簇絨地毯織機結構振動聲輻射特性研究

徐 洋，趙錦艷，盛曉偉，張曉蕾

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

簇絨地毯織機噪聲工況異常復雜，經調研發現，當前地毯紡織車間的噪聲值均超2013年國家新修訂的GB/T50087-2013《工業企業噪聲控制設計規范》[1]中規定的生產車間噪聲限值85 dB。強烈的環境噪聲會對紡織工人的身心健康造成嚴重的危害。

目前，國內外關于簇絨地毯織機噪聲的研究較少，尤其在國內，簇絨地毯織機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機械設備噪聲產生的原因與測試方法。另外趙建民[3]等對D3603型牽伸加捻錠子的噪聲產生原因進行分析，并提出通過改進結構進行降噪的措施。因此進行簇絨地毯織機結構振動噪聲特性研究，是進一步進行簇絨地毯織機工作空間降噪的關鍵。

在聲學仿真方面，有限元法在地鐵[4]、乘用車[5]等噪聲仿真中得到廣泛應用，而邊界元法是將離散與解析相結合的一種半解析數值法，降低了聲學問題的維度，大大減少了計算量，不僅應用于汽車[6–7]的振動輻射噪聲預測，而且在橋梁[8]、高速列車[9]、船舶[10]等結構振動聲輻射問題中得到了廣泛應用。

本文運用聲學邊界元法，結合專業聲學軟件LMS Virtual.Lab Acoustics建立簇絨地毯織機織造機構和工作空間的邊界元模型。采用實測振動數據進行簇絨機結構的加速度響應計算，以此為聲學邊界條件進行結構振動輻射噪聲計算，并研究其工作空間中復合聲場的分布特性。最后采用聲壓傳感器測得工作空間中工人耳旁的聲壓數據，驗證聲學計算的可靠性，為下一步實施地毯織機降噪措施提供了理論基礎。

1 簇絨機噪聲分析及工作空間介紹

1.1 簇絨機噪聲分析

簇絨地毯織機結構系統主要有主機系統、針排及橫動系統、成圈系統等組成。在織造過程中由電機驅動帶輪并帶動主軸旋轉，主軸再通過針排連桿機構與針排、鉤針相連，帶動上下兩個從動機構運動。主要功能構成圖如圖1所示。

圖1 簇絨織機功能構成圖

根據各結構間的運動關系分析可知，織造過程中主要的噪聲源為主、從動軸及連桿機構的振動噪聲，次要噪聲源有針刺底布噪聲、電子羅拉的轉動噪聲等。次要噪聲源量級較小，因此本文主要研究簇絨地毯織機主、從動軸及連桿機構（主織造機構）的振動噪聲特性。

1.2 簇絨地毯織機工作空間介紹

本文研究對象為DHU-2型簇絨地毯織機，其工作空間（實驗室）中存在多個機器和其他設備。實驗室基本布局及尺寸如圖2所示。為建立更加準確的工作空間聲場邊界模型，需要了解內部各機器的材料屬性。實驗室內各機器、儀器屬性如表1所示。

圖2 實驗室布局圖

由圖2可看出室內障礙物較多，簇絨織機結構振動輻射噪聲在室內的傳播會受到各種障礙物的影響，準確建立包括障礙物[11](實驗室機器等)在內的復雜聲場邊界模型，才能更準確地研究其振動輻射噪聲的分布特性。室內三塊玻璃結構尺寸較大，厚度僅為2 mm，簇絨機結構聲輻射作用會引起薄板玻璃的振動，從而向室內輻射噪聲。因此在分析簇絨機工作空間噪聲特性時將考慮玻璃的耦合作用。

2 簇絨機主織造機構輻射噪聲計算與聲場特性分析

2.1 聲學理論及分析流程

2.1.1 聲學邊界元理論

依據聲學原理，均勻理想流體介質中具有簡諧解的小振幅聲波波動可以用Helmholtz微分方程表示

式中：?2為Laplace算子；p(x)為結構表面x處的聲壓。采用直接邊界元法，利用格林公式，可將式（1）轉化為簇絨地毯織機振動結構表面上的Helmholtz積分方程

