工程機械噪聲控制技術

隨著工程機械行業的發展,工程機械的噪聲成為影響工程機械質量的重要原因之一。為了探討工程機械的噪聲控制技術,分析了工程機械噪聲來源,認為工程機械的噪聲來源復雜,采取綜合降噪措施可以有效控制工程機械噪聲。
0引言
     隨著工程機械行業的迅猛發展,人們對工程機械的綜合性能提出了更高的要求,節能環保成為重要的研究內容。與普通車輛相比,工程機械噪聲對環境的污染尤為嚴重。
近幾年,中國工程機械發展迅速,縮短了與國外產品的差距,產品質量和可靠性得到大幅提升。但嚴峻的事實是,與發達國家相比,中國國家標準規定的工程機械噪聲限值普遍較高。如何有效控制工程機械噪聲,成為與國外產品競爭的一項重要內容。
1工程機械噪聲現狀 
     噪聲作為一項重要的環境污染源,日益受到人們的關注,出現了相應的強制性標準,產品噪聲水平成為評價產品質量的一項強制性指標。
     工程機械行業的迅速發展,使對工程機械已不再是簡單的要求作業效率和可靠性這些指標,特別是國內工程機械產品對歐美地區出口量的逐年增長,社會發展和用戶群對于工程機械產品的舒適性和振動噪聲控制的要求越來越嚴格。過高的噪聲不但使駕駛員迅速疲勞,從而對工程機械產品行駛安全性構成威脅,過大的機械噪聲還嚴重影響周圍環境。
1.1與發達國家相比,中國國家標準限值較高
     1996年,中國頒布了國家標準《工程機械噪聲限值》(GB16710.1-1996),該標準規定了工程機械司機位置處的噪聲限值和機外輻射噪聲聲功率級與標定功率間的關系,如規定標定功率130~160kW時的噪聲聲功率級≤118dB(A)。其他國家標準或行業標準也對工程機械產品的噪聲進行了限定,比如,2005年發布的國家標準《壓路機通用要求》(GB/T13328-2005)規定了壓路機的噪聲限值。  
     與中國相比,發達國家的國家標準規定更為嚴格。如,2002年歐洲修訂的標準噪聲限值規定發動機功率為154kW時的噪聲聲功率級≤104dB(A),比中國國家標準規定低14 dB(A)。
1.2與發達國家相比,中國噪聲研究較晚,產品噪聲水平有較大差距 
     國外對噪聲研究較早,特別是美國,上世紀70年代就開始了對車內噪聲特性的研究。基于相關標準的嚴格規定,各發達國家對工程機械噪聲控制開展了廣泛研究,從采用低噪聲發動機,到采用各種消聲減振措施,形成了完全符合標準規定的產品。
     國內對工程機械噪聲控制的研究較晚,早期集中在對駕駛室的降噪研究,隨著行業的發展及各廠家產品質量的提升,整機噪聲控制得到重視,相關科研院所及廠家開展了大量研究。但實際測試發現,國內外部分產品噪聲水平仍存在較大差距,見下表。
表2國內外部分壓路機噪聲測試結果對比

測試狀態

測點位置

檢測結果dB(A)

國標限值

YZ12

YZ13

YZ13D

CC522

BW202

不行駛

司機耳邊

81.9

81.1

88.5

86.6

81.2

≤94dB(A)

左側7.5m

93.3

90.5

91.8

84.4

79.6

≤88dB(A)

右側7.5m

92.1

90.7

90.7

82.4

79.6

低速行駛

司機耳邊

84.2

85.1

86.5

87.4

81.6

≤94dB(A)

左側7.5m

93.1

91.5

89.3

85.3

81.5

≤88dB(A)

右側7.5m

92.5

92.8

87.4

84.2

81.5

高速行駛

司機耳邊

81.2

84.3

89.9

88.1

85.0

≤94dB(A)

左側7.5m

93.4

93.4

91.9

86.4

82.7

≤88dB(A)

