基于統(tǒng)計能量分析的簇絨地毯織機高頻噪聲抑制

張子煜， 徐 洋， 盛曉偉， 解國升

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

紡織行業(yè)修訂的FZ/T 94056—2010《數字化簇絨地毯織機》標準中規(guī)定,簇絨地毯織機的工作噪聲聲壓級限值為75 dB。但是，現(xiàn)階段我國簇絨地毯織機車間的噪聲基本都在標準限值以上。紡織工人長期暴露在這種極其強烈的噪聲環(huán)境中，聽覺器官會發(fā)生急劇外傷，引起鼓膜破裂出血，甚至可能完全失去聽力，出現(xiàn)暴震性耳聾。高頻噪聲更是會引起血管緊張度增加以及血壓升高[1],因此，對簇絨地毯織機的高頻噪聲進行抑制是非常有必要的。

目前，國內外關于噪聲的研究主要采用3種方法：有限元方法(FEM)、邊界元方法(BEM)以及統(tǒng)計能量分析法(SEA)。由于系統(tǒng)模態(tài)密度等因素的制約，前二者應用范圍被限制在400 Hz以內的低頻段，統(tǒng)計能量分析法則是可以用于解決復雜系統(tǒng)的寬帶高頻動力學問題的有效方法[2-3]。在國內，SEA廣泛應用于車輛工程、船舶工程等領域。陳書明等[4]提出基于SEA原理分析預測車外噪聲的新方法，并驗證了該方法的有效性。胡凡等[5]利用SEA方法對船舶約束阻尼結構和自由阻尼結構的隔聲性能進行分析，得到了不同約束條件及不同敷設方式對隔聲量的影響規(guī)律。除此之外，SEA還應用在航空航天等領域。陳曦等[6]以衛(wèi)星天線為例，建立了天線的 SEA 模型，研究了統(tǒng)計能量參數對計算結果的影響，并驗證了該聲振響應方法用于天線結構噪聲振動響應預示的有效性。

迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)國內外應用SEA方法對高端紡織機械設備噪聲進行建模和分析的研究成果。為此，本文提出了用SEA對簇絨地毯織機高頻噪聲抑制的思路，建立了簇絨地毯織機的統(tǒng)計能量分析模型，獲得聲壓級信號，并有針對性地采用多孔吸聲材料對簇絨地毯織機高頻噪聲進行抑制，取得了較好的效果，為簇絨地毯織機的高頻噪聲控制提供了新的途徑。

1 統(tǒng)計能量分析的基本原理

統(tǒng)計能量分析法(SEA)的基本思想是將一個完整的復雜系統(tǒng)分割為多個耦合子系統(tǒng)，利用振動能量描述各個子系統(tǒng)的特性；利用系統(tǒng)參數建立不同子系統(tǒng)之間的能量傳遞關系，推導出系統(tǒng)能量平衡方程；利用系統(tǒng)的能量平衡方程計算獲得各個子系統(tǒng)所儲存的能量，進而獲得各個子系統(tǒng)的振動聲輻射及振動響應[7]。對于具有N個子系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)間的能量傳遞關系如圖1所示。

圖1 子系統(tǒng)間的能量傳遞示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy transfer between subsystems

假設簇絨地毯織機的SEA模型可以劃分成N個子系統(tǒng)，則某個子系統(tǒng)i的內損耗功率Pid為

Pid=ωηiEi

(1)

式中：ω為1/3倍頻帶中心圓頻率，rad/s；ηi為簇絨地毯織機子系統(tǒng)i的內損耗因子；Ei為簇絨地毯織機子系統(tǒng)i貯存的能量，J。

子系統(tǒng)i與子系統(tǒng)j間功率流Pij傳遞關系為

Pij=ωηijEi-ωηjiEj

(2)

niηij=njηji

(3)

