工程噪声隔振与阻尼

本讲内容机械设备运转产生振动，振动一方面直接向外辐射噪声，另一方面以弹性波的形式通过相连的结构向外传播，并在传播的过程中向外辐射噪声。控制振动的一个重要方法就是隔振。隔振就是将振源与基础或连接结构的近刚性连接改成弹性连接，以防止或减弱振动能量的传递，最终达到减振降噪的目的。隔振可以分为两类，一类是对作为振动源的机械设备采取隔振措施，防止振动源产生的振动向外传播，称为积极隔振或主动隔振；另一类是对怕受振动干扰的设备采取隔振措施，以减弱或消除外来振动对这一设备带来的不利影响，称为消极隔振或被动隔振。对于薄板类结构振动及其辐射噪声，如管道、机械外壳、车船体和飞机外壳等，在其结构表面涂贴阻尼材料也能达到明显的减振降噪效果，我们称这种振动控制方式为阻尼减振。本章主要介绍隔振与阻尼原理、各种隔振元件的性能特点及隔振元件与阻尼村料的选择和设计。本讲内容5.隔振与阻尼5.1隔振5.1.1隔振技术概述1.概述机械设备振动能量以两种方式向外传播而产生噪声，一部分由振动机器直接向空中辐射，称为空气声；另一部分振动能量则通过承载机器的基础、连接构件传递，固体表面振动以弯曲波形式传播，因而能激发结构振动向空中辐射噪声，这种通过固体传播的声波叫固体声。振动会影响仪器设备的精度、功能和使用寿命，会造成事故。同样会危害人的身心健康，甚至造成器官损伤。隔振就是就是将声源与结构之间形成弹性连接，实际上振动不可能完全隔绝，故通常也称为减振。本讲内容5.1.1隔振技术概述2.隔振原理机械设备运转时，会存在一个周期性的力作用，从而使其产生振动。振动的机器通过基础、连接构件向四周传递。若在刚性连接之间安置弹簧或弹性衬垫组成弹性支座，由于支座可以发生弹性变形，起到缓冲作用，便减弱了机器对基础的冲击力，使基础的振动减弱；同时由于支座材料的阻力耗能，也减弱了传给基础的振动，从而使声辐射降低，这就是隔声降噪的基本原理。隔振时使用的弹性支座称作隔振器，相对于机械设备，其质量可以忽略不计，看做只由弹性装置和能量消耗装置组成。隔振分为主动与被动两种类型，即从减小振动的传出或是保护仪器设备免受外接振动的影响来划分的。本讲内容5.1.1隔振技术概述3.传振系数传振系数又称作“振动传递率”、“隔振效率”。是表征隔振效果的常用物理量，通常记作T。它是通过隔振元件传递过去的力与总干扰力之比，即：T=传递力/干扰力。T越小通过隔振器传递过去的力越小，隔振效果越显著，隔振性能越好。如果设备与基础是刚性连接，则T=1，即干扰了全部传递给基础，没有隔振作用；如果在设备与基础之间安装隔装置，使T=0.2，即传递过去的力只是干扰力的20%。因此，传递系数的理论计算是隔振理论的关键所在。4.隔振系统中的三个要素隔振系统中控制振动及其传递的三个基本因素是：弹簧隔振器的刚度、被隔离物体的质量、系统支撑及隔振器的阻力。本讲内容5.1.1隔振技术概述(1)刚度隔振器刚度越大，隔振效果越差，反之隔振效果越好。一个设计正确的隔振系统支撑刚度计算最为重要，但弹簧及隔振器的刚度对物体振幅的影响不大。(2)质量被隔离物体的质量使支撑系统保持相对静止。在确定的振动力作用下，物体质量越大，物体振动越小。增大质量还包括增大隔振底座的面积，以增大物体的惯性矩，可减小物体振动，但质量的增加并不能减小传递率。(3)阻力隔振系统的支撑阻力有以下的作用：在共振区，抑制共振振幅；减弱高频区物体的振动；在隔振区为系统提供了一个使弹簧短路的附加连接，从而提高了支撑的刚度，使传递率增大，因此阻力的作用有利也有弊，设计时应特别注意。本讲内容5.1.1隔振技术概述5.冲击隔离和周期性激振力的振动隔离相似，对于脉冲冲击也可以考虑隔离，也分为积极与消极两类。积极的是隔离锻压机、冲床及其他具有脉冲冲击力的机械，以减小其对环境的影响；消极的冲击隔离是隔离基础的脉冲冲击，使安装在基础上的电子仪器及精密设备能正常工作，在舰船上的设备为了防止因爆炸引起的强烈冲击而设计的隔离系统属此。冲击隔离可分为积极和消极冲击隔离，二者原理相同，传递率估算也基本相同。