沖床噪聲產生的原因、頻譜特性及傳播途徑分析

摘要：在對國內幾百臺沖床噪聲狀況進行調研和測試基礎上，參考國內外大量資料，對沖床噪聲產生的原因、頻譜特性及傳播途徑進行了全面分析，得出的規律可供制訂沖床降噪方案參考。

關鍵詞：沖床；噪聲；頻譜

一、沖床的噪聲源分析

聲波是物體在媒質中振動產生的。聲波是一種機械波，是物體的機械振動通過彈性媒質向遠處傳播的結果，產生聲波的振動系統稱為聲源。由聲波產生的機制可知，有振動產生或有空氣擾動的地方，就有聲波傳出。對沖床而言，其沖壓噪聲聲壓級一般在90～110dB之間。

沖床噪聲可分為運轉噪聲和工作噪聲。運轉噪聲是沖床空載運轉噪聲，它包括電機、皮帶、齒輪、曲柄連桿滑塊及軸承間隙、離合器等形成的噪聲。其中，主要是離合器和齒輪噪聲。工作噪聲是沖床沖壓時產生的噪聲，在相同的沖床上采用不同的沖壓工藝(如沖裁，拉深，彎曲)加工同樣材料所產生的噪聲不一致。

圖1工作噪聲歷程及聲能歷程［1］
(a)沖床工作噪聲歷程(b)聲能歷程

圖1a是實測沖床一個工作循環的聲壓歷時曲線［1］，圖中清楚地表現了離合器噪聲、卸料噪聲、凸模接觸工件的碰撞聲以及材料斷裂時發出的噪聲。可以看出：材料斷裂時發出的噪聲和離合器工作時產生的噪聲最強烈(振幅大，衰減幅度大)。圖1b是相應聲能歷時曲線［2］。其聲能表達式為：

E＝∫p2dt(1)

式中E—聲能總和，N2m-4s
p—瞬時聲壓

圖2 沖床工作時噪聲能量分布圖

圖2是沖床一個工作循環過程中，隨著時間的不同，各個頻帶的聲能分布情況。圖中的多面體表示該聲源的等效聲能的大小。由于峰值聲壓級同其頻率有關，據此可找出一些聲源的本質特性。從圖中也可看出沖裁噪聲和離合器噪聲多面體體積最大，其峰值最高。可見沖裁噪聲和離合器噪聲是沖床噪聲的兩個主要噪聲源。圖3是筆者利用分別運行法，在100kN沖床上沖裁2mm×φ30mm A3時的噪聲實測結果。

圖3 100kN沖床沖裁噪聲實測值

1.離合器的接合和脫開噪聲

沖床常用的離合器有牙嵌式、摩擦片式、轉鍵式等。其中，轉鍵式在中小噸位沖床上應用最廣，噪聲相對較高。沖床轉鍵離合器接合的實質是轉鍵與開有三個(或四個)鍵位的中套的其中某個鍵位接合。離合器接合噪聲是由一系列的撞擊所引發的，在接合過程中，存在三個主要撞擊現象［3］：

(1)轉鍵與中套間的撞擊，即穩態轉鍵與旋轉著的中套接合過程中兩者的碰撞；
(2)轉鍵與曲軸間的撞擊，即轉鍵的一側與中套間撞擊的同時，另一側在前者反作用力的作用下與曲軸沖擊；
(3)曲軸與其支承的滑動軸承間的撞擊。

圖4給出了前兩個撞擊現象所發生的位置。這些沖床構件之間的撞擊，產生了作用在大齒輪(大飛輪)及床身之上的作用力，這些作用力，是產生沖床離合器接合噪聲的根本原因之所在。

圖4兩種撞擊的發生區
1.轉鍵與曲軸的撞擊區2.轉鍵與中套的撞擊區

離合器接合噪聲的形成可用圖5來說明之。沖床在激振力F(ω)作用下，激起激振速度V1(ω)，振動能量在床身內部傳遞，當傳遞到發聲表面產生振動速度V2(ω)，使之與該表面接觸的空氣介質受到擾動而產生壓力變化P(ω)，從而輻射聲波。

