徐 洋，趙錦艷，盛曉偉，張曉蕾

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

簇絨地毯織機(jī)噪聲工況異常復(fù)雜，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前地毯紡織車間的噪聲值均超2013年國(guó)家新修訂的GB/T50087-2013《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定的生產(chǎn)車間噪聲限值85 dB。強(qiáng)烈的環(huán)境噪聲會(huì)對(duì)紡織工人的身心健康造成嚴(yán)重的危害。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于簇絨地毯織機(jī)噪聲的研究較少，尤其在國(guó)內(nèi)，簇絨地毯織機(jī)噪聲的研究還處于起步階段。僅陳瑞琪[2]等較為全面綜述了紡織工業(yè)機(jī)械設(shè)備噪聲產(chǎn)生的原因與測(cè)試方法。另外趙建民[3]等對(duì)D3603型牽伸加捻錠子的噪聲產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪的措施。因此進(jìn)行簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲特性研究，是進(jìn)一步進(jìn)行簇絨地毯織機(jī)工作空間降噪的關(guān)鍵。

在聲學(xué)仿真方面，有限元法在地鐵[4]、乘用車[5]等噪聲仿真中得到廣泛應(yīng)用，而邊界元法是將離散與解析相結(jié)合的一種半解析數(shù)值法，降低了聲學(xué)問(wèn)題的維度，大大減少了計(jì)算量，不僅應(yīng)用于汽車[6–7]的振動(dòng)輻射噪聲預(yù)測(cè)，而且在橋梁[8]、高速列車[9]、船舶[10]等結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射問(wèn)題中得到了廣泛應(yīng)用。

本文運(yùn)用聲學(xué)邊界元法，結(jié)合專業(yè)聲學(xué)軟件LMS Virtual.Lab Acoustics建立簇絨地毯織機(jī)織造機(jī)構(gòu)和工作空間的邊界元模型。采用實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)計(jì)算，以此為聲學(xué)邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲計(jì)算，并研究其工作空間中復(fù)合聲場(chǎng)的分布特性。最后采用聲壓傳感器測(cè)得工作空間中工人耳旁的聲壓數(shù)據(jù)，驗(yàn)證聲學(xué)計(jì)算的可靠性，為下一步實(shí)施地毯織機(jī)降噪措施提供了理論基礎(chǔ)。

1 簇絨機(jī)噪聲分析及工作空間介紹

1.1 簇絨機(jī)噪聲分析

簇絨地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要有主機(jī)系統(tǒng)、針排及橫動(dòng)系統(tǒng)、成圈系統(tǒng)等組成。在織造過(guò)程中由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪并帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸再通過(guò)針排連桿機(jī)構(gòu)與針排、鉤針相連，帶動(dòng)上下兩個(gè)從動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。主要功能構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 簇絨織機(jī)功能構(gòu)成圖

根據(jù)各結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析可知，織造過(guò)程中主要的噪聲源為主、從動(dòng)軸及連桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)噪聲，次要噪聲源有針刺底布噪聲、電子羅拉的轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲等。次要噪聲源量級(jí)較小，因此本文主要研究簇絨地毯織機(jī)主、從動(dòng)軸及連桿機(jī)構(gòu)（主織造機(jī)構(gòu)）的振動(dòng)噪聲特性。

1.2 簇絨地毯織機(jī)工作空間介紹

本文研究對(duì)象為DHU-2型簇絨地毯織機(jī)，其工作空間（實(shí)驗(yàn)室）中存在多個(gè)機(jī)器和其他設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室基本布局及尺寸如圖2所示。為建立更加準(zhǔn)確的工作空間聲場(chǎng)邊界模型，需要了解內(nèi)部各機(jī)器的材料屬性。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各機(jī)器、儀器屬性如表1所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室布局圖

