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工程机械噪声与控制理论问题初探

引言

　　随着工程机械行业的迅速发展，人们关于工程机械的舒适性和振动噪声控制的要求越来越严格。噪声的控制，不仅关系到乘坐舒适性，而且还关系到环境保护。一切噪声又源于振动，振动能够引起某些部件的早期疲惫损坏，从而降低工程机械的使用寿命；过高的噪声既能损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲惫，从而对工程机械行驶作业安全性构成了极大的威胁。噪声控制也关系到工程机械产品的工作的平顺性、耐久性和安全性。因此振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的，既要减小振动，降低噪声，又要提升乘坐舒适性，保证产品的经济性，使工程机械产品的噪声控制在标准范围之内。

　　进入２１上世纪后，人类为了实现可继续发展，提出了工程机械的环保技术和信息技术，使工程机械发展进入了新的发展阶段。欧美和日本市场对工程机械产品的噪声实施了更加严格的要求。因此工程机械的环保技术和信息技术是今后国际工程发展趋势的主流。为配合国际化战略，以国际先进产品标准为指导，提升产品技术水平，尤其为进一步开拓国际市场，徐工产品下一步发展思路和主要目标之一就是进行节能、环保、操作舒适性等技术的研究。

　　１噪声的种类

　　产生工程机械噪声的主要因素是空气动力、机械传动、液压三部分。从结构上可分为发动机〔即燃烧噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、发电机噪声〕，发动机本体噪声〔如发动机振动，配气轴的转动，进、排气门开关等引起的噪声〕。传动系噪声、底盘各部件的连接配合引起的噪声，车身噪声〔发动机引起车身结构的振动，附件的安装不合理引起的噪声〕，液压噪声〔齿轮泵，液压阀及管路振动引起的噪声〕，制动系统排气噪声，工作装置动作冲击噪声。其中发动机及其相关件产生的噪声占二分之一以上。因此发动机的减振、降噪成为工程机械噪声控制的关键之一。

　　２噪声要求

　　早在１９８３年，一部分国产装载机因噪声过高，北京市公安局不发给使用牌照，购买单位纷纷要求退货，使工程机械生产企业受到了一次激烈的冲击。１９８４年，机械工业部公布了《工程机械噪声限值》标准〔ＪＢ３７７４．８４〕；１９９０年国家环保局公布了《建筑施工场界噪声限值》标准〔ＧＢｌ２５２３－９０〕。在以上基础上，参照ＩＳＯ／ＤＩＳ６３９３－６３９６：１９９５标准，１９９６年公布了国家标准《工程机械噪声限值》〔ＧＢ１６７１０．１—１９９６〕，该标准规定的限值作为现阶段我国工程机械产品的最低指标，是强制性标准而公布实施〔比ＪＢ３７７４．１—８４有所放宽〕。该标准规定了工程机械司机位置处噪声限值为９２ｄＢ〔Ａ〕，还规定了机外辐射噪声声功率级与标定功率之间的关系。分别见表１，２

　　由于西方发达国家制造业水平较高，无论是发动机，还是油泵、变速箱、变矩器等机械、液压部件等运行噪声较小。

　　出于对环境和对人体健康的保护，这些国家的嗓声限值标准一直在不断降低。欧洲噪声限值标准于１９９７年修订，比原标准下降４ｄＢ〔Ａ〕，其中规定最大噪声不得大于１１３ｄＢ〔Ａ〕，发动机功率为１５４ｋＷ时，噪声声功率级限值应小于等于１０７ｄＢ〔Ａ〕，比我国现行国家标准低１１ｄＢ〔Ａ〕．２００２年１月１日，欧洲标准进一步修订，比９７年标准下降３ｄＢ〔Ａ〕。在日本，１９９７年１０月公布实施的最低噪声限值标准，比９７年欧洲标准严，其中规定发动机功率大于１０５ｋＷｌｔ寸，最大噪声不得大于１０６ｄＢ〔Ａ〕，比我国现行国家标准低１２ｄＢ〔Ａ〕。现在，降低工程机械产品噪声排放限值已是全球性趋势。
　　欧盟２０００年５月５日的公布的“有关室外使用设备环境噪声排放〞法规规定，从２００６年１月，实施该法规第二阶段噪声排放标准，同等发动机功率设备，比１９９７年修订的欧洲噪声限值低２～３ｄＢ〔Ａ〕。具体噪声排放标准见表３

