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探讨噪音和振动分析和控制

简介

任何在汽车行业工作过的人都可能熟悉首字母缩略词NVH,它代表噪音,振动和声振粗糙度 - 一个术语,指的是设计运行更安静,更平稳的汽车的总体目标,从而获得更高质量,更可靠的产品。对NVH问题的关注远远超出了汽车行业,几乎所有类型的零件,设备或结构,并且已成为当今大多数产品设计师的普遍关注点。

本文从一位从事此研究领域多年的顾问视角出发,围绕噪声和振动控制以及分析技术进行一般性讨论。宝德(Boyd)致力于将此咨询性问题解决方法应用于如何利用系统性分析思维过程理解问题的博弈论,以便推荐最合适的对策,从而帮助客户解决问题。

对于某些极端情况,NVH问题可能导致设备的操作故障或机械故障。然而,NVH问题通常与感知到的质量问题有关。图1是源/响应关系的简单说明,其中典型的NVH条件表示为激励源的某种组合,这些激励源以某种方式与结构的动力学相互作用,以产生透射振动和/或噪声条件,而这种振动和/或噪声条件又被产品用户感知到,无论有利与否。在这里,对优质产品的感知不仅受到发射振动或辐射噪声的整体水平的影响,还受到这些输出对产品用户的主观性质的影响。

在最好的情况下,通过特定的设计和组件选择,可以在设计周期的早期避免许多潜在的NVH问题,以便将噪声和振动源水平控制在可接受的水平,并将制造变化保持在最低限度。结果是NVH在源层得到控制,这显然是所有产品设计师的愿望。通常,这不是一个经济的选择,或者实现这一目标说起来容易做起来难,因为通常很难理解具体的设计决策将如何影响运行性能,从而影响噪声和振动特性。很多时候,NVH问题直到设计被冻结后才被发现,并且控制问题的选项仅限于“附加”类型的对策。

图 1:源/响应行为
图 2:谐波源激励

激励源控制

激励力的类型可以有多种形式。许多产品包含旋转电机、风扇、齿轮等,其中旋转部件的不平衡或驱动轴的不对中会导致不必要的激励力。这些本质上是离散的,通常包含基本转速处的突出峰值加上该音调的谐波倍数。例如,对于正在运行的风扇,在基本转速乘以风扇叶片数的倍数时也会产生干扰。

其他因素,如轴承载荷或载荷波动(通常由电驱动)可以产生额外的激励输入。组件往复运动的操作行为,特别是当它导致零件之间的硬冲击时,既可能导致往复频率下的强制激励,也会导致冲击瞬变,从而在很宽的频率范围内输入能量。力级的电平和频率范围都受所涉及的部件的质量以及接触点之间的硬度的影响(即金属接触上的金属将导致能量分布在非常宽的频率范围内)。在正常工作条件下,部件的快速启动/停止运动也可能是瞬态负载的来源,这些负载往往会使结构自激励。

这方面的一个例子是典型硬盘驱动器的读/写操作,该硬盘驱动器在正常读/写操作期间在磁盘介质上从一个轨道移动到另一个轨道时,会经历arm组件的快速旋转驱动。每个硬启动和停止动作都像一个微型冲击锤撞击结构并激发其所有内部共振。这是有问题的,因为系统中没有足够的阻尼来快速消散读/写磁头的这种不需要的运动。最终,可能会发生偏离轨道的错误,从而降低设备的性能。

进一步阐述这个例子,典型的硬盘驱动器受到一系列激励源的影响:旋转磁盘盘片的旋转主轴电机,旋转盘片到7500或10000 RPM,旋转驱动音圈电机,旋转手臂执行器组件,手臂枢轴或主轴轴承的轴承效应产生不必要的干扰, 并且空气从旋转盘的湍流气流中诱导激发,将空气推过手臂/悬架组件。目标是通过各种设计选择在源级控制这些激励力。例如,一旦驱动行业转向更精确的流体动力轴承,驱动器产生的怠速噪声就得到了显着改善。按照更高的质量标准制造的更高质量的组件通过收紧组件公差来减少变化,进一步帮助降低激励水平。空气引起的振动是当今高速驱动器的副产品,但即使是这个源也可以通过使用空气矫直装置来控制,这些装置有助于最大限度地减少湍流的气流,从而减少这种宽带激励源到盘片和执行器。