式中：ηij、ηji均為簇絨地毯織機子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)j間的耦合損耗因子；ni、nj分別為子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)j的模態(tài)密度,Hz-1；Ej為子系統(tǒng)j貯存的能量，J。

當外界對子系統(tǒng)i施加激勵時，其輸入功率Pi,in可表示為

(4)

式中，ηik為簇絨地毯織機子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)k間的耦合損耗因子。

由此，在所研究頻域范圍內簇絨地毯織機子系統(tǒng)i的聲壓級為

(5)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；c為聲速，m/s；p0為參考聲壓，取p0=2×10-5Pa；V為聲學空間的容積，m3。

簇絨地毯織機高頻噪聲抑制的具體流程如圖2所示。首先對簇絨地毯織機建立初步SEA模型；隨后對其添加簇絨地毯織機實際參數，包括模態(tài)密度、內損耗因子、耦合損耗因子以及外部激勵，使SEA模型與實際簇絨地毯織機更加吻合。在驗證了SEA模型的有效性后，進一步對高頻噪聲進行抑制研究。

圖2 噪聲抑制流程圖Fig.2 Flow chart of noise suppression

2 簇絨地毯織機SEA模型的建立

基于統(tǒng)計能量分析原理的基本假設以及上述基本原理，以GB/T 7111.6—2002 《紡織機械噪聲測試規(guī)范 第6部分：織造機械》中的要求“織機噪聲測點須距機器表面1 m，距地面或工作臺高度1.6 m?！睘橐罁?，根據簇絨地毯織機原型以及統(tǒng)計能量分析子系統(tǒng)劃分與建模的簡化原則[8]，建立如圖3所示的簇絨地毯織機的SEA模型。

圖3 簇絨地毯織機SEA模型Fig.3 SEA model of tufted carpet loom.(a) Structural SEA model; (b) Acoustic cavity SEA model

簇絨地毯織機結構SEA模型共包含有56個節(jié)點，13個結構子系統(tǒng)以及10個聲腔，其中包含距簇絨地毯織機1 m范圍內的工人工作區(qū)域聲腔建模，以及房間內部其余區(qū)域聲腔建模。

由于簇絨地毯織機內部結構復雜，主要由提花部件、平圈送紗部件、耦連軸系部件、主軸曲柄機構和箱體等部分組成?？棛C運轉過程中，存在高速回轉、往復、多運動耦合的復雜狀況，噪聲源不止一個，如電動機、電動機主軸及其從動機構產生的振動噪聲和針排穿刺基布產生的摩擦噪聲等。運用統(tǒng)計能量分析法計算獲得的聲腔聲壓級則是簇絨地毯織機各處噪聲源所產生的噪聲之和。圖3(b)所示即為運用統(tǒng)計能量分析法建立的聲腔SEA模型。

3 簇絨地毯織機SEA模型參數計算

為了能夠使模型各子系統(tǒng)的特性貼近實際簇絨地毯織機系統(tǒng)的特性，需要對SEA模型各子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內損耗因子以及各子系統(tǒng)間的耦合損耗因子3個參數進行計算，并將這些參數代入模型中。

3.1 模態(tài)密度

SEA模型子系統(tǒng)的模態(tài)密度是指該子系統(tǒng)在某一頻率范圍內單位頻段內的模態(tài)數。它代表著在某一頻段內子系統(tǒng)的模態(tài)密集程度，也代表著振動系統(tǒng)貯存能量的能力。能量流動方向為低模態(tài)密度子系統(tǒng)到高模態(tài)密度子系統(tǒng)。

簇絨地毯織機結構SEA模型均由平板件建立完成，計算其模態(tài)密度可直接以規(guī)則板件處理。二維平板的模態(tài)密度n(f)為

(6)

(7)

