CN109506904A - 一种薄板谐波辐射噪声抑制装置设计方法 - Google Patents

Abstract

本文设计了一种对薄板辐射的谐波噪声具有抑制作用的结构装置，通过声阻抗管隔声实验系统完成了薄板谐波辐射噪声抑制装置隔声量的测量。设计并加工多种可在阻抗管中进行隔声测试，结构简单、易装拆、可调节的测试样品，该样品对300Hz‑500Hz范围内的谐波噪声有明显抑制作用。研究了薄板谐波辐射噪声抑制装置结构的改变对其隔声量的影响，对比了不同装配与配重方式下的隔声量。研究结果表明，薄板谐波辐射噪声抑制装置能够有效地抑制薄板结构的谐波辐射噪声，最终确定的薄板谐波辐射噪声抑制装置比未安装时的隔声量提高了3‑5dB，研究成果可为薄板谐波辐射噪声抑制装置的设计提供依据。

Description

一种薄板谐波辐射噪声抑制装置设计方法

技术领域

本发明提出了一种薄板谐波辐射噪声抑制装置设计方法，用该方法设计的装置可在声阻抗管中完成薄板谐波噪声抑制装置隔声量的测量，验证薄板谐波辐射噪声抑制装置的隔声效果。

背景技术

机械造型中存在大量的金属薄板结构，而机械的动力来源大部分都是电机，电机所产生的噪声与振动会通过薄板向外辐射。电机所产生的辐射噪声主要成分属于低频段谐波噪声，相比起高频段噪声的抑制，低频段谐波噪声的抑制要更加困难，因为低频声的波长较长，不像高频段噪声波长较短，比较薄的噪声抑制装置就可以有效地抑制很大程度的高频噪声，然而越低频的振动越难以得到有效地抑制，而且还要考虑噪声抑制装置的使用环境条件以及安装、维修与更换方便等问题，若能够抑制50Hz的振动，那么所有倍频的振动噪声都可以得到最大程度的抑制与降低。

本发明的研究目标是设计一种用于抑制薄板谐波辐射噪声的结构，这种结构的设计原理是被动式动力吸振器，这类抑制装置主要适用于单频激励噪声，其设计时通常是把抑制装置的固有频率设置成和噪声激励频率一致，抑制装置的阻尼很小或几乎为零时，能取得非常理想的减振效果。由于机械中存在大量的金属薄板结构，而电机所产生的噪声与振动会通过薄板向外辐射，将机械中的金属薄板部分分成若干小区域，然后在每个小区域安装薄板谐波辐射噪声抑制装置，这种覆盖在金属薄板上的新型结构能够有效地发挥对谐波噪声抑制的作用，最大程度的吸收振动，降低辐射噪声。薄板谐波辐射噪声抑制装置不仅可以应用于机械领域，还能实现多领域多范围的应用，不但具有理论意义，而且具有较大程度的应用价值。

发明内容

为了能对机械中薄板辐射的谐波噪声起到抑制作用，发明了一种可以用于抑制薄板谐波辐射噪声的结构，并且通过声阻抗管隔声实验系统完成了对薄板谐波辐射噪声抑制装置隔声量的测量。

一种用于声阻抗管测量的薄板谐波辐射噪声抑制装置设计方法，当薄板谐波辐射噪声抑制装置结构简化成单自由度系统物理模型进行分析时，质量m、刚度k、阻尼c成为三个基本的设计参数。所设计薄板谐波辐射噪声抑制装置由金属薄板结构、弹簧钢片连接装置和金属环件组成。此设计中采用的连接装置是刚度适中的弹簧钢片，同时没有加入其它阻尼元件。主要设计思路步骤如下：

步骤1：通过实验测试获取拟解决的结构振动噪声问题的原因，确定谐波噪声频率；

步骤2：设计能在声阻抗管中进行隔声实验测量的金属薄板结构与谐波辐射噪声抑制装置，该装置包

括金属环件和弹簧钢片，金属薄板和金属环件通过弹簧钢片进行弹性连接；

步骤3：确定激振频率，此即为拟设计的薄板谐波辐射噪声抑制装置的固有频率；

步骤4：在设计好的声阻抗管试件基础上，利用弹簧钢片将附加质量块进行弹性连接；

步骤5：进行声阻抗管试件的隔声实验，实现对不附加质量块的原样件和加附加质量块的样件以及不

同附加质量块样件之间隔声量的对比测试。

附图说明

图1：声阻抗管试验件装配爆炸图，图中的1为金属薄板，2为弹簧钢片，3为金属环件。

图2：声阻抗管试验件装配图，图中的1为金属薄板，2为弹簧钢片，3为金属环件。

图3：完全模具装配爆炸图，图中的1为金属薄板，2为弹簧钢片，3为金属环件，4为其他配合装配件。

图4：薄板谐波辐射噪声抑制装置设计实体展示图，图中的1为金属薄板，2为弹簧钢片，3为金属环件。

图5：声阻抗管实验原理模型。其中：1-4为传感器放置位置；5为被测材料；A、B为1位置处的声压幅值；C、D为3位置处的声压幅值。

具体实施方式

下面参照附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

薄板谐波辐射噪声抑制装置的物理模型可看作一个有质量、阻尼、刚度组成的单自由度系统，而控制对象的主振动系统一般为具有多模态的多自由度系统，将多自由度系统分离成几个有阻尼的单自由度系统来表示，在这个单自由度系统之上，附加薄板谐波辐射噪声抑制装置之后，就是一个二自由度系统。

