冲床噪声产生的原因、频谱特性及传播途径分析

摘要：在对国内几百台冲床噪声状况进行调研和测试基础上，参考国内外大量资料，对冲床噪声产生的原因、频谱特性及传播途径进行了全面分析，得出的规律可供制订冲床降噪方案参考。

关键词：冲床；噪声；频谱

一、冲床的噪声源分析

声波是物体在媒质中振动产生的。声波是一种机械波，是物体的机械振动通过弹性媒质向远处传播的结果，产生声波的振动系统称为声源。由声波产生的机制可知，有振动产生或有空气扰动的地方，就有声波传出。对冲床而言，其冲压噪声声压级一般在90～110dB之间。

冲床噪声可分为运转噪声和工作噪声。运转噪声是冲床空载运转噪声，它包括电机、皮带、齿轮、曲柄连杆滑块及轴承间隙、离合器等形成的噪声。其中，主要是离合器和齿轮噪声。工作噪声是冲床冲压时产生的噪声，在相同的冲床上采用不同的冲压工艺(如冲裁，拉深，弯曲)加工同样材料所产生的噪声不一致。

图1工作噪声历程及声能历程［1］
(a)冲床工作噪声历程(b)声能历程

图1a是实测冲床一个工作循环的声压历时曲线［1］，图中清楚地表现了离合器噪声、卸料噪声、凸模接触工件的碰撞声以及材料断裂时发出的噪声。可以看出：材料断裂时发出的噪声和离合器工作时产生的噪声最强烈(振幅大，衰减幅度大)。图1b是相应声能历时曲线［2］。其声能表达式为：

E＝∫p2dt(1)

式中E—声能总和，N2m-4s
p—瞬时声压

图2 冲床工作时噪声能量分布图

图2是冲床一个工作循环过程中，随着时间的不同，各个频带的声能分布情况。图中的多面体表示该声源的等效声能的大小。由于峰值声压级同其频率有关，据此可找出一些声源的本质特性。从图中也可看出冲裁噪声和离合器噪声多面体体积最大，其峰值最高。可见冲裁噪声和离合器噪声是冲床噪声的两个主要噪声源。图3是笔者利用分别运行法，在100kN冲床上冲裁2mm×φ30mm A3时的噪声实测结果。

图3 100kN冲床冲裁噪声实测值

1.离合器的接合和脱开噪声

冲床常用的离合器有牙嵌式、摩擦片式、转键式等。其中，转键式在中小吨位冲床上应用最广，噪声相对较高。冲床转键离合器接合的实质是转键与开有三个(或四个)键位的中套的其中某个键位接合。离合器接合噪声是由一系列的撞击所引发的，在接合过程中，存在三个主要撞击现象［3］：

(1)转键与中套间的撞击，即稳态转键与旋转着的中套接合过程中两者的碰撞；
(2)转键与曲轴间的撞击，即转键的一侧与中套间撞击的同时，另一侧在前者反作用力的作用下与曲轴冲击；
(3)曲轴与其支承的滑动轴承间的撞击。

图4给出了前两个撞击现象所发生的位置。这些冲床构件之间的撞击，产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力，这些作用力，是产生冲床离合器接合噪声的根本原因之所在。

图4两种撞击的发生区
1.转键与曲轴的撞击区2.转键与中套的撞击区

离合器接合噪声的形成可用图5来说明之。冲床在激振力F(ω)作用下，激起激振速度V1(ω)，振动能量在床身内部传递，当传递到发声表面产生振动速度V2(ω)，使之与该表面接触的空气介质受到扰动而产生压力变化P(ω)，从而辐射声波。

图5冲床离合器噪声产生框图

图5中B(ω)、T(ω)和σ(ω)是说明系统的激振力—振动—声转换特性的三个重要传递函数。它们都是频率的复函数。B(ω)是构件间相互作用力点的机械导纳，表示振动响应与激振力之间的关系；传递比T(ω)表示系统的传递特性；辐射系数σ(ω)描述了零件发声表面振动多大程度上转换成声能了。激振力与声压(即F(ω)与P(ω))的关系可用下式［2］表示：

P(ω)＝F(ω)．B(ω)．T(ω)．σ(ω)(2)

总之，冲床转键离合器噪声是转键与中套键位间撞击、关闭器与键尾间撞击等一系列撞击所引发的，这些冲床构件之间的撞击，首先产生一次噪声，同时，产生了作用在大齿轮(大飞轮)及床身之上的作用力，这些作用力在床身内部传递，当传递到发声表面产生振动速度，使之与该表面接触的空气介质受到扰动而产生压力变化P(ω)，从而辐射声波。影响离合器噪声因素有：离合器接合时受到的冲量的大小，在质量一定的条件下决定冲击速度的高低；还与接触材料本身的刚度和阻尼特性有关。

