小型割草機聲學特性分析與降噪設計

李　瑋，周新民

(西南林業大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224)

小型割草機聲學特性分析與降噪設計

李瑋，周新民

(西南林業大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224)

摘要：小型割草機工作時噪聲較大，實測值>100 db，對周圍人們的工作、學習和生活造成了嚴重干擾。通過在實驗室內進行的空轉噪聲測試試驗與噪聲頻譜分析，明確了割草機聲源發聲機理，確定了噪聲控制的頻率對象，改進了原有排氣消聲器，從而降低了小型汽油機的排氣噪聲。開發設計了隔聲罩來屏蔽隔離小型汽油機其余噪聲以及刀片旋轉空氣動力性噪聲，聲學分析軟件LMS Vitual.lab仿真結果表明上述措施有效降低了割草機噪聲輻射。

關鍵詞：小型割草機；試驗測試；聲學特性分析；降噪設計

利用園林綠化機械進行作業操作的地點涉及到城市公園、街道廣場、居民小區、機關、學校和科研院所等的公共綠地，由于工作地域的特殊性，對這些機械設備工作時產生的噪聲提出了較高的環保性能要求。小型割草機工作時噪聲較大，實測值>100 db，嚴重影響了周圍人群的工作、學習和生活，同時對操作人員的身心健康也有較大的傷害；因此，必須對這類園林機械實施噪聲控制，在保證操作質量的同時降低噪聲[1-2]。在實驗室內實施了空轉噪聲測試試驗，獲取相關數據后進行了噪聲頻譜分析和數據處理，并歸納了聲源發聲規律，確定了噪聲控制的頻率對象，找到了降低噪聲的方法，并采取相應措施實施噪聲控制，最大程度上降低了其噪聲污染[3-4]。

1小型割草機結構和測試平臺的搭建

試驗以國產揚州維邦小型割草機WB530B-DL為研究對象并搭建了試驗測試平臺，割草機的外形如圖1a所示，該割草機尺寸較小，尺寸為0.13 m×0.35 m,發動機為汽油機，經查詢國標GB 1859-2000中的規定，確定該試驗用五點法進行測試。圖1a中的數字是該試驗測試中確定的5個測試點，每個測試周期采集1次噪聲數據，保存該數據并送入計算機中用數據分析軟件對其進行數據處理。該系統的結構簡圖如圖1b所示，主要由汽油機、刀片、扶手、車輪和連接軸等部件構成。噪聲測試使用的聲級計及搭建的噪聲測試系統要滿足ISO3744中規定的精度要求，試驗測試中安排的測試范圍和聲級計的放置應該符合相關國標規定的要求；因此，為滿足試驗的測量需求，該試驗在長、寬、高分別為16、12和6 m的實驗室中進行，實驗室墻面為水泥，地面鋪設可以吸收地面反射聲音的地毯，試驗測試的環境可滿足測試要求。

圖1　WB 530B-DL型割草機及其結構簡圖

WB530B-DL小型割草機結構簡單，小型汽油機安裝在一輛靠人力推動的四輪小車上，割草刀直接與小型汽油機主軸連接，之間無任何減速裝置，其工作原理為小型汽油機帶動割草刀高速旋轉，產生一定的切割力，從而進行規定高度的割草作業，把雜草切斷。WB530B-DL小型割草機噪聲來源主要為汽油機的排氣噪聲和割草刀的空氣動力性噪聲，雖然汽油機安裝了排氣消聲器，但因尺寸較小，結構簡單，降噪效果較差；小型汽油機是裸露的，噪聲直接向四周傳播，無任何遮擋，產生的噪聲對周邊環境造成嚴重污染。

2聲學特性分析

為了對噪聲源聲學特性做全面的了解，通過試驗測試，判斷總噪聲能集中的頻率區域及其各主要發聲部件的噪聲輻射強度；通過頻譜分析，確定其噪聲的頻率構成成分，明確噪聲控制的頻率對象，實現對控制對象聲學特性進行正確匹配，從而取得良好的消聲降噪效果。

噪聲測試試驗嚴格按照國標GB 1859-2000的規定進行，運用DASP軟件對采集的噪聲數據文件進行自功率頻譜分析，得到5個測點(如圖1中①～⑤)的自功率頻譜圖，測點1和測點3的自功率頻譜圖形如圖2和圖3所示。

圖2　測點1自功率頻譜

圖3　測點3自功率頻譜

測試結果表明，割草機全速工作時噪聲主要出現在600 Hz以內的低頻段，分別為29、58、116、232、348、46和577 Hz，具有明顯的規律性，峰值主要集中在116和232 Hz附近。試驗測得的割草機發動機轉速約為3 375 r/min，根據式1可求得其排氣噪聲基頻為：

考慮到割草機工作速度的不穩定性，取fk≈29r/min。由此可得割草機主要噪聲的基頻和2、4、8、16次諧頻分別為29、58、116、232和464 Hz。通常情況下，隨著諧波階次的增高，割草機排氣噪聲聲壓級逐漸降低，然而其在116和232 Hz處出現了最大值峰值。由刀片噪聲計算式2可得刀片旋轉空氣動力性噪聲基頻為：

