 减振等技术措施控制声源的声辐射。采用不同的控制方法，可以收到不同的降噪效果，通常可以降低噪声。传播途径中的控制是最常川的方法，因为当机器或工程u经完成后，再从声源上来控制就受到限制了，但 从声的传播途径上控制却是大仃可为、效果明显。这方面的方法有很多，如隔声、隔振处理以及隔声屏障、 隔声间的使用等都是

4、冇效措施；吸声处理也是一种冇效措施。对传播途径的处理实质上就是増加声在传播 过程中的衰减，减少传输能量。对接收者的保护也是一个重耍手段，是环境保护的h标。接收者可以是人，也可以是灵敏的设备（如 电子显微镜、激光器、灵狼仪器等）。工人可以佩带护耳器（如耳罩或耳塞）或在隔声间操作等加以保护; 仪器设备可以采取隔声、隔振设计等手段加以保护。二振动1振动概述声音的本质就是气体、液体、i卉i体介质中的质点振动，声音的产生和传播都离不开介质的力学振动行 为。一阵微风吹來，人们就会听到树叶运动而发出“沙沙”的响声。音乐家轻轻拨动琴弦，捉琴就会发出 美妙的曲调。医生将听筒的一端置于病人的心脏部位，就能从另一端

5、接听到心脏“咙咙”跳动的声音。这 些都是振动产生和传播声音的例子。声冇冇利的一面，也冇冇害的一面。人们把不和谐的、令人反感的声 音称为噪声。耍抑制噪声的发生和传播，就必须了解噪声产生的原因和传播的规律，也就必须貝备振动某 本知识。在我们生活的这个世界上，振动现象是无处不在的。世界上所有的物质都处在运动中，运动的方式千 姿百态，而振动就是物体运动的一种i分重要和特殊的形式。物体在振动过程屮，某些物理量（比如位移、 速度、加速度、电流、压力等等）时大时小，发生周期性变化。比如钟摆的周期性摆动、气轮机主轴和叶 轮在周期旋转过程中由丁微小的偏心而产生的振动、汽乍在凹凸不平的路而上行驶受到路而不断激励所

6、发 生的振动、高层建筑在风力作用下发生摇摆振动，等等。2振动控制过程概述振动控制过程与噪声控制类似，但比较复杂。从不同的观点出发，已形成不同的控制分类方法，但受 到普遍巫视口广泛采用的振动控制方法如卜-图所示。振动控制过程示意图1. 控制振动源振动，即消振。消除或减弱振源，这是最彻底和最冇效的办法。因为受控对彖的响应是山振源激励引起的，外因消除 或减弱，响应自然也消除或减弱。如改善机器的平衡性能、改变扰动力的作用方向、増加机纽的质量、在 机器上装设动力吸振器等。这里要特别强调的是一定耍控制共振。共振是振动的一种特殊状态，当振动机械所受到的扰动力的频 率与设备固冇频率相一致的时候，就会使设备振动

7、得更加丿万害，共至起到放大作用，这种现象称为共振。2. 隔振。使振动传输不出去，从而不会造成影响。通常是在振源与受控对彖z间串加一个子系统來实现隔振， 川以减小受控对象对振源激励的响应，这是一个应川非常广泛的减振技术。具体说來，可以彳j以下儿种方法实现隔振：1) 采用大型基础，这是最常用和最原始的办法；2) 防振沟。在机械振动基础的四周开冇一定宽度和深度的沟槽，里而填以松软物质(如木屑、沙子等)， 用來隔离振动的传递。3) 采川隔振元件，通常在振动设备f安装隔振器，如隔振弹簧、橡胶热等，使设备和基础之间的刚性 连接变成弹性支掾。3. 吸振，又称动力吸振。在受控对彖上附加一个子系统使得某-频率的

8、振动得到控制，称为动力吸振，也就是利用它产生吸振 力以减小受控对彖对振源激励的响应，这种技术应用也卜分广泛。4. 阻振，又称阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能罐使响应最小，也常用外加阻尼材料的方法來增大 阻尼。阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减；还可减弱共振频率附近的振动。阻尼材料是具冇内损耗、内 摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及其它高分子涂料。5. 修改结构。这是一个高技术手段，目前非常引人注目。它实际上是通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满 足预定的要求，不需要附加任何子系统的振动控制方法。所谓动力学特性参数足指影响受控对象质最、刚 度与阻尼特性的那些参数，如惯性元件的