2.冲裁工艺噪声

冲裁时，冲头一旦接触金属板料，冲裁力开始增加。与此同时，由于机身及其它受力构件的变形而积蓄了弹性能。当冲头进入板料约一半厚度时，冲裁力达到最大值。板材的突然断裂使冲头突然失荷，机身等积蓄的弹性能在极短时间内释放出来，将激起机身及各部件的振动，使部件间产生冲击，与此同时，滑块以相当大的速度下冲，引起滑块周围空气的压力扰动，从而辐射噪声。前者激发的噪声称振鸣噪声，后者引起的噪声为加速度噪声。由分析可知，振鸣噪声与引起机身等构件振动的冲裁力—时间历程有关。此外，冲裁噪声还包括板料断裂声、冲头与板料的撞击声及两者接触时的空气挤出声共5种噪声。

3.电动机噪声

做为冲床的动力源，电机工作时也产生噪声，它包括电机绕组的电磁噪声，空气动力噪声及机械噪声。电机噪声的声压级与电机的功率、转速等有关。

电机的电磁噪声，主要是由交变电磁场相互作用激发转子和定子振动产生的。电磁噪声一般为高频噪声。电机的空气动力噪声主要是冷却风扇噪声，对于相当多的电机，冷却风扇噪声是主要噪声源。机械噪声主要包括一些旋转运动部件的非平衡力激发产生的噪声和一些零部件振动时产生的噪声。

电机噪声的声功率级可用下式计算［4］

L＝20lgW+15lgN+k3

式中W—电机额定功率，kW
N—电机转速，r/min
k3—信号频率修正值

4.工作机构间隙产生的冲击噪声

冲床的连杆和曲轴，滑块与连杆等连接零件组成的曲柄连杆滑块机构中，共有三对摩擦副：曲轴轴颈与曲轴瓦；曲柄颈与连杆大头轴瓦；连杆小头(球头)与滑块球头座。由于制造和装配误差以及工作本身的需要，不可避免存在间隙。这些摩擦副之间虽然都承受交变载荷，但不一定都引起强烈的冲击噪声。它们之间彼此的移动，可能是有接触的移动，也可能是无接触的自由移动。但当从自由移动过渡到接触移动时，必然要带来强烈的撞击，这种噪声频带宽，高频部分强。显然间隙越大，噪声越高。另外，间隙一定时，滑块行程次数越高，噪声比例升高。

在冲床诸噪声源中，冲裁噪声和离合器噪声是主要噪声源。

5.齿轮啮合噪声

冲床上大小两个齿轮在运转过程中出现节线冲击力和啮合冲击力，从而激起齿轮的啮合噪声。节线冲击力是由两轮齿啮合时齿面摩擦力方向的改变而产生的。如图6所示为齿轮啮合时摩擦力的变化情况。齿轮的接触线在啮合过程中沿啮合线从A向B移动。B是节点，在接触点由A向B的移动中，速度逐渐减小，到达B点时速度为零。而在由B向C的移动过程中相对速度方向改变。因而，B点是速度方向的转折点。由于相对滑动，因而也存在摩擦力。摩擦力的方向随相对速度的改变而改变。所以，B点又是摩擦力方向的转折点。节线冲击力与传递力矩，齿面间摩擦系数及相对滑动速度的大小有关。齿传递功率越大，齿面粗糙度越大，转速越高，齿轮的节线冲击力就越大。

图6渐开线齿轮啮合图

啮合冲击力是在齿轮运转过程中所发生的齿与齿之间碰撞而产生的冲力。实际齿轮在运转过程中要发生变形，再加上齿轮的制造安装误差等，使得齿轮在运转过程中发生齿与齿之间相互撞击而辐射噪声。其中齿轮的转速对其噪声的影响最大。当转速升高，辐射声压级随之提高。若用ω1表示初始速度，ω2表示改变后的速度，则声压级的变化量为［4］：

ΔL＝20lgω1/ω2(3)

二、冲床噪声的传播途径分析

噪声在固态、液态和气态媒质中传播，并与其传播媒质相应地分别称为固体声、液体声和空气声。噪声在声源和接受者之间传播时有直接和间接的传播途径之分。图7是冲床噪声传播途径框图。声的直接传播是指由声源产生的空气声，不经过其它媒质的中介作用，直接传给接受者。此时声能由于反射而发生方向变化；由于吸收而发生强度变化。如吹件喷嘴的噪声，滑块下落产生的空气挤出噪声就属于声直接传播。

图7冲床噪声的传播途径框图

声的间接传播是由声源产生的声音，首先完全地或部分地以固体声，液体声或空气声的形式在冲床机身内或车间墙壁内传导，然后从一个有适当辐射条件的受激构件(如床身，屋顶等)以空气声辐射出来，传给接受者。在间接传播途径中，可出现固体声，液体声，空气声以及单个构件之间的多次转化。

