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超声波塑料焊接中的噪音与控制
一、引言
超声波塑料焊接由于快捷、卫生、强度较高、控制方便而得到人们的广泛重视。通常应用的超声波塑料焊机工作频率一般为20kHz，对于小件及精密零件焊接也有采用30~40kHz,75kHz,300kHz等。尽管这些焊机的工作频率己经超过了人耳可听阈（16kHz)，但由于超声波焊接是利用高频振动来产热，这种振动势必造成低频振动的激励和谐音的产生，从而引发了人耳可听的噪音存在。研究表明，这些高频及低频振动（声音）有时会引起头疼、疲劳、甚至造成眩晕、恶心、呕吐以及听力下降等不良反应。本文综合实际的焊接研究工作探究了超声波塑料焊接过程中噪音产生的主要原因及可能的防止措施。
二、超声波塑料焊机
超声波焊接利用高频振动来获得焊接效应，那么超声的产生、传播、放大、聚焦所有声波传递过程中，所有不当的地方均会产生噪音。图1是超声波焊机的原理简图，焊机基本由电控系统、加压系统以及声学系统等组成。噪音的产生，主要集中在声学系统，还有一部分来源于加压系统。声学系统主要有换能器、变幅杆和焊头组成，换能器将电能转换成机械能、然后变幅杆放大，最后通过与焊件几何形状匹配的焊头传递给焊件。上述的机械能在焊件的接头处转化为热能，从而熔化塑料，在压力作用下形成接头。在这一系列过程中，声波传输在焊件处并没有停止，还要通过底座，所有这些声波传输都有可能是噪音的来源。

三、噪音的产生
1、声学系统自身匹配
声学系统（换能器、变幅杆、焊头）三者通过螺栓连接，要求谐振工作且阻抗匹配。但由于声学设计的粗糙性，要达到完全的阻抗匹配很难实现。目前最佳的设计是理论加经验。当三者不匹配时，在界面上将产生能量的耗散及振动的不一致性，从而产生噪音。另外在实际的设计过程中，考虑到振幅的变换、阻抗匹配，有时三者的连接尺寸不尽相同（不等径)，暴露的界面将作为一种噪音源，向空中辐射超声能量。
2、声学系统的夹持
对于超声焊接，焊接压力是一个必需且非常重要的工艺参数。首先必须有压力才能造成工件的接触和声波的耦合，更主要的是压力决定着产热、接头的强度和应力状态。一般焊接压力由机架提供，与声学系统的切入点是在声学系统的振动节点上。一般选择在变幅杆上，此点理论上振动速度为0。然而当设计不当或在焊接过程中声学系统频率随工况变化时，变幅杆的节点将会发生飘移。此时夹持点的振动速度不等于0。这样一方而降低了声传输效率，另一方而由于高频振动由夹持点导入到机架中，激励起相关的振动，从而引发噪音出现。
3、声学系统尺寸
焊头的作用是将声能有效地耦合进入所焊工件，因此它的形状与尺寸除与焊机使用频率直接相关外，还与工件上表而的几何尺寸关系密切。如电话机手柄的焊接、大环的焊接，这些焊接所需要的焊头尺寸一般均较大（大于波长的1/4)。这时在纵波传播过程中，横向振动必然被激发出来，从而产生混合振动。这种振动极易产生噪音。有时大环缝焊接的中空焊头发出的空鸣也是噪音一大来源。
4、工件的设计
工件的空间形状也影响着噪音的产生。研究发现，在焊接过程中，在超声传播的路径上若有中断现象(如图2)，将会使焊件局部产生自由端面振动，这极利于噪音的产生、另外对于薄壁件尤其是远场焊，即焊头与接头位置相距较远)，接头处不仅有纵向振动，而目还存在较大的横向位移，激发出其它谐波，带来噪音。

5、机架底座与工件固定
底座也是焊机中较为关键的部件，它的好坏直接影响到焊机的效率，同时也影响着噪音水平、在焊接过程中工件有时会发生相对滑动，这不仅影响了焊件的外观质量，而且还引起较大的噪音，因此需要较好的固定装置和弹性缓冲。尤其是对于难焊材料、使用焊接功率较大的情况下，这种振动噪音更加明显。
四、噪音的防止
噪音来源于焊机声学系统和焊件，因此为减小噪音污染需要合理的声学系统设计和接头形式设计。对于声学系统，一方而夹持点需要弹性固定，同时声学系统各部件以及各部件间需要平滑过渡;；另一方而尽量减小声学系统谐振频率的变化。对于大尺寸焊头，需要在焊头上开凿纵向狭缝，以减小横向振动带来的噪音。对于焊件，尽量减少远场焊的接头形式，同时注意尽量避免在声传输通道上出现工艺孔等。实际上最有效的减小噪音的办法是将焊机全封闭或焊接区封闭，这样可以将噪音降低几十分贝。超声波焊接是一种有效的焊接方法，但噪音问题应该引起重视。噪音的产生主要由于声学系统及焊件设计不合理造成的，因此对于声学系统应尽量采用圆滑过渡、弹性夹持、大焊头开槽等措施来减小声能向外辐射发散。对于工件应注意尽量避免声波中断或远场焊情况。在工作现场也可以通过焊机封闭或声屏蔽的方法来减小噪音污染。
制噪声的根本途径是对声源进行控制，控制声源的有效方法是降低辐射声源功率。在工矿企业中，经常可以遇到各种类型的噪声源，他们产生噪声的机理各不相同，所采用的噪声控制技术也不相同。下面根据产生噪声的物理性质不同来分别介绍其控制技术。