一般冲击传递与系统的固有频率成正比，系统固有频率越小，传递率越小，隔离支撑的阻力有一定的作用，阻力越大，传递率也越小。冲击隔离与缓冲是有区别的缓冲是让缓冲材料介于相互碰撞的物体之间，使碰撞的冲击力要比直接碰撞低，如汽车缓冲器，飞机着陆架等。本讲内容5.1.2隔振元件理论上讲，凡是具有弹性的材料均能作为隔振元件，但实际工程应用上受到很多条件的限制，例如能否大量供应，性能是否稳定，使用寿命长短是否具有防水、防油、防火性能等。1.隔振器它是一种弹性支撑元件，是经专门设计制造的具有单个形状的、使用时可作为机械零件来装配安装的器件。最常用的隔振器可分为：弹簧隔振器，包括金属螺旋弹簧隔振器、金属蝶形弹簧隔振器、不锈钢丝绳弹簧隔振器，金属丝网隔振器，橡胶隔振器，橡胶复合隔振器以及空气弹簧隔振器等。本讲内容5.1.2隔振元件(1)金属弹簧隔振器是一种应用广泛的，适用频率范围1.5~12Hz的隔振器。其中螺旋弹簧隔振器应用最为广泛。金属弹簧隔振器主要有钢丝、钢板、钢条等制造成，通常用在静态压缩量大于5cm，或温度和其他条件限制不允许采用橡胶等材料的地方。其主要优点是弹性好，耐高温、耐油、耐腐蚀、不老化，寿命长，固有频率低，阻尼性能好，承载能力高等。缺点是对于一些阻尼系数较小的隔振器，容易发生共振，则很可能损坏机械设备，使用时应精心设计，并在弹簧两端加橡胶垫板或在钢丝上粘附橡胶以提高阻尼。其次，金属弹簧的水平刚度较竖直刚度小，容易产生晃动，因而常须附加一些阻尼材料。本讲内容5.1.2隔振元件本讲内容5.1.2隔振元件(2)橡胶隔振器适合于中小设备和仪器的隔振，适用频率范围4~15Hz。橡胶隔振器不仅在轴向，而且在横向及回转方向上均具有很好隔振性能。橡胶内部阻力比金属大得多，高频振动隔离性能好，隔声效果也很好，阻力比为0.05~0.23。由于橡胶成型容易，与金属也可牢固粘接，因此可以设计制造各种形状的隔振器，而且重量轻，体积小，价格低，安装方便，更换容易。其主要缺点是耐高温、耐低温性能差，普通橡胶隔振器使用的温度为0~70°，易老化，不耐油污，承载能力较低。决定橡胶隔振器动、静刚度的因素：材料、硬度及形状。决定橡胶隔振器性能的因素：橡胶的配方、硫化工艺。(橡胶隔振器从形状分为：压缩型、剪切型及复合型)本讲内容5.1.2隔振元件本讲内容5.1.2隔振元件(3)橡胶空气弹簧隔振器依靠橡胶气囊中的压缩的压力变化取得隔振效果，其工作固有频率低0.1~5Hz、共振阻力性能好。缺点是价格高，承载能力有限，国内产品较少，目前在一些设备上安装的此类隔振器是阻力性能较好的国外产品。本讲内容5.1.2隔振元件本讲内容5.1.2隔振元件2.隔振垫由具有一定形状的软材料构成(橡胶垫、软木、毛毡、海绵、玻璃纤维、泡沫)。一般无一定形状尺寸，可拼装。(1)橡胶隔振垫适用频率：10~15Hz(多层10Hz)；特点：高弹性、隔振冲噪性能，吸收能量(高频)，易制造、安装，易粘接。易受温度、油污、溶剂影响，易老化，寿命5~8年。(2)毛毡适用频率30Hz左右。其特点：经济、易装、易裁、易粘，防油，不易老化；防火、水能力差。变形在25%内，载荷特性为线性，超过则为非线性。(3)玻璃棉适于机器、建筑基础隔振。其特点：耐火防腐蚀，稳定，但不防水。(4)泡沫塑料发泡后可具有压缩性，其特点：软的支撑裁装方便，但载荷特性非线性，难以满足要求。本讲内容5.1.2隔振元件本讲内容5.1.2隔振元件3.其他隔振元件(1)管道柔性接管在设备进出口管道上安装柔性接管是防止振动传递出去的必要措施，柔性接管在空压机、风机、水泵及柴油机上都有应用。有橡胶、金属两大类。温度低于100°C，压力2.0MPa以下的液气体传输管道用橡胶或帆布类柔性接管；高于上述值时，用金属波纹管。(2)弹性吊架用于管道及隔声结构悬吊，可防止管道振动传给结构。弹性吊钩一般用金属弹簧或橡胶块作为弹性元件，前者工作时固有频率可小于10Hz，后者为200Hz。(3)其他有用于管道下部支撑的弹性支撑；代替刚性连接的高弹性联轴器；与隔振器并联以增加支撑阻力的油阻力器；吸收单一频率振动能量以降低设备振动的动力吸振器。