由圖2可看出室內(nèi)障礙物較多，簇絨織機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲在室內(nèi)的傳播會(huì)受到各種障礙物的影響，準(zhǔn)確建立包括障礙物[11](實(shí)驗(yàn)室機(jī)器等)在內(nèi)的復(fù)雜聲場(chǎng)邊界模型，才能更準(zhǔn)確地研究其振動(dòng)輻射噪聲的分布特性。室內(nèi)三塊玻璃結(jié)構(gòu)尺寸較大，厚度僅為2 mm，簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)聲輻射作用會(huì)引起薄板玻璃的振動(dòng)，從而向室內(nèi)輻射噪聲。因此在分析簇絨機(jī)工作空間噪聲特性時(shí)將考慮玻璃的耦合作用。

2 簇絨機(jī)主織造機(jī)構(gòu)輻射噪聲計(jì)算與聲場(chǎng)特性分析

2.1 聲學(xué)理論及分析流程

2.1.1 聲學(xué)邊界元理論

依據(jù)聲學(xué)原理，均勻理想流體介質(zhì)中具有簡(jiǎn)諧解的小振幅聲波波動(dòng)可以用Helmholtz微分方程表示

式中：?2為L(zhǎng)aplace算子；p(x)為結(jié)構(gòu)表面x處的聲壓。采用直接邊界元法，利用格林公式，可將式（1）轉(zhuǎn)化為簇絨地毯織機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面上的Helmholtz積分方程

表1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部機(jī)器、儀器材料屬性

式中：p(x)和p(y)分別為x點(diǎn)和y點(diǎn)的聲壓。

采用間接邊界元法計(jì)算簇絨機(jī)主織造機(jī)構(gòu)在工作空間中的噪聲，其計(jì)算公式是從式(2)所示的直接邊界元方程推導(dǎo)而來(lái)，以簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)表面的聲壓差和聲壓梯度差為未知變量，在邊界表面兩側(cè)分別對(duì)內(nèi)外場(chǎng)問(wèn)題應(yīng)用上述直接邊界元內(nèi)外場(chǎng)的Helmholtz邊界積分方程，然后將兩式相加即可得到聲場(chǎng)域內(nèi)任意點(diǎn)的聲壓

式中：σ為結(jié)構(gòu)表面的法向壓力梯度差；μ為結(jié)構(gòu)表面的聲壓差。

2.1.2 分析流程

為得到聲學(xué)仿真的邊界條件，以實(shí)測(cè)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，進(jìn)行簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。然后以此為邊界條件進(jìn)行聲場(chǎng)分析，具體分析流程如圖3所示。

圖3 分析流程

2.2 基于模態(tài)疊加法的地毯織機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

采用ANSYS軟件建立簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖4所示。

圖4 簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型

使用LV-S01激光測(cè)振儀測(cè)量簇絨地毯織機(jī)關(guān)鍵位置的振動(dòng)信號(hào)，測(cè)量距離取為2.0 m，速度量程取為50 mm/s，分別測(cè)得主軸靠近電機(jī)作用點(diǎn)、鉤從動(dòng)軸與主軸連接作用點(diǎn)等關(guān)鍵位置的振動(dòng)速度信號(hào)。其中測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示，測(cè)點(diǎn)1的時(shí)域信號(hào)如圖6所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖6 測(cè)點(diǎn)1時(shí)域速度信號(hào)

將所測(cè)得時(shí)域振動(dòng)信號(hào)變換為頻域信號(hào)作為激勵(lì)作用于簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行基于模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。所測(cè)振動(dòng)信號(hào)基本在1 000 Hz以下，且800 Hz～1 000 Hz的振動(dòng)信號(hào)基本為零，因此本文僅進(jìn)行0～800 Hz頻段的計(jì)算。其中靠近電機(jī)帶輪位置節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖7可看出主軸與帶輪連接位置處的振動(dòng)速度頻率主要分布在400 Hz以下頻段。

圖7 振動(dòng)加速度

將上述計(jì)算得到的整體模型的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)映射到模型邊界元網(wǎng)格上，并建立加速度邊界條件，進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)輻射噪聲計(jì)算。