表1 實驗室內部機器、儀器材料屬性

式中：p(x)和p(y)分別為x點和y點的聲壓。

采用間接邊界元法計算簇絨機主織造機構在工作空間中的噪聲，其計算公式是從式(2)所示的直接邊界元方程推導而來，以簇絨機結構表面的聲壓差和聲壓梯度差為未知變量，在邊界表面兩側分別對內外場問題應用上述直接邊界元內外場的Helmholtz邊界積分方程，然后將兩式相加即可得到聲場域內任意點的聲壓

式中：σ為結構表面的法向壓力梯度差；μ為結構表面的聲壓差。

2.1.2 分析流程

為得到聲學仿真的邊界條件，以實測振動速度數據作為激勵，進行簇絨機結構振動響應計算。然后以此為邊界條件進行聲場分析，具體分析流程如圖3所示。

圖3 分析流程

2.2 基于模態疊加法的地毯織機結構振動響應計算

采用ANSYS軟件建立簇絨機結構有限元模型，如圖4所示。

圖4 簇絨機結構有限元模型

使用LV-S01激光測振儀測量簇絨地毯織機關鍵位置的振動信號，測量距離取為2.0 m，速度量程取為50 mm/s，分別測得主軸靠近電機作用點、鉤從動軸與主軸連接作用點等關鍵位置的振動速度信號。其中測點位置如圖5所示，測點1的時域信號如圖6所示。

圖5 測點位置示意圖

圖6 測點1時域速度信號

將所測得時域振動信號變換為頻域信號作為激勵作用于簇絨機結構有限元模型，進行基于模態的振動響應計算。所測振動信號基本在1 000 Hz以下，且800 Hz～1 000 Hz的振動信號基本為零，因此本文僅進行0～800 Hz頻段的計算。其中靠近電機帶輪位置節點的振動加速度響應曲線如圖7所示。由圖7可看出主軸與帶輪連接位置處的振動速度頻率主要分布在400 Hz以下頻段。

圖7 振動加速度

將上述計算得到的整體模型的振動加速度數據映射到模型邊界元網格上，并建立加速度邊界條件，進行傳動機構的振動輻射噪聲計算。

2.3 地毯機結構振動噪聲及耦合聲場計算

采用LMS Virtual.Lab建立簇絨機主傳動機構的邊界元模型、包括障礙物在內的工作空間的邊界元模型和室內三塊玻璃的結構網格。將2.2小節中分析所得的加速度邊界條件從結構有限元模型映射到邊界元模型中，計算地毯機結構的聲學特性。主軸傳動機構的邊界元模型通過在其有限元模型的基礎上提取面網格，并對網格進行粗化得到，滿足最大單元的邊長小于計算頻率乘以最短波長的六分之一。具體模型如圖8所示。

圖8 結構與聲學網格

為研究結構振動體表面的振動噪聲特性，采用直接邊界元法，進行結構的外場噪聲計算。設置空氣密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，參考聲壓為2×10-5Pa，計算頻段為0～800 Hz，步長為5 Hz。同時在橫向和縱向分別插入場點網格以觀察結構振動噪聲的輻射特性，計算結果如圖9、圖10所示。

圖9 振動體表面聲壓級云圖

圖10 地毯機結構外場輻射云圖

由圖9可看出簇絨織機結構振動體表面的聲壓級在頻率較低的50 Hz時，電機帶輪與主軸連接點處是振動輻射噪聲較高的部位，其最大聲壓級達到了104 dB。在結構體表面振動噪聲計算的整個頻段內，200 Hz處聲壓級達到了最大值，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，以及針從動軸與針排擺桿連接處。在這些部位主要是由于各結構間的相互作用，產生較大的振動噪聲。