本讲内容5.1.2隔振元件表__常见隔振材料的性能比较性能剪切橡胶金属弹簧软木玻璃纤维板气垫最低自振动频率3Hz1Hz10Hz7Hz0.2Hz横向稳定性好差好好好抗腐蚀老化较好最好较差较好较好应用广泛程度广泛应用广泛应用不够广泛手工部门应用极少应用施工与安装方便较方便方便不方便不方便造价一般较高一般较高高本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计1.隔振元件的选择(1)频率(1/2.5~1/4.5)。固有频率f0≥20~30Hz，用毛毡、软木、橡胶垫或较硬的隔振器；f0=2~10Hz，选弹簧、橡胶或复合隔振器；f0=0.5~2Hz，选弹簧或空气弹簧隔振器。(2)载荷静载荷应为允许载荷的90%，动、静载荷之和不超过允许载荷。对于隔振垫，载荷是指单位面积上的载荷。多隔振器应使载荷分布均匀，一边选用相同型的隔振器。对隔振垫要求各部分的单位面积载荷基本一致。在任何情况下实际载荷不能超过最大允许载荷。在同一设备上，选择的隔振器型号，不要超过两种。2/1/0ff本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计2.隔振设计(1)步骤①首先测量和分析振源的振动强度,可根据转速或往复来确定干扰频率,并确定所需振动传递比(传振系数T)；②根据现场的隔振要求，由干扰频率和传振系数，计算隔振系统的固有频率以及静态压缩量(阻尼比按设备和减振类型估算)；③确定元件载荷、型号大小和数量，并根据设备总重和各支撑分担质量，选用和设计满足承重、频率要求的装置；④验算隔振是否满足设计要求，估计其降噪效果。本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计(2)传振系数的确定传振系数根据实测或估算得到的需隔振设备或地点的振动水平、机器设备的扰动频率、设备型号规格、使用工况以及环境要求等因素确定。简单隔振(质量弹簧)系统的传振系数由下式计算(无阻尼情况)：在隔振系统有阻尼的情况下，由下式计算：2011ffT2120220202121ffffffT本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计(3)隔振元件承受的载荷、型号、大小和数量的确定。隔振元件承受的载荷，应根据设备的质量、动态力的影响以及安装时的过载情况确定。设备均匀分布时，每隔隔振元件的载荷可由设备质量除以隔振元件数目得出，隔振元件的型号和大小可据此确定。设备质量均匀分布时，也可采用机座，并根据重心位置来调整各个隔振元件的支撑点。隔振元件的数量，一般宜取4~6个。本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计(4)隔振系统的静态压缩比、频率比、固有频率的确定。①静态压缩量有传递系数、设备稳定性、操作条件等要求确定，也可由实验室直接测量。②固有频率固有频率可根据隔振系统的传递系数、扰动频率以及频率比确定，也可按下式估算：(δ静态压缩量，cm)③频率比f/f0频率比中扰动频率，通常可取设备的最低扰动频率。当f/f01时，T≥1，无隔振作用；当f/f0≈1时，共振且放大扰动；当f/f021/2时，T1，隔振。一般频率比去2.5~5。为获得大压缩量，f0取2.5~3Hz，阻尼系数取0.1~0.2。521/21210gMMgMKf2/0ff本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计本讲内容5.1.3隔振元件选择与设计(5)隔振参量的验算隔振参量包括传振系数T、静态压缩量δ、动态系数以及隔振降噪量效果估算等。在实际工作中，由于大面积的振动速度值与板附近的声压值较接近，一般可认为板的振动速度级Lv和附近的声压值相等，(6)阻尼比(ζ=C/Cc)与隔振的关系在f/f021/2的范围内，不起隔振作用，ζ↑→T↓，此时增大阻尼对振动控制有较好的作用；在f/f021/2的范围内，ζ↓→T↓，这表明减小阻尼，