　　３噪声评价与噪声的控制

　　噪声评价指标主要是指车内、外的噪声值和振动适应性。评价方法可分为主观评价和客观评价。影响汽车噪声主观评价的主要因素是舒适性、响度和确定性。在客观评价时，可以采纳噪声测量装置测量试验进行分析；此外模拟技术中的声场分析有限元法〔ＦＥＭ〕和边界元法〔ＢＥＭ〕也被广泛应用。

　　国外对噪声研究着手较早，１９７０年美国开始对车内嗓声特性进行研究，八十年代，美国工程力学研究所在研究车内噪声特性猜测方面做了大量的研究工作，他们系统研究了声学模态分析的有限单元建模方法，探讨了车身结构振动对车内声场的影响以及车内声压对边界振动的影响，建立了结构一声学藕合的有限单元模型。完成了弹性边界的声学模态分析和车身结构受迫振动时车内声压分布的计算，推导出结构振动一声压波动在受到外界干扰力作用时的有限元计算公式，为车内噪声猜测分析打下了优良的基础。

　　日本对工程机械噪声的研究也非常重视，在主要传动件噪声得到有效控制后，深入研究不同结构形成的空气流噪声，并应用在新一代挖掘机等工程机械上。国内在车辆噪声研究方面起步较晚，工程机械噪声的分析研究则更晚。近二十年来，治理工程机械噪声已成为许多生产厂和科研部门急需解决的重要课题。出于对舒适性的要求，国内外对车体〖驾驶室〗的振动及振动噪声研究较多，对车外噪声的分析研究相对较少，但近几年来也在逐步增加。

　　噪声治理首先要找出主要噪声源。频谱分析法是识别噪声源基本方法之一，频谱分析中除了使用幅值频谱图以外，最常用的还有功率谱图，此外还有相干函数法、倒频谱法。自７０代起，声全息理论发展迅速，但至今未能得到广泛应用，主要是设备昂贵，且空间分辨误差要大于声波的波长。声强测量法是８０年代初在声学测量和信号处理方面发展起来的新技术，已为人们普遍接受，由于测点太多，在我国一般厂家很难实现。近几年，采纳声近场声全息技术和声压法识别车外主要噪声源的研究都取得了一定进展。

　　依据噪声产生和传播的机理，可以把噪声控制技术分为以下三类：一是对噪声源的控制，二是对噪声传播途径的控制，三是对噪声接受者的保护。其中对噪声源的控制是最根本、最直接的措施，包括降低噪声的激振力及降低发动机部位对激振力的响应等，即改造振源和声源。但是对噪声源难以进行控制时，就需要在噪声的传播途径中采用措施，例如吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施。

　　工程机械产品的减振降哚水平与整车的热平衡性、动力性、经济性、可靠性及强度、刚度、质量、制造成本密切相关。
　　３．１发动机的振动与噪声

　　降低发动机噪声是工程机械产品噪声控制的重点。发动机是产生振动和噪声的根源。发动机的噪声是由燃料燃烧，配气机构、正时齿轮及活塞的敲击噪声等合成的。

　　〔１〕发动机本体噪声

　　降低发动机本体噪声就要改造振源和声源，包括用有限元法等方法分析制定发动机，选用柔和的燃烧工作过程，提升机体的结构刚度，采纳严密的配合间隙，降低汽缸盖噪声。例如在油底壳上增设强化筋和横隔板，以提升油底壳的刚度，减少振动噪声。另外，给发动机涂阻尼材料也是一个有效的办法。阻尼材料能把动能转变成热能。进行阻尼处理的原理就是将一种阻尼材料与零件结合成一体来消耗振动能量。它有以下几种结构：自由阻尼层结构、间隔自由阻尼层结构、约束阻尼层结构和间隔约束阻尼层结构。它的采纳显然地减少了共振的幅度，加快了自由振动的衰减，降低各个零件的传振能力，增加了零件在临界频率以上的隔振能力。目前，已有一些国家的专家制定了一种发动机主动隔振系统，用于减少发动机振动，以达到降低噪声的目的。

　　〔２〕进气噪声

　　进气噪声是发动机的主要噪声源之一，系发动机的空气动力噪声，随发动机转速的提升而加强。非增压式发动机的进气噪声主要成分包括周期性压力脉动噪声、涡流噪声、汽缸的共振噪声等。增压式柴油机的进气噪声主要来自增压器的压气机。对此，最有效的方法是采纳进气消声器。类型有阻性消声器〔吸声型〕、抗性消声器〔膨胀型、共振型、干涉型和多孔分散型〕和复合型消声器。将其与空气滤清器结合起来〔即在空滤器上增设共振腔和吸声材料，〕就成为最有效的进气消声器。