其中：m₁，k₁，c₁，x₁分别表示主系统质量、主系统弹性刚度、主系统阻尼、主系统位移，m₂，k₂，c₂，x₂分别表示薄板谐波辐射噪声抑制装置质量、弹性刚度、阻尼和位移，f(t)表示外界激励。

系统运动方程：

方程两边做傅里叶变换得：

式子中Z(ω)表示动刚度矩阵，化简可得动刚度矩阵为：

则系统的频响函数矩阵为：

式子中:

则由上式可以看出频响函数矩阵当中的第1列、第1行元素H11是薄板谐波辐射噪声抑制装置安装位置的原点频率响应函数。

|(Z(ω))|＝(-ω²m₁+iωc₁+iωc₂+k₁+k₂)(-ω²m₂+iωc₂+k₂)-(-iωc₂-k₂)²

令

可推出附加薄板谐波辐射噪声抑制装置之后考虑主系统阻尼的主系统原点频率响应函数。其中α为薄板谐波辐射噪声抑制装置与主系统的固有频率比，μ为质量值相比，ξ₂为阻尼比。

对于定点理论，又可以分为两种情况：不考虑主振动系统的阻尼和考虑主振动系统阻尼。以质量比μ为参考构成薄板谐波辐射噪声抑制装置的3个元素的设计公式。

(1)薄板谐波辐射噪声抑制装置的质量

m₂＝μm₁(kg)

(2)薄板谐波辐射噪声抑制装置的弹簧刚度

(3)薄板谐波辐射噪声抑制装置的阻尼系数

然而实际工程中，控制对象的结构都具有材料内阻尼。因此对于考虑主振动系统阻尼的薄板谐波辐射噪声抑制装置的设计，利用数值解析的方法推导出了使用的设计关系式，其表示如下：

(1)最优调节：

(2)最优阻尼：

薄板谐波辐射噪声抑制装置的设计步骤：当薄板谐波辐射噪声抑制装置结构简化成单自由度系统物理模型进行分析时，质量m、刚度k、阻尼c成为三个基础的设计参数。所设计薄板谐波辐射噪声抑制装置由金属薄板结构、弹簧钢片连接装置和金属环件组成。此设计中采用的连接装置是刚度适中的弹簧钢片，同时没有加入其它阻尼元件。主要设计思路步骤如下：

步骤1：通过实验测试获取拟解决的结构振动噪声问题的原因；

步骤2：设计能在声阻抗管中进行隔声实验测量的金属薄板结构与谐波辐射噪声抑制装置，该装置包括金属环件和弹簧钢片，金属薄板和金属环件通过弹簧钢片进行弹性连接；

步骤3：确定激振频率，此即为拟设计的薄板谐波辐射噪声抑制装置的固有频率；

步骤4：在设计好的声阻抗管试件基础上，利用弹簧钢片将附加质量块进行弹性连接；

步骤5：进行声阻抗管试件的隔声实验，通过对不附加质量块的原样件的隔声量与附加质量块的样件的隔声量进行对比，不同质量块之间进行对比。

本发明的效果是，在半消声室环境下，利用薄板谐波辐射噪声抑制装置来抑制圆形薄板结构的低频辐射声，通过声阻抗管隔声试验系统，进行多组隔声对比测量实验。通过实验结果，最终确定了一种主系统为六孔连接，薄板谐波辐射噪声抑制装置与主系统三孔弹簧钢片连接并加以2.4g配重质量块，第二孔径衔接的配合方式的实验样件，在300Hz-500Hz范围内频段的隔声量可以达到15.5dB，连接弹簧钢片刚度为3/307N/mm，总质量为103.7g。构建大阻抗管连接方式，通过薄板谐波辐射噪声抑制装置实验系统，进行无薄板谐波辐射噪声抑制装置与安装薄板谐波辐射噪声抑制装置对比隔声实验，结果显示，在400Hz频段，安装薄板谐波辐射噪声抑制装置比不安装薄板谐波辐射噪声抑制装置的辐射声功率有大约3dB-5dB的声降噪效果，证明了本文中设计的薄板谐波辐射噪声抑制装置结构对于机械中谐波辐射噪声的抑制是一种有效的减振降噪装置。

Claims (1)

1.一种薄板谐波辐射噪声抑制装置设计方法，当薄板谐波辐射噪声抑制装置结构简化成单自由度系统物理模型进行分析时，质量m、刚度k、阻尼c成为三个基本的设计参数，所设计薄板谐波辐射噪声抑制装置由金属薄板结构、弹簧钢片连接装置和金属环件组成，此设计中采用的连接装置是刚度适中的弹簧钢片，同时没有加入其它阻尼元件，主要设计思路步骤如下：

步骤1：通过实验测试获取拟解决的结构振动噪声问题的原因，确定谐波噪声频率；

步骤2：设计能在声阻抗管中进行隔声实验测量的金属薄板结构与谐波辐射噪声抑制装置，该装置包括金属环件和弹簧钢片，金属薄板和金属环件通过弹簧钢片进行弹性连接；

步骤3：确定激振频率，此即为拟设计的薄板谐波辐射噪声抑制装置的固有频率；

步骤4：在设计好的声阻抗管试件基础上，利用弹簧钢片将附加质量块进行弹性连接；

步骤5：进行声阻抗管试件的隔声实验，实现对不附加质量块的原样件和加附加质量块的样件以及不同附加质量块样件之间隔声量的对比测试。