圖5沖床離合器噪聲產生框圖

圖5中B(ω)、T(ω)和σ(ω)是說明系統的激振力—振動—聲轉換特性的三個重要傳遞函數。它們都是頻率的復函數。B(ω)是構件間相互作用力點的機械導納，表示振動響應與激振力之間的關系；傳遞比T(ω)表示系統的傳遞特性；輻射系數σ(ω)描述了零件發聲表面振動多大程度上轉換成聲能了。激振力與聲壓(即F(ω)與P(ω))的關系可用下式［2］表示：

P(ω)＝F(ω)．B(ω)．T(ω)．σ(ω)(2)

總之，沖床轉鍵離合器噪聲是轉鍵與中套鍵位間撞擊、關閉器與鍵尾間撞擊等一系列撞擊所引發的，這些沖床構件之間的撞擊，首先產生一次噪聲，同時，產生了作用在大齒輪(大飛輪)及床身之上的作用力，這些作用力在床身內部傳遞，當傳遞到發聲表面產生振動速度，使之與該表面接觸的空氣介質受到擾動而產生壓力變化P(ω)，從而輻射聲波。影響離合器噪聲因素有：離合器接合時受到的沖量的大小，在質量一定的條件下決定沖擊速度的高低；還與接觸材料本身的剛度和阻尼特性有關。

2.沖裁工藝噪聲

沖裁時，沖頭一旦接觸金屬板料，沖裁力開始增加。與此同時，由于機身及其它受力構件的變形而積蓄了彈性能。當沖頭進入板料約一半厚度時，沖裁力達到最大值。板材的突然斷裂使沖頭突然失荷，機身等積蓄的彈性能在極短時間內釋放出來，將激起機身及各部件的振動，使部件間產生沖擊，與此同時，滑塊以相當大的速度下沖，引起滑塊周圍空氣的壓力擾動，從而輻射噪聲。前者激發的噪聲稱振鳴噪聲，后者引起的噪聲為加速度噪聲。由分析可知，振鳴噪聲與引起機身等構件振動的沖裁力—時間歷程有關。此外，沖裁噪聲還包括板料斷裂聲、沖頭與板料的撞擊聲及兩者接觸時的空氣擠出聲共5種噪聲。

3.電動機噪聲

做為沖床的動力源，電機工作時也產生噪聲，它包括電機繞組的電磁噪聲，空氣動力噪聲及機械噪聲。電機噪聲的聲壓級與電機的功率、轉速等有關。

電機的電磁噪聲，主要是由交變電磁場相互作用激發轉子和定子振動產生的。電磁噪聲一般為高頻噪聲。電機的空氣動力噪聲主要是冷卻風扇噪聲，對于相當多的電機，冷卻風扇噪聲是主要噪聲源。機械噪聲主要包括一些旋轉運動部件的非平衡力激發產生的噪聲和一些零部件振動時產生的噪聲。

電機噪聲的聲功率級可用下式計算［4］

L＝20lgW+15lgN+k3

式中W—電機額定功率，kW
N—電機轉速，r/min
k3—信號頻率修正值

4.工作機構間隙產生的沖擊噪聲

沖床的連桿和曲軸，滑塊與連桿等連接零件組成的曲柄連桿滑塊機構中，共有三對摩擦副：曲軸軸頸與曲軸瓦；曲柄頸與連桿大頭軸瓦；連桿小頭(球頭)與滑塊球頭座。由于制造和裝配誤差以及工作本身的需要，不可避免存在間隙。這些摩擦副之間雖然都承受交變載荷，但不一定都引起強烈的沖擊噪聲。它們之間彼此的移動，可能是有接觸的移動，也可能是無接觸的自由移動。但當從自由移動過渡到接觸移動時，必然要帶來強烈的撞擊，這種噪聲頻帶寬，高頻部分強。顯然間隙越大，噪聲越高。另外，間隙一定時，滑塊行程次數越高，噪聲比例升高。