　　〔３〕排气系噪声

　　排气系噪声主要由排气压力的脉动噪声，气流通过气门座时所发出的涡流噪声，由于边界层气流的扰动而产生的噪声以及排气口处的喷流噪声所组成。优化制定性能优良的消声器，是降低车辆排气系噪声的重要手段之一。优化制定的方法有声学有限元法和声学边界元法，但目前还处于起步阶段。避免消声器的传递特性与振动特性耦合是消声器制定中要重点解决的一个问题。但是，降低排气噪声与提升动力性是相矛盾的，因为降低排气噪声与降低排气背压对排气管直径的制定有着相矛盾的要求，前者要求有较小的直径，而后者却相反。目前，汽车上采纳并联流路的双功能消声器，在减小背压和降低气流噪声方面颇为有效。

　　另外，关于发动机排气歧管到消声器入口的一段管路，采纳柔性管的减振、降噪效果也很显然。

　　〔４〕冷却风扇噪声

　　冷却风扇是噪声的发生装置，受到护风圈、水泵、散热器及传动装置的影响，但其噪声的产生主要取决于风扇本身结构噪声以及与护风圈的共振。

　　３．２传动系噪声

　　传动系噪声来源于变速齿轮啮合引起的振动和传动轴旋转振动。一般采用的措施是：一是选用低噪变速器，二是发动机与变速箱及后桥主减速器等部件与底盘用橡胶减振垫进行柔性连接，从而达到隔振的目的，三是控制传动轴的平衡度，降低扭转振动。
　　３．３液压噪声

　　液压系统是工程机械的重要噪声源。现今液压设备在向高速、高压和大功率的方向发展，因此噪声也必定会相应增高。一般来说，高噪声的液压装置较难正常工作，甚至会影响其应有的性能和元件寿命。

　　液压系统的主要噪声源之一是油泵，为了降低其噪声，一是在油泵结构制定上消除一些机械冲击和压力冲击，二是想办法消除由几何空间变化不均匀所造成的压力脉动。

　　研究说明，液压阀的噪声特性主要与三个因素有关：阀的类型，阀内流体流向以及回游腔内压力。这三个因素很大程度上决定了液压阀的噪声。

　　３．４车体噪声

　　车体噪声主要有两方面，一是车身结构因与发动机相连引起的振动噪声，另一方面是工作装置在装料、卸料工作过程中撞击发生的冲击噪声。控制降低此类的基本途径是制定采纳专业的隔振器。

　　３．５其他措施

　　对工程机械产品噪声的控制，除了在制定上使用优化方法和零件的优化选用以外，还可以对噪声进行主动控制。这就是以声消声技术，原理是：利用电子消声系统产生与噪声相位相反的声波．使两者的振动互相抵消，以降低噪声。这种消声装置采纳极其先进的电子元件，具有优异的消声效果，可用于降低车内噪声、发动机噪声，还可以用于主动发动机支撑系统，以抵消发动机振动噪声。

　　４噪声测量技术

　　声级计是依据国际标准和国家标准按照一定的频率计权和时间计权测量声压级的仪器，它是声学测量中最基本最常用的仪器，适用于室内噪声、环境保护、机器噪声、建筑噪声等各种噪声测量。工程机械噪声通常也是采纳声级计测量。

　　声强测量是噪声控制领域内出现的一门新技术。由于声强是矢量，反应了声能传播的大小和方向，其测量不受环境的影响。声强测量也属非接触测量，不受声源类型的限制。通过声强测量，不但可测得声源声强级的凹凸，同时可识别声源的方位，用它来识别噪声源和研究结构的传声损失，比用声压法研究具有许多优点。随着电子技术、信号处理技术和计算机技术的发展，声强测量法己成为声学领域中一种重要的测量技术，特别是在车辆噪声控制中得到了广泛的应用。声强测量主要的优点在于：

　　１〕声强法具有较好的抗背景噪声的能力，它简化试验条件对试验环境要求不高，可以方便地应用于车辆的噪声测试分析。２〕通过声强测试分析得到的三维声强图和等声强线图等，能够定性、定量、形象地描述车辆噪声的声场特性，可有效地进行噪声源定位分析，关于改善制定提升整车的噪声水平具有实际的重要意义。