1.机械噪声控制技术

机械噪声是由各种机械部件在外力激发下产生振动或相互撞击而产生的。控制机械噪声的主要方法有：

提高旋转运动部件的平衡精度，减少旋转运动部件的周期性激发力;在固体零部件接触面上，增加特性阻抗不同的弹性材料，减少固体传声;在振动较大的零部件上安装减振器，以隔离振动，减少噪声传递;采用内损耗系数较高的材料制作机械设备中噪声较大的零部件，或在振动部件的表面附加阻尼，降低其声辐射效率;提高运动部件的加工精度和光洁度，选择合适的工差配合，控制运动部件之间的间隙大小，降低运动部件的振动振幅，采取足够的润滑减少摩擦力;避免运动部件的冲击和碰撞，降低撞击部件之间的撞击力和速度，延长撞击部件之间的撞击时间;用焊接代替铆接，用滚压机和风压机矫正钢板代替敲打，用无声液压或挤压代替冲压，可用压力机代替锻锤。

2.气流噪声的控制

气流噪声是由于气流流动过程中的相互作用或气流和固体介质之间的作用产生的，控制气流噪声的主要方法是：选择合适的空气动力机械设计参数，减小气流脉动，减小周期性激发力;降低气流速度，减少气流压力突变，以降低湍流噪声;降低高压气体排放压力和速度;安装合适的消声器。

3.电磁噪声的控制

电磁噪声主要是由交替变化的电磁场激发金属零部件和空气作周期性振动而产生的。

降低电动机噪声的主要措施有：合理的选择沟槽数和级数;在转子沟槽中充填一些环氧树脂材料，以降低振动;增加定子的刚性;提高电源稳定性;提高制造和装配精度。

降低变压器电磁噪声的主要措施有：减小磁力线密度;选择低磁性硅钢材料;合理选铁心结构，铁心间隙充填树脂性材料，硅钢片之间采用树脂材料粘贴。

(二)传播途径控制技术

通常由于某种技术和经济上的原因，从声源上控制噪声难以实现，这时就要从传播途径上考虑降噪措施。具体采取的方法有：

1.吸声降噪

当声波入射到物体表面时，部分入射声波能被物体表面吸收而转化成其他能量，这种现象叫做吸声。吸声降噪是一种在传播途径上控制噪声强度的方法。其做法通常是在室内墙面或顶棚面安装吸声材料。

2.消声器

消声器是一种既能使气流通过又能有效地降低噪声的设备。通常可用消声器降低各种空气动力设备的进出口或沿管道传递的噪声。例如在内燃机、通风机、鼓风机、压缩机、燃气轮机以及各种高压、高速气流排放的噪声控制中广泛使用消声器。

3.隔声降噪

隔声降噪是焊接生产常用噪声控制技术。把产生噪声的机器设备封闭在一个小的空间，使它与周围环境隔开，以减少噪声对环境的影响，这种做法叫做隔声。隔声屏障和隔声罩是主要的两种设计，其他隔声结构还有：隔声室、隔声墙、隔声幕、隔声门等，这些隔声设备只是结构不同，其隔声陌噪原理基本相同。衡量构件隔声性能好坏用隔声量表示，单位是分贝，分贝数越大构件隔声性能越好。

⑴隔声屏障 它是保护近声场人员免遭直达声危害的一种噪声控制手段。当声波在传播中遇到屏障时，会在屏障的边缘处产生绕射现象，从而在屏障的背后产生一个声影区，声影区内的噪声级低于未设置屏障的噪声级，这就是隔声屏障降噪的基本原理。目前国内大量采用各种形式的屏障降低交通噪声，这时屏障用来阻挡噪声源与受体之间的直达声。例如，某企业采用隔声屏障，经过实测表明隔声屏障内的噪声为85分贝，而隔声屏障外30米内的噪声仅为69～70分贝，下降了15～16分贝，效果十分明显。

⑵隔声罩 当噪声源比较集中或只有个别噪声源时，可将噪声源封闭在一个小的隔声空间内，这种隔声设备称为隔声罩。隔声罩是抑制机构噪声的较好的方法，它往往能获得很好的减噪效果。如老式直流焊机是强噪声设备，常常使用隔声罩来减噪。

一般机器所用的隔声罩由罩板，阻尼涂料和吸声层构成。罩板一般用1～3毫米厚的钢板，也可以用密度较大的木质纤维板。罩壳用金属板时要涂以一定厚度的阻尼层以提高隔声量，专用阻尼材料是橡胶、沥青、塑料和环氧树脂等所谓粘滞性材料，这主要是声波在罩壳内的反射作用会提高噪声的强度。因此，隔声罩在制作过程中，一定要注意其密封。最好是将声源全部密封，但这在实际中是难以做到的。

4.个人隔声防护

⑴采用小型消声器，设置在噪声出口处，对降低噪声有较好的效果。

⑵操作者佩戴隔音耳罩或隔音耳塞，可起到较好的防护效果。

⑶工作面周围可以临时设置消声材料，也有一定效果。