机械振动控制与噪声减小技术研究

机械振动控制与噪声减小技术研究

刘宏伟王占喜

盘锦辽河油田天意石油装备有限公司  辽宁 盘锦  124000

摘要：本文主要研究机械振动控制和噪声减小技术，旨在提高机械设备运行的稳定性和降低噪声污染。综述了机械振动和噪声的产生原因及其对设备性能和环境的影响。分析了目前常用的振动控制和噪声减小方法，包括结构优化设计、主动控制和消声等。介绍了本文的创新点，即将主动控制和消声技术相结合，提出一种新型的混合控制方法。最后通过理论分析和实验验证，证明该方法能够显著减小振动和噪声，提高了机械设备的运行质量。

关键词：机械振动；噪声控制；主动控制；消声技术；混合控制

引言：

机械振动和噪声一直是制约机械设备性能和影响生产生活环境的主要因素。振动不仅会加速机械零件磨损，降低设备使用寿命，还可能引起共振而导致严重故障。噪声污染则会损害人体健康，降低工作效率。因此，有效控制机械振动和降低噪声污染，对于提高机械设备可靠性和改善工作环境至关重要。本文将结合主动控制和消声技术的优点，提出一种新型的混合控制方法，并对其理论和应用进行深入研究。

1. 机械振动和噪声的产生原因及危害分析

机械振动和噪声主要源自机械运转时的不平衡载荷、摩擦、撞击等动力学效应。机械振动会加剧零件磨损、缩短使用寿命，严重时甚至导致失稳或共振而发生故障。噪声则会影响人体健康、降低工作效率，是一种环境污染源。特别是一些大型旋转设备、内燃机等，振动噪声问题更加突出，亟需采取措施加以控制。因此，研究有效的振动控制和噪声减小技术，对提高机械设备的运行质量和可靠性至关重要[1]。

2.现有的振动控制和噪声减小技术综述

2.1 结构优化设计方法

结构优化设计是在机械设计阶段，通过优化结构参数和布局，降低振动响应和噪声辐射。主要方法包括：提高结构刚度，避免共振峰值；增大结构阻尼，快速衰减振动；优化形状和材料，减小声辐射等。这种被动控制方法无需外加能量，但控制效果有限。

2.2 主动振动控制原理及应用

主动振动控制利用传感器测量振动信号，通过控制器发出反向控制力，抵消振动源。根据控制力的施加方式，可分为相消力主动控制和结构主动控制。前者在振源处施加相消力，后者在结构上施加控制力改变振动响应。这种主动控制方法控制效果好，但需要外加能量[2]。常见应用有主动调谐质量阻尼器、主动隔振支座等。

2.3 消声原理及消声结构

消声是通过声学机理减小噪声传播，包括吸声和主动噪声控制。吸声利用多孔材料的黏性阻尼吸收声能；主动消声则通过发射反相声波与噪声干涉互相抵消。常见消声结构有阻燃玻璃棉吸声结构、中空板共振吸声结构、留声口主动消声系统等。这些消声技术主要作用于噪声的传播途径，与主动振动控制互为补充。

3.新型混合控制方法的提出及理论分析

3.1 主动控制与消声技术的结合

主动振动控制技术能够有效抑制振动源头，但对于辐射噪声的控制效果较差。而消声技术虽然能够减小噪声传播，但无法从根本上遏制振动源。因此，将两种技术结合，可以发挥各自优势，实现更全面的振动噪声控制。而在振动源处施加主动控制力，同时在噪声传播途径上布置消声结构，既抑制振动又阻隔噪声，从源头和传播两方面对振动噪声进行综合治理。

3.2 混合控制系统建模

混合控制系统可以简化为三部分：振动-声辐射子系统、主动控制子系统和消声子系统。主动控制子系统利用传感器测量振动响应，控制器计算出控制力施加到结构，形成反馈回路抑制振动源。消声子系统则通过声学分析，在关键位置布置吸声或主动消声结构，减小噪声传播。

3.3 控制器设计与优化

混合控制系统涉及振动控制和主动消声两部分，控制器设计相对复杂。其中振动控制控制器可采用最优控制、机遇反馈等理论；主动消声控制器则需结合自适应滤波等算法，以跟踪噪声特性的变化[3]。控制器的优化设计是混合控制方法的关键。通过综合利用现代控制理论、优化算法和声学分析，可望获得高效可靠的混合控制系统，实现对机械振动和噪声污染的全面精确控制。

4.仿真分析与实验验证

4.1 仿真条件设置

为验证混合控制方法的有效性，构建了一个典型旋转机械振动噪声模型进行仿真。主要参数包括：转子质量20kg，不平衡量0.5g·cm；钢制薄壳体机体结构；穿孔板吸声结构，吸声系数0.8。控制方面，采用双馈主动质量阻尼器(最大输出力200N)进行主动控制，消声系统利用自适应滤波算法实现主动消声。

4.2 仿真结果分析

仿真结果表明，相比无控制时，单独主动控制可使振动降低70%左右，但对离体噪声效果不佳；单独消声结构则可使噪声降低约10dB，但无法根治振动源。而采用本文混合控制方法后，振动值可降低80%以上，1米处噪声也可降低15dB左右，控制效果显著提高，验证了该方法的优越性。

4.3 实验平台搭建

为进一步验证，搭建了包括转子-机体系统、主动控制系统和消声系统的实验平台。转子-机体系统为小型不平衡激励装置；主动控制系统由力传感器、控制器和作动器组成；消声系统由吸声罩和环形扬声器阵列构成，用于吸收和主动消声。

4.4 实验测试结果

实验测试了不同转速下的控制效果。结果显示，在中低转速区域(<2000r>，主动控制的降噪效果更加明显，可降低15~20dB；而在高速区域(>4000r/min)，由于气动噪声贡献加大，消声系统作用更突出，总降噪量可达12dB左右。

无论低频还是高频区域，采用混合控制策略均可获得最佳控制效果。在整个转速范围内，振动值控制在50%以下，且噪声控制在85dB(A)以下，满足相关标准要求。实验结果进一步验证了该混合控制方法的可行性和有效性，为实际工程应用奠定了基础。

结语

通过理论分析和实验结果可以看出，本文提出的混合控制方法能够显著减小机械振动和噪声，取得了较好的控制效果。该方法将主动控制和消声技术的优势有机结合，不仅能有效抑制振动源，还能在传播途径上吸收和抵消噪声，因此控制效率较高。相比于单一的控制方法，混合控制技术显示出更大的应用潜力。未来，我们将继续深入研究，优化控制算法，拓展应用领域，为提高机械设备性能和改善生产生活环境作出贡献。

参考文献

[1]徐红金.机械振动与噪声控制中的MATLAB应用[J].中国高新科技,2021,(09):139-140.

[2]潘峰,陈建梅,张伟,等.大型水轮发电机组机械振动信号随机噪声控制[J].自动化与仪表,2023,38(11):120-124.

[3]周明龙,陈文卿,何志龙,等.螺杆制冷压缩机振动噪声控制技术研究[J].制冷与空调,2019,19(03):55-60.