三、冲床噪声的频谱特性分析

噪声是由许多频率和强度不同，成分杂乱地组合而成。声频范围很广，从低频到高频达到1000倍，一般不可能也没必要对每个频率逐一测量。为了方便和实用上的需要，通常将声频范围划分为若干个较小的段落，称之为频带。频带的上、下限截止频率值之差称为带宽。带宽以上、下限频率之比的对数表示，此对数值通常以2为底，单位为倍频程，即：

f1/f2＝2ⁿ或n＝log2(f1/f2)

式中f1,f2—成倍频程关系的上、下限截止频率
n—两频率间的倍数

n可以是任意的正实数，n越小，分得越细，频程越短，测量所需时间越多。当n＝1时，即两个频率相距1倍时，称为倍频程。当n＝1/3时称为1/3倍频程，依此类推。

对于倍频程，其中心频率范围见表1。

表1倍频程的频率范围(Hz)

声源作简谐振动所产生的声波称为简谐波。其声压同时间的关系为一正弦曲线。这种只有单一频率的声音称为纯音，它具有单一音调的声觉。除个别仪器和乐器发出的声音外，单一频率的纯音是很少见的，一般声音都是由一些频率不同的简单正弦式成分合成的声波，把这种声音称为复音。组成复音的声压与频率的关系图称为频谱，也就是在频率域上描述声音的变化规律。不同的声音有不同的频谱，通常以倍频程或1/3倍频程等划分的频带图图形来表示声频谱。噪声是由很多不相干的简谱波合成，在频率域内能表现为几个声压幅值相同或不相同的离散频率图形，其主要特征为各频率的相角或相角差不同。由于声波合成中幅值大的对噪声影响也大，因此抑制这个频率的幅值就可能达到降低噪声的结果。所以，在探寻噪声的发生根源和产生机理，确定其工作方案时，对噪声进行频谱分析是一个很重要的手段。

噪声的频谱分析是借助于测得的频率域内的声压信号分析其频率结构。一般是以频率为横坐标，主要声学参量(如声压级，声强级，声功率级)为纵坐标的图形。

测试时采用ND2精密声级计，其上带有倍频程滤波器，它的原理是通过电子线路组成的模拟滤波器，将噪声信号从时域转变频率域。其理论基础是付里叶分析。

众所周知，一个周期函数可以分解为一系列谐波分量，反之，把一系列谐波分量叠加起来，则可以构成一个周期函数。所以总能把一个周期为T的时变函数X(T)表达为如下的付里叶级数的无穷三角级数

x(t)＝a0+a1cos2πf0t+a2cos4πf0t+…+
b1sin2πf0t+b2sin4πf0t+…(4)

式中f0为基频；a0，an，bn是由下列各式确定的付里叶系数：

经简单的三角运算，式(4)可改成下式：

式中：

若设f＝nf0，则由付里叶级数表示的周期性函数可表示于Cn-f平面内，这就是函数x(t)的频谱。同样也可以在该平面内表示相位谱(Φn-f)。

可见，通过付里叶分析可将时域信号转变为频域信号。用ND2精密声级计对噪声进行频率特性分析时只需将“计权网络”开关拨置“滤波器”位置，由于在输入放大器和输出放大器之间插入倍频程滤波器，转动倍频程滤波器的选择开关，即可进行噪声的频谱分析。

笔者对北京，武汉，南京，上海等地18个工厂的275台冲床噪声状况进行过调研，并对其中的15台不同吨位冲床在不同的加工条件下的冲裁噪声和离合器噪声频谱分别进行了测试，将其结果绘制成图形，如图8至图13所示。分析以上各图可得出如下规律：

图8 不同吨位冲床冲裁噪声频率特性

图9 不同材料冲裁噪声频率特性

图10 400kN冲床冲裁噪声和离合器噪声

图11 800kN冲床冲裁噪声和离合器噪声

图12 1000kN冲床冲裁和离合器噪声

图13 350kN老式冲床冲裁和离合器噪声

(1)声压级峰值均分布在250～2kHz之间，且小吨位冲床声压级峰值分布在低频区域(250～1kHz)之间，随着吨位的增大，声压级峰值向高频段(500～2kHz)移动。这对选择隔声和阻尼材料有参考作用。大吨位冲床一般冲尺寸较大的工件，这样冲裁力也大，冲床吸收的弹性变形能较大，卸载后急剧释放引起的振动也较大，故辐射的噪声较强，如图8。

(2)冲裁不同材料时其冲裁噪声差别较大。一般情况下，加工硬脆材料比软料的噪声声压级大(见图9)。而且，冲切软料时，倍频程声压级峰值分布在低频范围内；而冲切硬料时，其峰值声压级频率范围一般较宽，在125～8kHz均有出现。

(3)通常冲裁噪声声压级大于离合器噪声，然而对于老式小吨位冲床却相反，离合器噪声比冲裁噪声大。原因是老式冲床一般采用的是刚性离合器。