通常,最小化激励源电平的策略涉及诸如使用轻质元件来降低力水平,最小化元件之间的不平衡和不对中,以及消除不需要的变化的更精确的制造方法。通过减少运动部件的质量或使用惯性平衡,可以减少往复载荷。对于齿轮部件,选择高接触比(>2.0),适当的润滑,选择齿轮材料,齿形和表面光洁度以及轴对中都是影响良好齿轮设计和操作的因素。其他方法涉及修改实际操作配置文件,从而牺牲速度或功率以获得更好的NVH特性(即以较慢的速度运行的冷却风扇的“安静模式”,通常主动控制以控制冷却需求,或者由于功率较小的组件而需要更长的时间来冷却的汽车空调, 或者以更长的寻道时间为代价,缓慢减速至停止以最小化激励水平的硬盘驱动器)。

结构响应

对于理解噪声和振动源的性质同样重要,还必须全面了解结构的动力学如何与这些输入强迫函数相互作用,以及哪些因素对所述NVH条件最重要。特别是,噪声和/或振动通过什么传输路径从源到接收器?激励源的频率成分的性质是什么,这与器件的结构动力学有什么关系?NVH问题的性质是否主要受结构共振相互作用的影响,还是在刚度受控(低频)范围内或质控(高频)范围内是否存在输入激励的“非共振”?有关典型结构动态行为的一般说明,请参见下图。

共振存在于每个结构中,并被归类为倾向于充分输入能量的结构不稳定性。放大水平是结构中存在的固有阻尼水平的函数。在典型的频率响应频谱中,如图1所示的理论结构,谐振被表示为在特定频率下发生的尖锐峰值。阻尼水平反映在峰值的“锐度”上,自然界越圆润,存在的阻尼水平就越高。这些峰值在频率上的位置与结构的质量和刚度特性有关。

图 3:典型结构响应
图 4:机械隔离的简化表示

当激励发生在远低于这些共振的激励时,在结构的刚度控制区域中,存在强制响应条件,其中对激励力的响应由结构的刚度控制。当激励输入远高于响应的质量控制区域中的共振时,我们也可能具有强制响应条件。在这里,组件之间的固有顺应性可以隔离振动的传输,并倾向于降低响应水平。响应运动与输入激励的比率称为透射率。参见图4,了解该结构的简化表示,以及隔离如何降低较高频率下的激励水平的示例。在这里,结构表示为通过弹簧元件附着在地面上的集总质量(在这种情况下,粘弹性弹簧具有刚度和阻尼特性作为位移的函数)。

弹性支架、弹簧或弹性垫片通常用于将结构连接到地面或插入组件之间,目的是在振动源和结构之间引入一个顺应的接口,沿着结构承载的传输路径。通常使用结构的单自由度模型(由通过弹簧和阻尼元件连接的质量元件组成)来优化隔离性能。弹簧刚度选择尽可能弱,以将隔离区域的截止频率fc(透射率<1.0)推低到尽可能低。隔离器仅在此截止频率以上工作。在共振下方,结构和底座一起移动。在谐振时,隔离系统实际上放大了输入力,通常达到过高的水平,需要增加隔离器的阻尼水平。然而,这样做会损害较高的频率隔离性能,其中基波谐振的降低也意味着隔离与频率的急剧衰减率较低。

结构的刚度变化是一种常用的方法,可以帮助将来自耦合的激励输入与已知共振不匹配,这将导致过度放大。但是,刚度的改变也可以通过降低刚度水平来帮助改善较高频率下的隔离效果(如图5所示),或者通过增加刚度来降低较低频率下的响应水平,从而降低顺应性。

图5:刚度修改的影响

声学控制方法

到目前为止,讨论一直集中在强制响应类型的条件下,其中能量通过结构传播路径从源传递到接收器。但是,当大部分能量通过直接的空气传播路径传导时,情况又如何呢?在这里,结构的隔离方法是无效的,质量/刚度/阻尼变化只有在这些修改本身降低噪声源水平时才会有所帮助。其他技术可以应用于通过声学吸收和/或屏障处理的组合来处理辐射噪声。

吸收器是由多孔弹性材料制成的附加处理,能够吸收一部分辐射噪声并削弱反射的声波。这些材料可以是各种类型的纤维(即玻璃纤维或聚酯)消光材料或软质蜂窝泡沫材料(聚氨酯,聚酰亚胺,聚丙烯等)。吸收器可以切割成各种厚度(越厚越好,吸收到具有较长波长的较低频率),以排列外壳的内壁,封装噪声源或创建通过结构的管道气路(最好不是在直线方向上,而是通过曲折路径)。

吸收器还与跛行质量或隔膜层相结合,以产生屏障处理,其中不允许噪声通过结构,而是反射回外壳。吸收治疗也可以配置为具有轻质,穿孔的皮肤或压花图案,以改善较低频率的吸收性能(以牺牲高频吸收为代价)。