在沖床諸噪聲源中，沖裁噪聲和離合器噪聲是主要噪聲源。

5.齒輪嚙合噪聲

沖床上大小兩個齒輪在運轉過程中出現節線沖擊力和嚙合沖擊力，從而激起齒輪的嚙合噪聲。節線沖擊力是由兩輪齒嚙合時齒面摩擦力方向的改變而產生的。如圖6所示為齒輪嚙合時摩擦力的變化情況。齒輪的接觸線在嚙合過程中沿嚙合線從A向B移動。B是節點，在接觸點由A向B的移動中，速度逐漸減小，到達B點時速度為零。而在由B向C的移動過程中相對速度方向改變。因而，B點是速度方向的轉折點。由于相對滑動，因而也存在摩擦力。摩擦力的方向隨相對速度的改變而改變。所以，B點又是摩擦力方向的轉折點。節線沖擊力與傳遞力矩，齒面間摩擦系數及相對滑動速度的大小有關。齒傳遞功率越大，齒面粗糙度越大，轉速越高，齒輪的節線沖擊力就越大。

圖6漸開線齒輪嚙合圖

嚙合沖擊力是在齒輪運轉過程中所發生的齒與齒之間碰撞而產生的沖力。實際齒輪在運轉過程中要發生變形，再加上齒輪的制造安裝誤差等，使得齒輪在運轉過程中發生齒與齒之間相互撞擊而輻射噪聲。其中齒輪的轉速對其噪聲的影響最大。當轉速升高，輻射聲壓級隨之提高。若用ω1表示初始速度，ω2表示改變后的速度，則聲壓級的變化量為［4］：

ΔL＝20lgω1/ω2(3)

二、沖床噪聲的傳播途徑分析

噪聲在固態、液態和氣態媒質中傳播，并與其傳播媒質相應地分別稱為固體聲、液體聲和空氣聲。噪聲在聲源和接受者之間傳播時有直接和間接的傳播途徑之分。圖7是沖床噪聲傳播途徑框圖。聲的直接傳播是指由聲源產生的空氣聲，不經過其它媒質的中介作用，直接傳給接受者。此時聲能由于反射而發生方向變化；由于吸收而發生強度變化。如吹件噴嘴的噪聲，滑塊下落產生的空氣擠出噪聲就屬于聲直接傳播。

圖7沖床噪聲的傳播途徑框圖

聲的間接傳播是由聲源產生的聲音，首先完全地或部分地以固體聲，液體聲或空氣聲的形式在沖床機身內或車間墻壁內傳導，然后從一個有適當輻射條件的受激構件(如床身，屋頂等)以空氣聲輻射出來，傳給接受者。在間接傳播途徑中，可出現固體聲，液體聲，空氣聲以及單個構件之間的多次轉化。

三、沖床噪聲的頻譜特性分析

噪聲是由許多頻率和強度不同，成分雜亂地組合而成。聲頻范圍很廣，從低頻到高頻達到1000倍，一般不可能也沒必要對每個頻率逐一測量。為了方便和實用上的需要，通常將聲頻范圍劃分為若干個較小的段落，稱之為頻帶。頻帶的上、下限截止頻率值之差稱為帶寬。帶寬以上、下限頻率之比的對數表示，此對數值通常以2為底，單位為倍頻程，即：

f1/f2＝2ⁿ或n＝log2(f1/f2)

式中f1,f2—成倍頻程關系的上、下限截止頻率
n—兩頻率間的倍數

n可以是任意的正實數，n越小，分得越細，頻程越短，測量所需時間越多。當n＝1時，即兩個頻率相距1倍時，稱為倍頻程。當n＝1/3時稱為1/3倍頻程，依此類推。

對于倍頻程，其中心頻率范圍見表1。

表1倍頻程的頻率范圍(Hz)

