淺談低噪聲機械結構設計

張東 馬超群 李現亭 高飛 李宇輝

摘 要：機械噪聲的高低，在一定程度上影響著人們的健康與安全。為了優化機械的作業環境，應采取科學的措施，實現機械噪聲的有效控制。文章對低噪聲機械結構設計的常見方法、注意事項進行了分析，并探討了低噪聲機械結構設計的應用思路，以供借鑒、參考。

關鍵詞：機械;噪音;結構設計

伴隨著市場經濟的迅速發展，當前人們對生活質量的要求越來越高。噪聲污染是現代社會中的主要污染之一，影響著人們的生活質量。鑒于此，加強對噪聲的研究與控制，已經成為機械設計中不可或缺的內容。

1 低噪聲機械結構設計的常見方法

1.1改變振動源

機械的噪聲，通常是來自于振動源，振動源會發出頻率較高的振動能量，振動能量可以在機械中的零件中進行轉換，以振動的形式，實現能量的傳播，使得機械殼體表層發出噪聲。但是，一些機械的振動源產生的聲壓級效率、輻射等相對較低，使得音頻能量包含在基本能量中，所占比例相對較小?；谶@樣的情況，為實現對機械噪聲的有效控制，可以采取改變振動源的方法，以降低機械噪聲頻率。但是，采取這樣的方式，可能會導致機械無法順利運轉，還會使機械設備的工作效率出現一定的下降。因此，通過改變或者是控制振動源來控制機械噪聲的方式，有待進一步研究、優化。

1.2控制傳播途徑

機械的振動源產生的高頻能量，有著十分廣泛的傳播途徑，既可以通過框架、連桿進行傳遞，也可以通過聲學空間進行傳遞。因此，為實現對機械噪聲的有效控制，可以采取控制傳播途徑的方法。例如，可以通過振動源接住能量的反射，并利用阻尼來隔除噪聲。但是，對這種控制噪聲的方法進行分析發現，耗散組件可將阻尼單元為依據，連桿上的載荷質量則是以阻抗單元或不具連續性的反射單元為依據。但結構所有結合部位的阻尼較多，所以在機械中加入阻尼的效果不大。結構鑄件主要由蓋板、殼體組成，鑄鐵中包含大量具有良好韌性的石墨，同時也有著較高的消振性。通過優化加工過程、控制原材料質量，可以提高結構鑄件的剛度、重量，同時也能提高機械的頻率，避免撓頻基頻與固有頻率的重合，從而避免共振現象給降噪效果帶來的不利影響。

1.3改變輻射表層

機械結構鑄件的開口、工作面等部位，可作為輻射表層，機械輻射表層會由于機械各運轉機構的作用而產生振動，制造噪聲。面對這樣的情況，可采取涂加阻尼、應用消音材料的方法，來改善輻射表層的噪聲。除此之外，也可以通過改變輻射表層的剛度、重量，來控制噪聲。

2 低噪聲機械結構設計的注意事項

2.1安排專業人員負責

以往為了實現對機械噪聲的有效控制，通常需要找出產生噪聲的零件，然后對零件進行密封處理，以控制噪聲。如果排氣管中安裝了消聲器，則可借助消聲器進行消聲。此外，還可以將彈簧當作機械設備的托放點，或者是在機械表層涂抹消聲材料，來減弱振動帶來的噪聲。采取這些方式可以有效降低噪聲的強度，但對工作人員的專業能力有著較高的要求。因此，低噪聲機械結構設計中，應安排專門人員負責，以確保設計的合理性。針對機械的噪聲問題，不可直接將其與振動劃等號，有些機械的振動，是由輻射聲波所導致的，此類振動人們是感覺不到的，為了掌握機械的振動規律，應安排專門人員采用專業設備、專業手段進行待查、解決。開展低噪聲機械結構設計時，應全面考慮機械的實際情況，確保設計的科學性。

