工程機械噪聲與控制理論問題初探

    隨著工程機械行業的迅速發展，人們對于工程機械的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴格。噪聲的控制，不僅關系到乘坐舒適性，而且還關系到環境保護。一切噪聲又源于振動，振動能夠引起某些部件的早期疲勞損壞，從而降低工程機械的使用壽命；過高的噪聲既能損害駕駛員的聽力，還會使駕駛員迅速疲勞，從而對工程機械行駛作業安全性構成了極大的威脅。噪聲控制也關系到工程機械產品的工作的平順性、耐久性和安全性。因此振動、噪聲和舒適性這三者是密切相關的，既要減小振動，降低噪聲，又要提高乘坐舒適性，保證產品的經濟性，使工程機械產品的噪聲控制在標準范圍之內。

    進入２１上世紀后，人類為了實現可持續發展，提出了工程機械的環保技術和信息技術，使工程機械發展進入了新的發展階段。歐美和日本市場對工程機械產品的噪聲實施了更加嚴格的要求。因此工程機械的環保技術和信息技術是今后國際工程發展趨勢的主流。為配合國際化戰略，以國際先進產品標準為指導，提升產品技術水平，尤其為進一步開拓國際市場，徐工產品下一步發展思路和主要目標之一就是進行節能、環保、操作舒適性等技術的研究。

　　１噪聲的種類

　　產生工程機械噪聲的主要因素是空氣動力、機械傳動、液壓三部分。從結構上可分為發動機（即燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲、發電機噪聲），發動機本體噪聲（如發動機振動，配氣軸的轉動，進、排氣門開關等引起的噪聲）。傳動系噪聲、底盤各部件的連接配合引起的噪聲，車身噪聲（發動機引起車身結構的振動，附件的安裝不合理引起的噪聲），液壓噪聲（齒輪泵，液壓閥及管路振動引起的噪聲），制動系統排氣噪聲，工作裝置動作沖擊噪聲。其中發動機及其相關件產生的噪聲占二分之一以上。因此發動機的減振、降噪成為工程機械噪聲控制的關鍵之一。

　　２噪聲要求

　　早在１９８３年，一部分國產裝載機因噪聲過高，北京市公安局不發給使用牌照，購買單位紛紛要求退貨，使工程機械生產企業受到了一次強烈的沖擊。１９８４年，機械工業部頒布了《工程機械噪聲限值》標準（ＪＢ３７７４．８４）；１９９０年國家環保局頒布了《建筑施工場界噪聲限值》標準（ＧＢｌ２５２３－９０）。在以上基礎上，參照ＩＳＯ／ＤＩＳ６３９３－６３９６：１９９５標準，１９９６年頒布了國家標準《工程機械噪聲限值》（ＧＢ１６７１０．１—１９９６），該標準規定的限值作為現階段我國工程機械產品的最低指標，是強制性標準而發布實施（比ＪＢ３７７４．１—８４有所放寬）。該標準規定了工程機械司機位置處噪聲限值為９２ｄＢ（Ａ），還規定了機外輻射噪聲聲功率級與標定功率之間的關系。分別見表１，２

　　由于西方發達國家制造業水平較高，無論是發動機，還是油泵、變速箱、變矩器等機械、液壓部件等運行噪聲較小。

　　出于對環境和對人體健康的保護，這些國家的嗓聲限值標準一直在不斷降低。歐洲噪聲限值標準于１９９７年修訂，比原標準下降４ｄＢ（Ａ），其中規定最大噪聲不得大于１１３ｄＢ（Ａ），發動機功率為１５４ｋＷ時，噪聲聲功率級限值應小于等于１０７ｄＢ（Ａ），比我國現行國家標準低１１ｄＢ（Ａ）．２００２年１月１日，歐洲標準進一步修訂，比９７年標準下降３ｄＢ（Ａ）。在日本，１９９７年１０月頒布實施的最低噪聲限值標準，比９７年歐洲標準嚴，其中規定發動機功率大于１０５ｋＷｌｔ寸，最大噪聲不得大于１０６ｄＢ（Ａ），比我國現行國家標準低１２ｄＢ（Ａ）。現在，降低工程機械產品噪聲排放限值已是全球性趨勢。