9、质量、转动惯量及其分布等。除上述z外，也冇按要否能源、将振动控制分为无源振动控制与冇源振动控制，前者乂称为被动振动 控制，厉者乂称为匸动振动控制。主动振动控制包括开环控制和闭环控制，技术上难度大，目前发展比较迅速。但它的理论与技术已大 大超出本课程的范围，这里不予赘述。三.应用案例风机噪声与振动控制1前言位于城市生括区和实验室中的风机在运行中产生的噪声严重地污染了环境，影响了人们的工作、学习 和休息。我们通过对电除尘器模拟实验系统的风机的降噪治理，对风机噪声的控制进行了研究。该系统配有风机一台(功率13kw,转速2900r / min,压头302mmh2o(lmmh2o=9. 80665pa)

10、,经实测, 风机近声场噪声高达112. 5db(a),远远超过了我国卫生部和国家劳动总局1979年批粧颁发的规定，即工 业企业的生产车间和实验室等作业场所的噪声标准为80db(a),绘髙不得超过85db(a)。为了改善噪声对实 验室内环境的污染，我们对该风机进行了隔振和消声治理。治理后使室内噪声级从112.5db (a)降至78db (a), 治理效果达到了设计目的。2风机噪声特性分析从风机产牛噪声的机理和机组向外辎射的噪声來分析，风机运转时主耍产牛以卜-儿种不同类型的噪声:由于风机运转而引起的振动所造成的固体声。(2) 风机运转时机壳轴承联轴节等发出的机械噪声。(3) 由于气流通过风机尺寸不

11、一致的进、出口时发生压力变化引起气体脉动而造成的气流噪声。在上述噪声中，其中以气流噪声占主导地位，也是治理重点，其次是机座传递的固体声,在对风机进 行噪声控制时应主要考虑这两部分噪声的影响。3隔振设计风机基于加工、制造和安装上的原因，其旋转部件鬲速旋转时，不平衡质量产生的振动重危及风机的 正常运行，轻则造成噪声污染。为了减小振动能量传递，降低因振动而产生的噪声，在风机安装前对风机 垒座采取以下隔振设计技术措施。3. 1质量隔振质量隔振，即参考风机外形尺寸（mm）： 1000x400x800,设计了一个较大的混凝土基朋（mm）：1400x 1400x1400,在基座上安装风机，以减少风机的振动。

12、3. 2隔振垫为了达到更好的减振降噪效果，我们将风机与基座的接触面垫了 20ram厚的橡胶建，使风机与基座无 刚性接触，以便消减其振动幅度，从而达到降低固体声的目的。3. 3防振沟为了防止振动波沿地面传播，在基座典周挖了防振沟，淘内充填成本低廉的木屑沙。具体结构见图1。图1风机基础土建图（尺寸单位：mm）4噪声测量与分析4. 1噪声的测量为了掌握隔振后风机噪声级的大小和室内噪声分布特点，找出该风机噪声的主要频率成分和类型，以 便设计合理的消声装置，我们使用nd2精密声级计，按照噪声测量标准对运行状态下的风机近声场（测点距 风机 伽，高伽）和实验工作位置的噪声声级与频谱及环境噪声进行了测量。测点

13、布置见图2所示，测量 结果见表1（治前）和表2（治前）。从表1数据可看出，隔振后（即风机消声装置安装前）离风机外壳im处的噪声级为102db（a）,与没做 隔振处理前相比噪声降低10.5db （a）。表1风机消声装置安装前后羞内噪声测量结果戌1214567891011121314a声级9796.59696.59796.59797.501101102102.5102.5101db(a»74.5747474 57574.575 576.577 576.5797878.5774. 2噪声特性分析从风机附近及工作位置的噪声可看出该室噪声仍普遍偏高。为了进一步拿握风机噪声的成分及噪声的 传播特

14、性,以便找出关键噪声控制措施，我们对风机近声场的噪声进行了倍频程频谱分析，如图3曲线1 所示。11031125 立50 500 1000 2000 4wx>8000 】6000频率(hz)从图3可看出,风机的频谱峰值大致集中在31. 5hz2khz,而在500hz频率处出现峰值，其原因是 由于风机叶片在高速旋转时与空气相対运动产牛的旋转噪声所致。风机旋转噪声的主耍峰值频率可由下式 计算：f =485 (hz)60式中n-叶轮转数，2900r / min；z叶片数，该风机为10片爲因此可证实500hz频率出现的峰值和风机叶片的通过频率一致，即风机的主要噪声是旋转噪声通过以上测试分析，找出了