2.2盡可能地降低成本

是否經濟合理是低噪聲機械結構設計中必須考慮的一個問題。但是，低噪聲機械結構設計中，存在無法分攤成本的現象。如，對機械進行降噪處理時，需要在罩蓋上打孔，其成本包括打孔費用、鉆孔工具的使用費用等。但罩蓋打孔后產生輻射與噪聲的面積會縮小，噪聲也會有所減輕，降噪工作中使用的降噪物會減少，機械的通風性能也會得到提高。罩蓋打孔后，罩殼使用的材料減少，殼體的成本會降低。但是，這并不代表低噪聲設計可以百分百地降低機械的成本。上述例子僅針對單臺機械的成本，同時低噪聲設計中也有可能出現突發情況，一旦出現突發情況，則整條生產線便會發生改變，這種情況下的成本是無法準確計算的。雖然低噪聲設計的降噪成本不能進行具體分攤，但在掌握機械噪音的來源、傳播途徑、輻射原理的基礎上，將低噪聲設計有機融入到機械設計全過程中去，便可以減弱噪聲對機械可使用性的影響，控制降噪帶來的成本。

3 低噪聲機械結構設計的應用思路

3.1低噪聲設計與其他設計的結合

低噪聲機械結構設計的工作量較大，在機械設計全過程中有機融入低噪聲設計，無疑會延遲新產品的問世時間，但如果將低噪聲設計與其他設計聯系起來，發揮協同作用，便可以在降低機械噪聲的同時，確保運行效率。根據材料科學理論，機械結構部件的原料為非金屬材料的時候，可以有效減輕機械的噪聲。因此，針對機械中的齒輪、滑輪等，可采用塑料進行制作，相比較于金屬齒輪，塑料齒輪的寬松性較好，但精準性、穩定性不高。因此，有必要加強對新材料的研發與使用。例如，某汽車公司使用了新材料靜音鋼鐵，使得汽車的噪聲、振動得到了減輕。這便是低噪聲設計與其他設計有機結合的典型案例。

3.2提高固有頻率

機械結構、機械頻率中，如果固有頻率趨于相近或者是變得相等的時候，機械結構的動剛度會降低，與其匹配的振幅則會大幅度上升且出現高峰值，部件在此時突發振動，產生共振現象。零件有了固定的大小及形狀的情況下，其頻率也可以被確定。通常情況下，零件的固有頻率不是單值，而是會隨著振動方向的改變而發生變化，即使振動方向一致，其振動模態的固有頻率也不是只有一個。但是，因為固有頻率的高頻時間不長，因此基頻持續時間相對更長。通過觀察機械結構，可以看到，通過組裝不同的零件，便能得到不同的約束條件，約束條件不同，零部件的固有頻率也有明顯的差異。一旦機械結構出現改變，則部件的固有頻率也會發生變化，從而在一定程度上改善共振現象。但是，結構的改變往往是涉及到機械重量、材料成本等多個層面的共同作用。為提高固有頻率，可采取增加鑄件剛重比的方法，即減少相關區域的材料，同時增加另一相關區域的材料。

3.3輻射面的優化

機械的表層通常具有輻射面，為提高機械的降噪效果，應采取有效的措施，解決輻射面帶來的影響。低噪聲機械結構設計中，針對機械的運動部件，應采取有效措施，避免其發生碰撞，控制機械與運動部件的平衡度，提高運動零件之間相互接觸的可能性，改善齒輪結構及型式的配對情況。借助傳播途徑來控制噪聲的方法包括提高內部噪聲的吸收能力、對軸進行隔振等。針對殼體表層涵蓋的聲輻射，可采用取消蓋板、涂加阻尼材料的方法予以改善。

4 結語

綜上所述，低噪聲機械結構設計中，可采取改變振動源、控制傳播途徑、改變輻射表層等方法，并要注意安排專業人員負責、盡可能地降低成本。實際應用低噪聲機械結構設計時，可以將低噪聲設計與其他設計結合起來、提高固有頻率、優化輻射面等，從而有效控制機械噪聲，確保降噪效果。

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