(2)

與發動機轉速近似值fk≈29r/min相對應，取f≈113 r/min。

上述計算結果表明，割草機的排氣噪聲基頻為29 Hz，進排氣噪聲基頻為58 Hz，刀片旋轉空氣動力性噪聲基頻為116 Hz，232 Hz為其二次諧頻。割草機噪聲與發動機轉速密切相關，割草機噪聲在116 Hz處出現峰值，是發動機進排氣噪聲的二次諧頻與刀片旋轉空氣動力性噪聲基頻的疊加，232 Hz為其二次諧頻。割草機的主要噪聲是由發動機排氣脈動氣流和刀片旋轉空氣動力氣流所引起的。

3噪聲控制與降噪設計

WB530B-DL小型割草機原有發動機的消聲器結構簡單，消聲效果較差，如圖4所示的實測噪聲最大峰值>100 db。實測的WB530B-DL小型割草機有無(系列1為不帶消聲器，系列2為帶消聲器)消聲器時的比較頻譜圖如圖5所示，說明原有消聲器在噪聲最大峰值116和232 Hz處幾乎無降噪效果；因此，只要合理地設計排氣消聲器，削弱峰值噪聲，就能有效降低排氣噪聲。采用排氣消聲器方法對發動機性能影響較小且易于實現，是目前最主要、最有效和最簡單的排氣噪聲控制方法。

圖4　割草機帶消聲器頻譜圖

圖5　測點1有無消聲器的比較頻譜圖

WB530B-DL小型割草機的頻帶寬度相對較大，單純依靠排氣消聲器技術使其噪聲降低到一個理想水平是比較困難的，因此在合理設計排氣消聲器的同時，再采用隔聲罩對發動機其他噪聲以及刀片旋轉空氣動力性噪聲進行屏蔽隔離，與排氣消聲器協調工作，共同完成對WB530B-DL小型割草機的噪聲控制任務。

為加強消聲器的消聲效果，改進設計了三腔回流結構排氣消聲器，如圖6所示。在增設的隔板上開孔以增加空氣摩擦，從而提高消聲量。聲學分析軟件LMS Vitual.lab的仿真結果表明，傳遞損失曲線低頻段有所提高，基本消除了1 000 Hz前的低谷，中高頻段趨于平穩緩和(見圖7)。改進后的消聲器消聲性能優于原消聲器。

圖6　消聲器內部聲壓分布圖

圖7　考慮流速時消聲器的傳遞損失曲線

配套設計的隔聲罩采用內置微穿孔吸聲結構，具有輕質、密閉、通風和散熱好的特點，如圖8所示。聲學分析軟件LMS Vitual.lab的仿真結果如圖9所示。隨著頻率的升高，隔聲罩對噪聲的削弱效果有所增加，在0～1 000 Hz的頻率范圍，隔聲量達到4～13 db。

圖8　隔聲罩的Pro/E模型

圖9　隔聲罩的傳遞損失曲線

4結語

小型割草機噪聲發聲機理為發動機排氣脈動氣流和刀片旋轉空氣動力氣流。噪聲控制的頻率對象應為排氣噪聲基頻29 Hz及其2、4、8、16次諧頻。改進原有排氣消聲器控制小型汽油機的排氣噪聲和設計隔聲罩對小型汽油機其余噪聲以及刀片旋轉空氣動力性噪聲進行屏蔽隔離，聲學分析軟件LMS Vitual.lab仿真結果表明，其是降低割草機噪聲輻射的有效控制方法。

參考文獻

[1] 周新祥.噪聲控制技術及其新進展[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2] 王佐民.噪聲與振動測量[M].北京：科學出版社,2009.

[3] 趙平. 我國園林綠化裝備的發展歷程及現狀[J]. 林業機械與木工設備,2011(4)：4-10.

[4] 趙平.我國園林綠化裝備發展中存在的問題及其原因[J].林業機械與木工設備,2011(9)：10-14.

責任編輯李思文

Analysis of Acoustic Characteristics of Small Mower and Noise Reduction Design

LI Wei，ZHOU Xinmin

(College of Machinery and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Abstract:Noise emitted by large small mower at work, measured values is over 100 db, people's work, learning and life are caused severely interference around it, idling noise and the noise spectrum analysis test experiments in the laboratory, audible sound source was identified mechanism, determine the frequency of the noise control object, improving existing exhaust muffler to reduce exhaust noise small gasoline engine, development and design of acoustic enclosures shield the rest of the isolation of small gasoline engine noise and blade rotation aerodynamic noise, results of acoustic analysis software LMS Vitual.lab simulation showed that it is an effective control method for reducing radiated noise mower.

Key words:small gasoline engine，experiment test，analysis of the acoustic properties，noise reduction design

收稿日期：2014-04-18

作者簡介：李瑋(1967-)，女，教授，博士，主要從事機電一體化教學和科研等方面的研究。

中圖分類號：TB 535

文獻標志碼：A