15、该风机噪声呈中频的特点和峰值频率，为消声器选烈设计提供了可靠依抑:。5噪声控制设计为便于加工和安装检修方便，该风机消声装置设汁为拼装式，即对风机入、出口设计了相应的消声器, 对风桃本体采用隔声罩，如图4所示。出二消芦盖a76c图4噪声控制装置示意图5. 1风机出、入口消声器的设计(1)结构设计为了有效治理出、人口处的气流噪声，根据降噪要求和噪声的特点，设计了直管阻抗复台消声器。设 计消声器罩进风面积为气流通道面积的1.2倍。消声器长1100mm,外径760mm,内径360mm,-具体结 构如图5所示。图5出、入口消声器结构示意图a 穿孔扳(人口管道打孔,开孔6,三角形排列，开孔率25%)b超细

16、驻璃棉，吸声容重20kg / m3c玻璃纤维包扎布d木屑层e0.5mm镀锌板，开孔1,开孔率1%f空气腔g 护罩钢板。厚15mm孔板固冇频率的计算在设汁穿孔板吸声结构时，耍保证孔板固有频率与风机扰动频率慕本一致，才能发生共振吸声作用。该风机噪声峰值频率为485hz,孔板设计采用0.05cm镀锌板开孔g 开孔率1%,其固有频率为0.01(0.05+0.8x0.1)x10475 (hz)式中c声速(常温下取3400cm / s)；p穿孔率，；“孔径有效长度，cm：jlk二t+08d ；t 钢板厚度，cm；d空气舲宽度，cm。吸声材料的选择目前使用的吸声材料种类较多，阻性消声器最常用的吸声材料是超细

17、玻璃棉。木设计采用容重为20kg /亦的超细玻璃棉及木屑。玻璃棉这种吸声材料具冇较好的吸声特性，木屑不但冇较好的吸声特性，而且 乂经济，隔振设计采用了木屑，证实吸声降噪效果较好。消声器消声量的确定微穿孔板消声器的设计方法与阻性消声器基木相同。不同之处在于用微穿孔板吸声结构代替了阻性吸 声材料，其消声量和单一阻性消声器消声量计算方法相同，也用彼洛夫公式进行计算,所以该微穿孔扳阻 性组合式消声器的消声量约是单-阻性消声器消声量的2倍，即al=¥(a0)x px-x2=13x2=26(db)s式中：!_为消声辭消声量，db； s为气流通道横截面积，m2；屮(q。)为消声系数查表超细玻璃 棉

18、厚10cm,容重20kg/n?,频率约为500hz时吸声系数为0 85,则消声系数为1.2； p为气流通道断面的 周长，m； l为消声器长度，m。(5)消声器的柔性安装为了隔绝机械噪声的传递，出、入口消声器与本体连接采用非刚性连接。具体做法是在距风机本体 250mm的气流通道处设i|' 30mm缝隙然后用帆布衔接，缝隙两端的管端焊6钢筋扌当檐，用來固紧帆布。 帆布外缠数圈玻璃布后覆盖玻璃棉，这样的结构不但加工简便而且隔音效果好。5. 2本体隔声罩的设计为了抑制风机的机械噪声，对本体施加了隔声罩。根据风机外形尺寸(mm)：1000x400x800,设计隔声罩尺寸为(mm)： 1400x7

19、60x 1000o为防止低频激励薄板产生仃损隔声的共振现象，增加了隔声板强度， 在罩板罩壳钢板四周上下侧加焊了尺寸(mm)为20x20x2的三角铁骨架。为便于施丁及节省材料费用，隔 声罩吸声层上下采用超细玻璃棉，吸声层屮段采用本屑。为了提高隔声量，在罩壳内农而涂了厚3mm的 mh型阻尼胶，阻尼胶分两次涂抹。为了保证降噪效果，隔声罩所有刚性部件连接均采用橡胶梨软性连接， 保证了良好的密封性，减少了隔声罩的漏声问题。具体结构如图6所示。a b cd e f图6隔声罩壁结构示意图a风机本体b容重20kg / n?超细玻璃棉及木屑c纤维板d厚1mm穿孔扳开孔4,开孔率3%e空气腔f一厚1.5mm护罩钢板通风冷却是一个重要环节。一般机器配冇动力源，加罩以后的散热问题应在设计中一并考虑，必要时 应采取通风冷却。根据该风机的具体情况（一般运行i2h/d）,采用了自然通风冷却法。6. 降噪效果为了解控制噪声设计的实际效果，消声措施实施后对风机噪声进行了测量（使用仪器及测点位置同前）, 测点噪声频谱及a声级见表1（治后）和表2（治后），频谱图如图3曲线ii所示。从表1,表2不难看出与实施消声措施前相比：室内各测点a声级降低约2125d