机电系统振动噪声分析与控制方法

一、引言

机电系统是工业生产、民生领域的核心设备，其运行时因机械运动、电磁作用、流体扰动等产生振动噪声。传统控制模式多依赖 “末端降噪”（如加装隔音罩），存在明显局限：一是源识别不精准，未明确振动噪声的核心来源（如电机振动源于轴承磨损还是电磁不平衡），导致控制方案针对性不足；二是路径阻断缺失，未干预振动噪声的传播路径（如结构传声、空气传声），仅靠末端控制难以根治问题；三是适配性差，针对某类设备设计的控制方案，无法快速适配不同工况（如负载变化、转速调整）下的振动噪声变化。

随着对设备精度、环境质量要求提升，传统控制方法已无法满足需求。因此，研究机电系统振动噪声的科学分析与精准控制方法，对提升设备性能、改善作业环境具有重要意义。

二、机电系统振动噪声核心问题与产生机理

2.1 核心控制问题

机电系统振动噪声控制面临三方面难题：一是源识别模糊，振动噪声常由多源耦合产生（如电机振动叠加风机噪声），难以区分主次来源，导致控制资源浪费；二是传播路径复杂，振动通过设备壳体、基座等结构传播，噪声通过空气、管道扩散，传统控制仅阻断单一路径，效果有限；三是控制与性能矛盾，过度减振（如增加阻尼导致结构笨重）可能降低设备运行精度，降噪措施（如密封隔音导致散热不良）可能影响设备寿命。

2.2 主要产生机理

振动噪声的产生与机电系统运行特性密切相关，核心机理包括三类：一是机械振动源，机械部件运动摩擦（如轴承滚动摩擦、齿轮啮合）、结构不平衡（如转子偏心、部件安装偏差）引发振动，振动传递至壳体产生噪声；二是电磁振动源，电机、变压器等设备中，电磁场变化产生电磁力，导致铁芯、绕组振动，进而辐射噪声；三是流体扰动源，风机、泵类设备中，流体（空气、液体）流动产生涡流、冲击，引发流致振动与噪声，同时流体与管道摩擦也会产生附加噪声。

三、机电系统振动噪声分析方法优化

3.1 多源识别方法优化

精准定位振动噪声源是控制的基础：一是多参数同步采集，在设备关键部位（如电机轴承、齿轮箱、风机叶轮）部署振动传感器、声压传感器，同步采集振动加速度、噪声声压级数据，避免单一参数误判；二是特征提取与匹配，通过信号处理（如傅里叶变换、小波分析）提取数据特征（如振动频率、噪声频谱），与典型故障源特征库（如轴承磨损对应特定振动频率）匹配，区分机械、电磁、流体源的主次关系；三是源贡献度分析，采用相干分析、偏相干分析方法，计算各源对总振动噪声的贡献度，优先控制贡献度 ⩾60% 的核心源，提升控制效率。

3.2 传播路径分析方法优化

明确传播路径以针对性阻断：一是结构传声分析，通过模态分析（如有限元模态计算）识别设备结构的固有频率，判断振动是否通过共振放大并传递至基座、管道；采用振动传递率测试，量化不同结构路径（如壳体 - 基座、轴承- 壳体）的振动传递效率；二是空气传声分析，通过声场分布测试（如声强测量）绘制噪声辐射分布图，识别噪声主要辐射面（如设备端盖、进风口）与传播方向（如沿车间通道扩散）；三是耦合路径分析，对同时存在结构与空气传声的场景，通过分离测试（如在结构与空气路径分别施加激励），明确两类路径的贡献比例，为分层控制提供依据。

四、机电系统振动噪声控制策略设计

4.1 源头控制策略

从产生环节降低振动噪声：一是结构优化设计，针对机械源，采用平衡设计（如转子动平衡、齿轮修形）减少运动不平衡；针对电磁源，优化电机绕组结构、降低磁场谐波，减少电磁力波动；针对流体源，优化叶轮、叶片形状（如采用后弯式叶轮），减少流体涡流与冲击；二是材料选型适配，对振动部件（如轴承座、齿轮箱壳体）采用高阻尼材料（如铸铁、阻尼合金），抑制振动放大；对噪声辐射面（如设备外壳）采用隔声材料（如钢板复合阻尼层），降低噪声辐射效率。

4.2 传播路径控制策略

阻断振动噪声传播路径：一是结构传声阻断，在设备与基座间加装减振元件（如弹簧减振器、橡胶减振垫），降低振动传递率；对管道连接部位，采用柔性接头（如金属波纹管），避免振动通过管道传递；二是空气传声阻断，在噪声辐射面外侧加装隔声罩（如可拆卸式隔声罩），罩内敷设吸声材料（如玻璃棉、多孔吸声板），吸收内部噪声；对车间环境，设置隔声屏障（如在设备与操作区之间），阻断噪声扩散；三是耦合路径协同阻断，对结构与空气传声均显著的场景，同步采用减振元件与隔声罩，且确保减振元件不会削弱隔声效果（如选择不透气的减振材料）。

4.3 末端控制与场景适配策略

针对不同场景优化末端控制：一是高精度设备场景（如精密机床），优先采用源头控制（如结构优化、材料阻尼），避免末端控制（如隔声罩）影响设备散热与操作；二是高噪声设备场景（如风机、破碎机），采用 “源头 + 路径 + 末端” 协同控制，源头优化叶轮设计，路径加装减振器与隔声管道，末端在车间设置吸声吊顶；三是移动设备场景（如工程机械），采用轻量化控制方案（如小型减振器、柔性隔声材料），平衡减振降噪效果与设备机动性；同时针对设备运行工况变化（如负载增减），设计可调节控制元件（如可变刚度减振器），动态适配振动噪声变化。

五、结论

机电系统振动噪声分析与控制需通过精准源识别、分层路径阻断、场景化策略设计，解决传统控制源模糊、路径单一、适配差的问题，实现减振降噪与设备性能的平衡。当前控制仍面临复杂多源耦合识别难、极端工况（高温、粉尘）下控制元件可靠性不足、轻量化与控制效果协同难等挑战。

未来，需进一步研发多源耦合识别算法（如基于人工智能的源分离技术），提升复杂场景源定位精度；开发耐极端环境的新型减振降噪材料（如耐高温阻尼材料、防尘隔声结构）；推动控制方案与数字孪生结合，通过虚拟仿真优化控制参数；同时建立行业控制标准（如不同设备振动噪声限值、控制效果评价指标），为机电系统振动噪声控制提供规范化支撑，最终构建 “精准分析 - 分层控制 - 场景适配” 的一体化控制体系。

参考文献

[1] 王晋鹏 ， 常山 ， 刘更 ， 等 . 船舶齿轮传动装置箱体振动噪声 分析 与 控 制 研 究 进 展 [J]. 船 舶 力 学 ，2019，23（8）：1007-1019. DOI：10.3969/j.issn.1007-7294.2019.08.013.

[2] 冯爽 . 电子助力转向系统电机噪声溯源与抑制方法研究 [D]. 辽宁 ： 沈阳工业大学 ，2023.

[3] 黄闯 ， 代颖 ， 罗建 . 新能源汽车异步电机驱动系统的电磁振动与噪声分 析 [J]. 工 业 控 制 计 算 机 ，2019，32（5）：160-161，164. DOI：10.3969/j.issn.1001-182X.2019.05.068.