簇絨地毯織機各平板結構子系統(tǒng)的模態(tài)密度計算結果如表1所示。

表1 平板結構子系統(tǒng)模態(tài)密度Tab.1 Modal density of plate structure subsystem

3.2 內損耗因子

內損耗因子代表著子系統(tǒng)在單位時間、單位頻率內部損耗的能量與平均儲存能量的比值。能量流動方向為高內損耗因子系統(tǒng)向低內損耗因子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)i的內損耗因子ηi主要是由結構損耗因子、振動聲輻射阻尼形成的損耗因子以及邊界連接阻尼構成的損耗因子構成，即：

ηi=ηis+ηir+ηib

(8)

式中：ηis為結構子系統(tǒng)本身材料內摩擦所構成的結構損耗因子；ηir為結構子系統(tǒng)振動聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib為結構子系統(tǒng)邊界連接阻尼構成的損耗因子。

一般地，通過查閱材料手冊的方式可以獲得結構損耗因子ηis。由于簇絨地毯織機各結構子系統(tǒng)的組成成分均為鑄鐵，因此可查鑄鐵的結構損耗因子為1.0×10-3。

聲輻射阻尼形成的損耗因子ηir可表示為

(9)

式中：ρ0為空氣密度，1.29 kg/m3；ρs為表面質量密度，kg/m2；σsa為結構輻射比，且有

(10)

(11)

式中，h為板厚，m。

對于規(guī)則板件而言，邊界連接阻尼對其影響較小，故邊界連接阻尼所構成的損耗因子在內損耗因子的計算中可忽略。

基于上述分析可見，簇絨地毯織機結構子系統(tǒng)的內損耗因子均可通過理論計算的方法獲得。其中，正面板與背面板的內損耗因子如圖4所示。

圖4 簇絨地毯織機板子系統(tǒng)內損耗因子Fig.4 Loss factor in board subsystem of tufted carpet loom

3.3 耦合損耗因子

耦合損耗因子代表著2個子系統(tǒng)間的耦合程度，也代表著子系統(tǒng)間能量流動過程中的損耗特性。能量流動方向為直接激勵子系統(tǒng)到被間接激勵的子系統(tǒng)。

互相耦合的子系統(tǒng)之間的耦合損耗因子為

(12)

式中，σ為輻射比，且

(13)

根據上述分析可計算獲得簇絨地毯織機結構子系統(tǒng)的耦合損耗因子，如圖5所示。

圖5 簇絨地毯織機板子系統(tǒng)耦合損耗因子Fig.5 Coupling loss factor in board subsystem of tufted carpet loom

4 簇絨地毯織機SEA模型有效性驗證

本文測試對象為DHU-2型簇絨地毯織機，主軸轉速為350 r/min。采用PCB@公司的加速度傳感器，并結合DH5922動態(tài)信號測試分析儀和DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集振動加速度信號。采樣頻率設置為10 kHz。簇絨地毯織機振動加速度信號測量實驗現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖6 簇絨地毯織機實驗現(xiàn)場圖Fig.6 Test site of tufted carpet loom

依據實驗測點布置的基本原則[9]，將簇絨地毯織機的正面板與背面板分別劃分為18個子單元，左側面板及右側面板分別劃分為9個子單元，頂板劃分為6個子單元。而后將加速度傳感器依次粘附于各個子單元采集振動加速度信號。共采集5組振動加速度數據，并對5組數據的平均值進行分析，得到各個面板的振動加速度激勵譜。其中簇絨地毯織機正面板與背面板的振動加速度激勵譜分別如圖7所示。

圖7 振動加速度激勵譜Fig.7 Vibration acceleration excitation spectrum

將上述通過實驗及計算得到的模態(tài)密度、內損耗因子、耦合損耗因子以及各個面板的振動加速度激勵譜施加到已建立的簇絨地毯織機SEA模型中，并輸入組成材料的密度、彈性模量、泊松比等參數后經統(tǒng)計能量分析計算，得到簇絨地毯織機SEA模型中各聲腔的聲壓級情況。