2.3 地毯機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲及耦合聲場(chǎng)計(jì)算

采用LMS Virtual.Lab建立簇絨機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的邊界元模型、包括障礙物在內(nèi)的工作空間的邊界元模型和室內(nèi)三塊玻璃的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。將2.2小節(jié)中分析所得的加速度邊界條件從結(jié)構(gòu)有限元模型映射到邊界元模型中，計(jì)算地毯機(jī)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的邊界元模型通過(guò)在其有限元模型的基礎(chǔ)上提取面網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行粗化得到，滿足最大單元的邊長(zhǎng)小于計(jì)算頻率乘以最短波長(zhǎng)的六分之一。具體模型如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)與聲學(xué)網(wǎng)格

為研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)體表面的振動(dòng)噪聲特性，采用直接邊界元法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的外場(chǎng)噪聲計(jì)算。設(shè)置空氣密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，參考聲壓為2×10-5Pa，計(jì)算頻段為0～800 Hz，步長(zhǎng)為5 Hz。同時(shí)在橫向和縱向分別插入場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格以觀察結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的輻射特性，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 振動(dòng)體表面聲壓級(jí)云圖

圖10 地毯機(jī)結(jié)構(gòu)外場(chǎng)輻射云圖

由圖9可看出簇絨織機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)體表面的聲壓級(jí)在頻率較低的50 Hz時(shí)，電機(jī)帶輪與主軸連接點(diǎn)處是振動(dòng)輻射噪聲較高的部位，其最大聲壓級(jí)達(dá)到了104 dB。在結(jié)構(gòu)體表面振動(dòng)噪聲計(jì)算的整個(gè)頻段內(nèi)，200 Hz處聲壓級(jí)達(dá)到了最大值，為121 dB，且能量最大的部位主要是主軸與鉤軸連桿、針排連桿等連接位置處，以及針從動(dòng)軸與針排擺桿連接處。在這些部位主要是由于各結(jié)構(gòu)間的相互作用，產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲。

由場(chǎng)點(diǎn)云圖(見(jiàn)圖10)可看出在同一距離條件下，聲壓級(jí)總體呈瓣?duì)罘植?，且在橫向上瓣?duì)罘植驾^為明顯；在同一角度上，聲壓級(jí)隨距離的增加而逐層遞減。由此可看出簇絨機(jī)主織造機(jī)構(gòu)的輻射聲場(chǎng)具有較為明顯的指向性。

簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)在工作空間中的噪聲聲場(chǎng)是一個(gè)復(fù)合聲場(chǎng)，在計(jì)算時(shí)考慮到室內(nèi)薄壁玻璃對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)的影響，采用間接邊界元法進(jìn)行簇絨機(jī)結(jié)構(gòu)的耦合聲場(chǎng)計(jì)算，同時(shí)在空間中插入六個(gè)面場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，研究其聲場(chǎng)分布特性，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 工作空間場(chǎng)云圖

由圖11可知，整個(gè)聲場(chǎng)是各個(gè)結(jié)構(gòu)體振動(dòng)噪聲的疊加與室內(nèi)多個(gè)障礙物干涉作用后的復(fù)合聲場(chǎng)，在頻率較低處的聲場(chǎng)內(nèi)聲壓分布非常不均勻，出現(xiàn)了整個(gè)聲場(chǎng)內(nèi)明顯的聲波疊加引起聲壓增大或消減的區(qū)域交錯(cuò)分布的現(xiàn)象。隨著頻率的升高，不同聲壓值的點(diǎn)狀區(qū)域面積逐漸變小，整個(gè)聲場(chǎng)分布較為均勻，屬于聲場(chǎng)穩(wěn)定區(qū)。

為研究工人作業(yè)位置的噪聲環(huán)境，依據(jù)文獻(xiàn)[13]在聲場(chǎng)模型中插入工人人耳位置的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算其聲壓級(jí)曲線圖如圖12所示。