右側7.5m

92.7

92.8

93.1

85.2

83.7
 
   上表中,前3種機型為國內產品,后2種機型為國外產品。由表可知,在不同的測試狀態,司機耳邊的噪聲都能滿足國標要求,而國內產品左右兩側7.5m處的噪聲普遍超標,而國外產品比國標低1.6~8.4dB(A)。
1.3國內外廣泛采用先進的噪聲研究方法
     工程機械噪聲來源復雜,噪聲源較多[3-4]。控制噪聲的關鍵是如何有效準確識別主要噪聲源,采取相應降噪措施。傳統的噪聲源識別方法主要有:主觀評價法、近場測量法、選擇覆蓋法等。近年來,由于信號測試分析技術的快速發展,一系列基于信號處理技術的噪聲源識別技術得到了極大的發展和應用,如頻譜分析法、相干分析法、聲強法、聲功率法、聲全息法和聲學聚焦鏡等。先進技術的應用,取得了良好的降噪效果。
2工程機械噪聲來源
     工程機械的結構比較復雜,相應的噪聲源較多。主要有發動機噪聲、動力系統噪聲、機體振動噪聲、板件輻射噪聲和空氣動力噪聲等。部分研究表明,發動機的燃燒噪聲、進氣和排氣噪聲、冷卻風扇的噪聲等是幾大重要的噪聲源,對整機噪聲水平影響較大。圖1~圖2是某型壓路機采用聲強法識別噪聲源的結果。
某型壓路機右側面等聲強線云圖
某型壓路機右側面測點布置實物圖
圖1中橫坐標25~40處對應圖2中駕駛室下方的發動機安裝處,是噪聲較大區域,其中(35,4)附近的最高噪聲域對應圖2 的排氣消聲器出口。
3工程機械噪聲控制 
     噪聲傳播的機理一般為:噪聲源—>傳播途徑—>受聲者,相應的可以分別采取不同措施,見表3。
表3 不同的噪聲控制措施對比表

處理對象

措施

特點

噪聲源

改善聲源,降低聲能

降噪效果最好,投入最大,研究周期最長

傳播途徑

吸聲、隔聲、隔振、減震,使噪源衰減

降噪效果較好,投入較大,研究周期不太長

受聲者

聲屏蔽

被迫選擇
隨著人們對工程機械噪聲的認識,國內外工程機械廠家采取多種措施控制噪聲。
3.1針對噪聲源,采用低噪聲發動機 
      發動機是工程機械的心臟,也是最重要的噪聲源。采用低油耗、低噪聲的環保型發動機能大大降低對環境的影響,是工程機械發展的重要趨勢。
      一般而言,柴油機的噪聲主要呈現為中高頻噪聲, 燃燒噪聲和表面振動輻射噪聲是最重要的噪聲來源,同時,油底殼也易產生板件輻射噪聲,形成另一個重要的噪聲源。
      控制發動機噪聲常采取以下措施: 增加預噴射減少燃燒噪聲, 增加機體剛度減少機體的表面振動噪聲, 采用復合板油底殼增加阻尼減少油底殼輻射噪聲等。增加機體剛度來減少機體的表面振動噪聲常用的方式主要有采用加強筋、外壁制成曲面、在機體與油底殼之間裝加強板、階梯式機架等。同時,采取隔離振動和局部阻尼相結合的方法可以衰減中高頻噪聲。圖3為某型低噪聲發動機。
3.2針對傳播途徑,采用密閉機罩降低噪聲傳播
      聲源發出的噪音在媒介中傳播時,其聲壓或聲強將隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。噪音聲波在傳播過程中經常會遇到障礙物,這時聲波將從一個媒質(空氣)入射到另一媒質中去。由于這兩種媒質的聲學性質不同,一部份聲波從障礙物表面上反射回去,而另一部份聲波則透射到障礙物里面去。利用介質不同的特性阻抗,可以達到減噪目的。
      在發動機安裝部位或其他噪聲源集中部位,安裝密閉機罩,可以切斷噪聲傳播途徑,降低噪聲向外輻射水平。密閉機罩安裝時,要求活動部位安裝彈性密封條,以減少噪聲泄漏,保證降噪效果。圖4為某型壓路機的外觀,圖5為該型壓路機采用的密閉機罩方案。 
3.3機罩安裝吸聲材料,增加噪聲能量衰減
      除了空氣能吸收聲波外,一些材料例如玻璃、毛毯、泡沫塑料等也會吸收聲音,稱為吸聲材料。當聲波通過這些多孔性吸聲材料時,由于材料本身的內摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使聲波能量受到很大的吸收并衰減,這種吸聲材料能有效地吸收入射到它上面的聲能。為了加快噪聲能量衰減,進一步降低噪聲水平,部分機型采用機罩內部安裝吸聲材料的方案,見圖6。 
3.4采用先進消聲器,降低排氣噪聲
      發動機排氣噪聲是工程機械整機重要噪聲源之一,排氣噪聲主要包括周期性噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲,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。采用高效消聲器是降低發動機排氣噪聲的關鍵,見圖7~圖8。 
3.5綜合采取多種措施,保證降噪效果
      工程機械的噪聲控制涉及的因素較多,單一降噪措施一般效果不明顯,綜合采用多種措施,大大降低整機噪聲水平。如圖7中,發動機安裝在密閉機罩里,其噪聲向外衰減的能量大大降低,采用高效消聲器,進一步降低發動機排氣噪聲。
4結語
      隨著工程機械質量的全面提升,對工程機械的噪聲水平的要求日益嚴格。與國外產品相比,而國內產品噪聲控制水平仍有相當差距,甚至部分產品超過國家標準。工程機械噪聲來源復雜,采用低噪聲發動機,并綜合采用多種措施,才能保證較好的降噪效果。


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