由場點云圖(見圖10)可看出在同一距離條件下，聲壓級總體呈瓣狀分布，且在橫向上瓣狀分布較為明顯；在同一角度上，聲壓級隨距離的增加而逐層遞減。由此可看出簇絨機主織造機構的輻射聲場具有較為明顯的指向性。

簇絨機結構振動在工作空間中的噪聲聲場是一個復合聲場，在計算時考慮到室內薄壁玻璃對室內聲場的影響，采用間接邊界元法進行簇絨機結構的耦合聲場計算，同時在空間中插入六個面場點網格，研究其聲場分布特性，計算結果如圖11所示。

圖11 工作空間場云圖

由圖11可知，整個聲場是各個結構體振動噪聲的疊加與室內多個障礙物干涉作用后的復合聲場，在頻率較低處的聲場內聲壓分布非常不均勻，出現了整個聲場內明顯的聲波疊加引起聲壓增大或消減的區域交錯分布的現象。隨著頻率的升高，不同聲壓值的點狀區域面積逐漸變小，整個聲場分布較為均勻，屬于聲場穩定區。

為研究工人作業位置的噪聲環境，依據文獻[13]在聲場模型中插入工人人耳位置的場點網格，計算其聲壓級曲線圖如圖12所示。

圖12 工人人耳位置場點聲壓級

由圖12可看出工人人耳處的聲壓級在28 Hz、58 Hz、116 Hz、150 Hz、162 Hz等位置處出現了峰值，且主要的噪聲源集中在400 Hz以下。通過Virtual.Lab Acoustics計算出圖12中人耳處總的聲能量為90 dB，噪聲值超過文獻[1]所規定的85 dB，因此工人作業環境中噪聲值較高，長期作業條件下對工人身心影響較大。

3 實驗

為驗證仿真結果的可靠性，采用16通道聲陣列傳感器和東華測試動態測試儀進行簇絨地毯織機實驗室內噪聲值的測量。并依據文獻[11]測量工人人耳位置的噪聲值，現場測量圖如圖13所示。

圖13 現場實驗圖

將測量所得工人人耳處的聲壓信號變換成聲壓級信號，并進行快速傅里葉變換得到頻域圖如圖14所示。

圖14 實測工人人耳處聲壓級

將仿真的結果與實驗數據進行對比可知，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等處出現了峰值，在400 Hz以上的頻段，仿真得到的噪聲值明顯低于實驗測得噪聲值5 dB～10 dB。此處主要是由于本文僅僅進行了簇絨機主織造機構的振動噪聲計算，未考慮針刺底部噪聲、電子羅拉轉動噪聲及針與針之間的沖擊噪聲等次要噪聲。主、從動軸及連桿機構的振動噪聲主要集中在低頻處，而簇絨針產生的沖擊噪聲主要集中在中高頻段，導致仿真得到的數據在400 Hz以上總體小于實測的噪聲值。因此工人作業位置處的噪聲值實際應超過仿真值90 dB，長期作業條件下會嚴重影響工人健康，在簇絨機工作空間中采取必要的降噪措施是急需解決的問題。

4 結語

本文采用聲學邊界元法，結合實際簇絨地毯織機復雜工作空間的特點，運用專業聲學軟件LMS Virtual.LabAcoustics進行地毯織機機構的輻射噪聲計算，得出如下結論：

（1）采用直接邊界元法計算得到的簇絨地毯織機主織造結構表面的振動噪聲主要以主軸及其與連桿機構連接位置處的噪聲為主，其外場輻射總體呈瓣狀分布，具有明顯的指向性。

（2）對耦合后的聲場模型進行振動輻射計算可知：工作空間中的聲場是各振動噪聲源的疊加與室內障礙物干涉后的復合聲場，同時隨著頻率的升高，不同聲壓值的點狀區域面積減小，聲場由紊亂區逐漸變為穩定區。

（3）通過在簇絨機工作空間聲場模型中插入場點網格進行聲學場點響應計算可知：地毯織機工作空間中紡織工人作業位置處的噪聲值較高，超過國家標準限值85 dB，因此下一步進行簇絨地毯織機主動降噪具有重要意義。