其他更先进的基于空气载的设备类型,如消声器、谐振器和空气矫直器,可以整合到结构中,以帮助最大限度地降低操作设备的辐射噪声水平。谐振器的作用类似于窄带抑制滤波器,可改善由谐振腔和连接孔的几何形状定义的指定频率范围。空气矫直器通过将气流通过指定长度和直径的平行管的蜂窝结构,有助于最大限度地减少空气通过开口或管道的湍流性质。

阻尼控制方法

当激励能量存在于结构响应的谐振区域中时,就会发生共振条件,其中结构的这些自然不稳定性可以将输入能量放大到过高的水平,特别是当激励力的性质是离散的或谐波性质时。如果无法改变共振的位置(通过质量/刚度变化)或输入激励的性质,那么增加固有阻尼水平就是目标。这可以通过各种附加类型设备来实现,这些设备可以在各种方法中工作。根据定义,机械阻尼是指通过某种方式将振动能量传递到热量中。阻尼可以以多种形式发生:

    类型
  • 机械接头阻尼
  • 粘性(流体)阻尼
  • 颗粒/粉末阻尼
  • 压电阻尼
  • 库仑摩擦阻尼
  • 空气阻尼
  • 材料阻尼
    阻尼机构
  • 配合部件之间的摩擦损失
  • 粘性流体(减震器)
  • 运动中粒子的非弹性碰撞
  • 电阻器两端的分流压电传感器
  • 高摩擦表面之间的相对运动
  • 通过活塞部件的气流受限
  • 赋予粘弹性材料的循环应变
图 6:阻尼对系统谐振的影响

对系统响应的净影响是在谐振频率下出现更圆润的峰值。用于量化阻尼的方法测量峰的“圆度”(通常称为系统损耗因子,ɳ),或发生的放大水平(放大因子Q,这是ɳ的倒数)。从理论上讲,即使在强制响应条件下,也可以在彼此相对移动的任何组件之间插入阻尼机构。然而,当由于系统中固有的阻尼水平较低而存在谐振行为时,阻尼是最有效的。附加阻尼器件的最佳情况是消除输入源电平的放大。

最常见的阻尼装置形式是利用粘弹性材料进行无约束或约束层表面处理,或作为阻尼链连接相对移动的两个部件的阻尼链。有关每个的示意图,请参见图 7。

最常见的阻尼装置形式是利用粘弹性材料进行无约束或约束层表面处理,或作为阻尼链连接相对移动的两个部件的阻尼链。有关每个的示意图,请参见图 7。

约束层阻尼器和无约束层阻尼器都是表面贴装处理,其中阻尼元件粘附在结构上。在约束层阻尼器的情况下,刚性约束层与结构相反施加,并且在循环载荷下层之间的相对运动产生赋予薄粘弹性元件的剪切应变。对于无约束的层处理,粘弹性元件必须在目标频率和温度范围内同时具有高刚度和阻尼特性(即高损耗模量)。当结构变形时,粘弹性层会受到循环载荷的影响,使材料处于应力的拉伸/压缩状态。对于阻尼连杆,粘弹性元件通过某种方式(垫片,连杆或垫片类型部件)连接在存在相对运动的两个组件之间,从而在粘弹性元件上赋予某种形式的拉伸/压缩应变剪切。为了将这些器件设计为在器件的特定工作温度范围内对目标模式有效,有必要了解这些材料的温度-频率相关特性,以便设计阻尼器并为应用选择合适的材料。

图7:粘弹性阻尼器的常见类型

结语

设计工程师必须考虑典型工作器件中存在的激励源的各个方面,了解器件的结构响应如何影响这些源,并在设计周期的早期做出明智的设计和组件选择,以帮助避免不良的噪声和振动特性。通常,必须进行设计和制造权衡,以满足性能和成本目标。

由于各种原因,在源层消除所有噪声和振动问题通常是不可能的:精密部件成本过高,难以控制制造变化和公差叠加,或者只是因为在设计周期的早期没有考虑到这些因素,当可以进行更改时。因此,对设备的结构动力学进行某种形式的修改是必要的,最有吸引力的选择通常是某种形式的转换附加对策,可以隔离振动的结构传输,阻挡或捕获辐射的空气传播噪声,或抑制不需要的谐振放大。了解特定NVH病症的基本性质是了解哪种类型的治疗方法最适合考虑的起点。

然后,更详细和细致入微的活动涉及这些控制设备的优化,因为每个控制设备都必须根据应用的频率和温度范围内的结构细节进行定制。在实现这一目标的同时满足其他产品要求(如RoHS合规性、可燃性等级和成本限制等)是当今产品设计人员面临的挑战。在未来的白皮书中,我们将更深入地探讨Boyd提供的各种转换噪声和振动解决方案的优化过程。

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