聲源作簡諧振動所產生的聲波稱為簡諧波。其聲壓同時間的關系為一正弦曲線。這種只有單一頻率的聲音稱為純音，它具有單一音調的聲覺。除個別儀器和樂器發出的聲音外，單一頻率的純音是很少見的，一般聲音都是由一些頻率不同的簡單正弦式成分合成的聲波，把這種聲音稱為復音。組成復音的聲壓與頻率的關系圖稱為頻譜，也就是在頻率域上描述聲音的變化規律。不同的聲音有不同的頻譜，通常以倍頻程或1/3倍頻程等劃分的頻帶圖圖形來表示聲頻譜。噪聲是由很多不相干的簡譜波合成，在頻率域內能表現為幾個聲壓幅值相同或不相同的離散頻率圖形，其主要特征為各頻率的相角或相角差不同。由于聲波合成中幅值大的對噪聲影響也大，因此抑制這個頻率的幅值就可能達到降低噪聲的結果。所以，在探尋噪聲的發生根源和產生機理，確定其工作方案時，對噪聲進行頻譜分析是一個很重要的手段。

噪聲的頻譜分析是借助于測得的頻率域內的聲壓信號分析其頻率結構。一般是以頻率為橫坐標，主要聲學參量(如聲壓級，聲強級，聲功率級)為縱坐標的圖形。

測試時采用ND2精密聲級計，其上帶有倍頻程濾波器，它的原理是通過電子線路組成的模擬濾波器，將噪聲信號從時域轉變頻率域。其理論基礎是付里葉分析。

眾所周知，一個周期函數可以分解為一系列諧波分量，反之，把一系列諧波分量疊加起來，則可以構成一個周期函數。所以總能把一個周期為T的時變函數X(T)表達為如下的付里葉級數的無窮三角級數

x(t)＝a0+a1cos2πf0t+a2cos4πf0t+…+
b1sin2πf0t+b2sin4πf0t+…(4)

式中f0為基頻；a0，an，bn是由下列各式確定的付里葉系數：

經簡單的三角運算，式(4)可改成下式：

式中：

若設f＝nf0，則由付里葉級數表示的周期性函數可表示于Cn-f平面內，這就是函數x(t)的頻譜。同樣也可以在該平面內表示相位譜(Φn-f)。

可見，通過付里葉分析可將時域信號轉變為頻域信號。用ND2精密聲級計對噪聲進行頻率特性分析時只需將“計權網絡”開關撥置“濾波器”位置，由于在輸入放大器和輸出放大器之間插入倍頻程濾波器，轉動倍頻程濾波器的選擇開關，即可進行噪聲的頻譜分析。

筆者對北京，武漢，南京，上海等地18個工廠的275臺沖床噪聲狀況進行過調研，并對其中的15臺不同噸位沖床在不同的加工條件下的沖裁噪聲和離合器噪聲頻譜分別進行了測試，將其結果繪制成圖形，如圖8至圖13所示。分析以上各圖可得出如下規律：

圖8 不同噸位沖床沖裁噪聲頻率特性

圖9 不同材料沖裁噪聲頻率特性

圖10 400kN沖床沖裁噪聲和離合器噪聲

圖11 800kN沖床沖裁噪聲和離合器噪聲

圖12 1000kN沖床沖裁和離合器噪聲

圖13 350kN老式沖床沖裁和離合器噪聲

(1)聲壓級峰值均分布在250～2kHz之間，且小噸位沖床聲壓級峰值分布在低頻區域(250～1kHz)之間，隨著噸位的增大，聲壓級峰值向高頻段(500～2kHz)移動。這對選擇隔聲和阻尼材料有參考作用。大噸位沖床一般沖尺寸較大的工件，這樣沖裁力也大，沖床吸收的彈性變形能較大，卸載后急劇釋放引起的振動也較大，故輻射的噪聲較強，如圖8。

(2)沖裁不同材料時其沖裁噪聲差別較大。一般情況下，加工硬脆材料比軟料的噪聲聲壓級大(見圖9)。而且，沖切軟料時，倍頻程聲壓級峰值分布在低頻范圍內；而沖切硬料時，其峰值聲壓級頻率范圍一般較寬，在125～8kHz均有出現。

(3)通常沖裁噪聲聲壓級大于離合器噪聲，然而對于老式小噸位沖床卻相反，離合器噪聲比沖裁噪聲大。原因是老式沖床一般采用的是剛性離合器。