采用16通道的BK4961傳聲器陣列，結合DH5922動態(tài)信號測試分析儀和DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)測量實際高頻噪聲聲壓級情況。以工人工作區(qū)域為例，圖8示出簇絨地毯織機SEA模型聲壓級實驗值與仿真值對比?？梢钥闯?，SEA模型仿真結果與實驗測量結果較為吻合，準確度高。在500～2 000 Hz的高頻范圍內，仿真誤差小于4 dB，其中二者在500 Hz時相差最大，最大值為3.9 dB。在315 Hz之后的高頻段內，實驗值與仿真值更加吻合，即統(tǒng)計能量分析法在高頻段噪聲處更精確。由此驗證了簇絨地毯織機SEA模型的有效性以及準確性。

圖8 工人工作區(qū)域聲場實驗與仿真結果對比Fig.8 Comparison of sound field experiment and simulation results in working area of workers

5 簇絨地毯織機高頻噪聲抑制

簇絨地毯織機工作時其噪聲聲壓級超過了規(guī)定的75 dB(見圖8)，充分顯示了噪聲抑制的必要性。為實現(xiàn)簇絨地毯織機工作噪聲的抑制，本文采用三聚氰胺泡沫吸聲材料并結合已驗證準確性的SEA模型對簇絨地毯織機高頻噪聲進行研究。三聚氰胺泡沫吸聲材料具有高開孔率及均勻的孔隙結構，使入射波能夠方便有效地進入材料深層，因此具有良好的吸聲性能[10]。

為了驗證三聚氰胺多孔吸聲材料對簇絨地毯織機高頻噪聲抑制的有效性，選取適當厚度的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板進行仿真與實驗的結果對比，驗證該材料的吸聲有效性。結合經濟性以及實驗室空間適用性，以厚度等于40和60 mm為例，進行上述驗證。

將2種不同厚度的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板分別粘附在簇絨地毯織機SEA模型表面，經仿真計算獲得噪聲抑制仿真結果。同時搭建如圖9所示的實驗平臺，實驗測量降噪效果。

圖9 降噪實驗平臺Fig.9 Noise reduction experiment platform

對簇絨地毯織機表面分別粘附與仿真計算相同的三聚氰胺多孔吸聲泡沫板，再次采用16通道的BK4961傳聲器陣列，結合DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集降噪后的聲信號。圖10示出施加三聚氰胺多孔吸聲材料前后實驗與仿真的噪聲情況對比。

圖10 簇絨地毯織機噪聲抑制情況Fig.10 Noise suppression of tufted carpet loom

從圖10可以看出，經三聚氰胺泡沫吸聲材料作用后，理論降噪可達15 dB左右，且高頻噪聲降噪效果更為顯著。同時，三聚氰胺泡沫吸聲板材越厚，降噪效果越為明顯，由此充分顯示了三聚氰胺多孔吸聲材料對簇絨地毯織機噪聲抑制的有效性。在500～2 000 Hz高頻范圍內，仿真降噪效果比實驗降噪效果更明顯，仿真誤差在9 dB以內，其中在1 250 Hz時相差最大，最大值分別為8.26以及7.93 dB。

6 結 論

本文基于統(tǒng)計能量分析法，結合簇絨地毯織機結構特點，對織機在正常工作狀態(tài)下的高頻段聲場數據進行抑制，得出如下結論。

1) 運用統(tǒng)計能量分析法獲取簇絨地毯織機高頻噪聲聲壓級的方法，能有效表達出簇絨地毯織機的高頻噪聲。

2) 基于統(tǒng)計能量分析法的簇絨地毯織機SEA模型的仿真值與實驗值誤差在高頻段內相差均小于4 dB。該模型能有效地計算出高頻噪聲聲壓級情況。

3) 基于三聚氰胺多孔吸聲材料的簇絨地毯織機高頻噪聲抑制方法的理論降噪可達15 dB左右，且噪聲頻率及材料厚度均對吸聲效果有一定影響。