圖12 工人人耳位置場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)

由圖12可看出工人人耳處的聲壓級(jí)在28 Hz、58 Hz、116 Hz、150 Hz、162 Hz等位置處出現(xiàn)了峰值，且主要的噪聲源集中在400 Hz以下。通過(guò)Virtual.Lab Acoustics計(jì)算出圖12中人耳處總的聲能量為90 dB，噪聲值超過(guò)文獻(xiàn)[1]所規(guī)定的85 dB，因此工人作業(yè)環(huán)境中噪聲值較高，長(zhǎng)期作業(yè)條件下對(duì)工人身心影響較大。

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，采用16通道聲陣列傳感器和東華測(cè)試動(dòng)態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行簇絨地毯織機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)噪聲值的測(cè)量。并依據(jù)文獻(xiàn)[11]測(cè)量工人人耳位置的噪聲值，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量圖如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

將測(cè)量所得工人人耳處的聲壓信號(hào)變換成聲壓級(jí)信號(hào)，并進(jìn)行快速傅里葉變換得到頻域圖如圖14所示。

圖14 實(shí)測(cè)工人人耳處聲壓級(jí)

將仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，二者在400 Hz以下的低頻段噪聲具有較好的吻合性，均在28 Hz、58 Hz、116 Hz、150 Hz、162 Hz等處出現(xiàn)了峰值，在400 Hz以上的頻段，仿真得到的噪聲值明顯低于實(shí)驗(yàn)測(cè)得噪聲值5 dB～10 dB。此處主要是由于本文僅僅進(jìn)行了簇絨機(jī)主織造機(jī)構(gòu)的振動(dòng)噪聲計(jì)算，未考慮針刺底部噪聲、電子羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲及針與針之間的沖擊噪聲等次要噪聲。主、從動(dòng)軸及連桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)噪聲主要集中在低頻處，而簇絨針產(chǎn)生的沖擊噪聲主要集中在中高頻段，導(dǎo)致仿真得到的數(shù)據(jù)在400 Hz以上總體小于實(shí)測(cè)的噪聲值。因此工人作業(yè)位置處的噪聲值實(shí)際應(yīng)超過(guò)仿真值90 dB，長(zhǎng)期作業(yè)條件下會(huì)嚴(yán)重影響工人健康，在簇絨機(jī)工作空間中采取必要的降噪措施是急需解決的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用聲學(xué)邊界元法，結(jié)合實(shí)際簇絨地毯織機(jī)復(fù)雜工作空間的特點(diǎn)，運(yùn)用專業(yè)聲學(xué)軟件LMS Virtual.LabAcoustics進(jìn)行地毯織機(jī)機(jī)構(gòu)的輻射噪聲計(jì)算，得出如下結(jié)論：

（1）采用直接邊界元法計(jì)算得到的簇絨地毯織機(jī)主織造結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)噪聲主要以主軸及其與連桿機(jī)構(gòu)連接位置處的噪聲為主，其外場(chǎng)輻射總體呈瓣?duì)罘植迹哂忻黠@的指向性。

（2）對(duì)耦合后的聲場(chǎng)模型進(jìn)行振動(dòng)輻射計(jì)算可知：工作空間中的聲場(chǎng)是各振動(dòng)噪聲源的疊加與室內(nèi)障礙物干涉后的復(fù)合聲場(chǎng)，同時(shí)隨著頻率的升高，不同聲壓值的點(diǎn)狀區(qū)域面積減小，聲場(chǎng)由紊亂區(qū)逐漸變?yōu)榉€(wěn)定區(qū)。

（3）通過(guò)在簇絨機(jī)工作空間聲場(chǎng)模型中插入場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行聲學(xué)場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)計(jì)算可知：地毯織機(jī)工作空間中紡織工人作業(yè)位置處的噪聲值較高，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值85 dB，因此下一步進(jìn)行簇絨地毯織機(jī)主動(dòng)降噪具有重要意義。