　　歐盟２０００年５月５日的頒布的“有關室外使用設備環境噪聲排放”法規規定，從２００６年１月，實施該法規第二階段噪聲排放標準，同等發動機功率設備，比１９９７年修訂的歐洲噪聲限值低２～３ｄＢ（Ａ）。具體噪聲排放標準見表３

　　３噪聲評價與噪聲的控制

　　噪聲評價指標主要是指車內、外的噪聲值和振動適應性。評價方法可分為主觀評價和客觀評價。影響汽車噪聲主觀評價的主要因素是舒適性、響度和確定性。在客觀評價時，可以采用噪聲測量裝置測量試驗進行分析；此外模擬技術中的聲場分析有限元法（ＦＥＭ）和邊界元法（ＢＥＭ）也被廣泛應用。

　　國外對噪聲研究著手較早，１９７０年美國開始對車內嗓聲特性進行研究，八十年代，美國工程力學研究所在研究車內噪聲特性預測方面做了大量的研究工作，他們系統研究了聲學模態分析的有限單元建模方法，探討了車身結構振動對車內聲場的影響以及車內聲壓對邊界振動的影響，建立了結構一聲學藕合的有限單元模型。完成了彈性邊界的聲學模態分析和車身結構受迫振動時車內聲壓分布的計算，推導出結構振動一聲壓波動在受到外界干擾力作用時的有限元計算公式，為車內噪聲預測分析打下了良好的基礎。

　　日本對工程機械噪聲的研究也非常重視，在主要傳動件噪聲得到有效控制后，深入研究不同結構形成的空氣流噪聲，并應用在新一代挖掘機等工程機械上。國內在車輛噪聲研究方面起步較晚，工程機械噪聲的分析研究則更晚。近二十年來，治理工程機械噪聲已成為許多生產廠和科研部門急需解決的重要課題。出于對舒適性的要求，國內外對車體〖駕駛室〗的振動及振動噪聲研究較多，對車外噪聲的分析研究相對較少，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，此外還有相干函數法、倒頻譜法。自７０代起，聲全息理論發展迅速，但至今未能得到廣泛應用，主要是設備昂貴，且空間分辨誤差要大于聲波的波長。聲強測量法是８０年代初在聲學測量和信號處理方面發展起來的新技術，已為人們普遍接受，由于測點太多，在我國一般廠家很難實現。近幾年，采用聲近場聲全息技術和聲壓法識別車外主要噪聲源的研究都取得了一定進展。

　　根據噪聲產生和傳播的機理，可以把噪聲控制技術分為以下三類：一是對噪聲源的控制，二是對噪聲傳播途徑的控制，三是對噪聲接受者的保護。其中對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動機部位對激振力的響應等，即改造振源和聲源。但是對噪聲源難以進行控制時，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。

　　工程機械產品的減振降哚水平與整車的熱平衡性、動力性、經濟性、可靠性及強度、剛度、質量、制造成本密切相關。

　　３．１發動機的振動與噪聲

　　降低發動機噪聲是工程機械產品噪聲控制的重點。發動機是產生振動和噪聲的根源。發動機的噪聲是由燃料燃燒，配氣機構、正時齒輪及活塞的敲擊噪聲等合成的。

　　（１）發動機本體噪聲

　　降低發動機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計發動機，選用柔和的燃燒工作過程，提高機體的結構剛度，采用嚴密的配合間隙，降低汽缸蓋噪聲。例如在油底殼上增設加強筋和橫隔板，以提高油底殼的剛度，減少振動噪聲。另外，給發動機涂阻尼材料也是一個有效的辦法。阻尼材料能把動能轉變成熱能。進行阻尼處理的原理就是將一種阻尼材料與零件結合成一體來消耗振動能量。它有以下幾種結構：自由阻尼層結構、間隔自由阻尼層結構、約束阻尼層結構和間隔約束阻尼層結構。它的采用明顯地減少了共振的幅度，加快了自由振動的衰減，降低各個零件的傳振能力，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計了一種發動機主動隔振系統，用于減少發動機振動，以達到降低噪聲的目的。

　　（２）進氣噪聲

　　進氣噪聲是發動機的主要噪聲源之一，系發動機的空氣動力噪聲，隨發動機轉速的提高而增強。非增壓式發動機的進氣噪聲主要成分包括周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、汽缸的共振噪聲等。增壓式柴油機的進氣噪聲主要來自增壓器的壓氣機。對此，最有效的方法是采用進氣消聲器。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）和復合型消聲器。將其與空氣濾清器結合起來（即在空濾器上增設共振腔和吸聲材料，）就成為最有效的進氣消聲器。

　　（３）排氣系噪聲

　　排氣系噪聲主要由排氣壓力的脈動噪聲，氣流通過氣門座時所發出的渦流噪聲，由于邊界層氣流的擾動而產生的噪聲以及排氣口處的噴流噪聲所組成。優化設計性能良好的消聲器，是降低車輛排氣系噪聲的重要手段之一。優化設計的方法有聲學有限元法和聲學邊界元法，但目前還處于起步階段。避免消聲器的傳遞特性與振動特性耦合是消聲器設計中要重點解決的一個問題。但是，降低排氣噪聲與提高動力性是相矛盾的，因為降低排氣噪聲與降低排氣背壓對排氣管直徑的設計有著相矛盾的要求，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，對于發動機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）冷卻風扇噪聲

　　冷卻風扇是噪聲的發生裝置，受到護風圈、水泵、散熱器及傳動裝置的影響，但其噪聲的產生主要取決于風扇本身結構噪聲以及與護風圈的共振。

　　３．２傳動系噪聲

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

　　３．３液壓噪聲

　　液壓系統是工程機械的重要噪聲源。現今液壓設備在向高速、高壓和大功率的方向發展，因此噪聲也必然會相應增高。一般來說，高噪聲的液壓裝置較難正常工作，甚至會影響其應有的性能和元件壽命。

　　液壓系統的主要噪聲源之一是油泵，為了降低其噪聲，一是在油泵結構設計上消除一些機械沖擊和壓力沖擊，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。

　　研究表明，液壓閥的噪聲特性主要與三個因素有關：閥的類型，閥內流體流向以及回游腔內壓力。這三個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，一是車身結構因與發動機相連引起的振動噪聲，另一方面是工作裝置在裝料、卸料工作過程中撞擊發生的沖擊噪聲。控制降低此類的基本途徑是設計采用專業的隔振器。

　　３．５其他措施

　　對工程機械產品噪聲的控制，除了在設計上使用優化方法和零件的優化選用以外，還可以對噪聲進行主動控制。這就是以聲消聲技術，原理是：利用電子消聲系統產生與噪聲相位相反的聲波．使兩者的振動相互抵消，以降低噪聲。這種消聲裝置采用極其先進的電子元件，具有優異的消聲效果，可用于降低車內噪聲、發動機噪聲，還可以用于主動發動機支撐系統，以抵消發動機振動噪聲。

　　４噪聲測量技術

　　聲級計是根據國際標準和國家標準按照一定的頻率計權和時間計權測量聲壓級的儀器，它是聲學測量中最基本最常用的儀器，適用于室內噪聲、環境保護、機器噪聲、建筑噪聲等各種噪聲測量。工程機械噪聲通常也是采用聲級計測量。

　　聲強測量是噪聲控制領域內出現的一門新技術。由于聲強是矢量，反應了聲能傳播的大小和方向，其測量不受環境的影響。聲強測量也屬非接觸測量，不受聲源類型的限制。通過聲強測量，不但可測得聲源聲強級的高低，同時可識別聲源的方位，用它來識別噪聲源和研究結構的傳聲損失，比用聲壓法研究具有許多優點。隨著電子技術、信號處理技術和計算機技術的發展，聲強測量法己成為聲學領域中一種重要的測量技術，特別是在車輛噪聲控制中得到了廣泛的應用。聲強測量主要的優點在于：

　　１）聲強法具有較好的抗背景噪聲的能力，它簡化試驗條件對試驗環境要求不高，可以方便地應用于車輛的噪聲測試分析。２）通過聲強測試分析得到的三維聲強圖和等聲強線圖等，能夠定性、定量、形象地描述車輛噪聲的聲場特性，可有效地進行噪聲源定位分析，對于改進設計提高整車的噪聲水平具有實際的重要意義。

　　參考文獻

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