机械工程中的振动与噪声控制技术

引言

在机械工程领域，设备运行过程中产生的振动与噪声是难以避免的问题，且随着工业设备向高速化、大型化发展，这一问题愈发凸显。振动会对机械结构造成损伤，降低设备精度和使用寿命，甚至引发严重故障；噪声则会影响操作人员的身体健康和工作效率，还可能对周边环境造成干扰。

一、机械工程中振动与噪声的基础理论

1.1 振动产生机理与分类

振动是机械系统在外部激励或内部不平衡力作用下产生的往复运动，其核心机理是能量转化与传递。外部激励包括齿轮啮合时的周期性冲击、流体流经管道的湍流扰动等；内部不平衡力则源于旋转部件的质量分布不均，如电机转子偏心会产生离心力，引发持续振动。按振动产生的动力特性，可分为自由振动、受迫振动和共振。自由振动是系统在初始激励后无持续外力作用下的振动，如敲击机床后产生的短暂振动，会随能量耗散逐渐衰减；受迫振动是系统在持续外力作用下的振动，其频率与外力频率一致，如泵类设备在流体压力作用下的持续振动。

1.2 噪声产生机理与分类

噪声本质是振动的空气传播，当机械结构振动时，会推动周围空气形成疏密交替的声波，传入人耳后产生听觉感受。其产生机理可分为三类：机械噪声由固体部件振动引发，如轴承滚动摩擦、齿轮啮合冲击产生的振动通过壳体辐射噪声；空气动力噪声源于流体运动中的湍流或压力突变，如风机叶片切割空气、气流通过阀门时的扰动产生的噪声；电磁噪声则由电磁场变化引发部件振动所致，如电机定子与转子间的电磁力波动使铁芯振动发声。按噪声来源，工业场景中常见的有设备运行噪声、加工过程噪声和辅助系统噪声，不同类型噪声的控制方法需针对性设计。

1.3 振动与噪声的关联关系及危害

振动与噪声是同源共生的物理现象，振动是噪声的源头，多数噪声由机械振动通过空气或固体介质传播形成；噪声也可能反向引发振动，如强烈的声波冲击可能使薄壁结构产生二次振动，形成振动 - 噪声耦合效应。这种关联关系意味着控制振动可间接降低噪声，抑制噪声传播也能减少振动的二次激发。振动的危害主要体现在对设备和精度的影响：长期振动会导致紧固件松动、结构疲劳开裂，缩短设备寿命；振动传递到加工部件时，会使刀具与工件的相对位置产生波动，降低加工精度，如车床振动可能导致零件表面出现波纹。噪声的危害则集中在对人员和环境的影响。

二、振动与噪声控制核心技术分析

2.1 振动源控制技术

振动源控制是最主要的从源头减少振动产生的方法，主要就是抑制激励力或将系统的固有特性的改变，所以结构优化设计是根本方法，通过优化部件的结构实现减少不均衡激励：如转子系统在设计中采用动平衡实现，通过附加平衡质量去平衡转子因不平衡所产生的离心力；齿轮系统采用修缘齿系以减少传动系统所产生的啮合冲击；轴承系统使用合适轴向预紧力的方法，以减少滚动体之间的冲击以降低振动的传递效率。减振及隔振技术是在减少或阻断振动传递路径上起作用的方式方法。被动减振采用具有弹性变形的弹性元件将振动过程的能量转变，例如橡胶减振器利用橡胶材料的弹形变形吸收振动的能量，弹簧减振器则是利用弹簧所产生的弹性支承效果来降低振动传递效率等。被动减振则通常采用两个以上方法结合起来使用以确保覆盖整个频率范围，主要应用于较低频率场合。主动减振是利用传感器对振动产生振动信号进行实时监测，从而获得对振动能量消除的最佳效果，主要用于高精度振动场合。例如加工中心的主动振动控制平台

把振动控制在微米级别。

2.2 噪声控制技术

控制噪声要采取从噪声源处防治和阻隔传播途径两种措施相结合的方法。噪声源防治是根据噪声生成原因改变声源结构，降低噪声源的辐射性能：改善风机叶片形状，避免气流产生湍流；对机械摩擦部位加注润滑油脂，以降低摩擦阻尼，从而减小噪声辐射；对电机定子进行绝缘漆处理，以提升结构阻尼，起到隔震、降噪的作用。传播路径控制是指隔声与吸声，隔声是采用高密度材料的吸声效果，例如隔声罩采用钢厚+阻尼层的结构形式。

2.3 振动与噪声综合控制技术

振动-噪声联合控制。振动和噪声耦合控制需要考虑传递路径，设备基础下采用弹性减振垫，减弱振动传递到地面，同时固体声带来环境噪声；机床床身设计整体铸造，提高刚度来减弱振动，同时薄壁结构无法提供噪声低辐射，一举两得。智能控制适用于条件复杂工况，监测设备振动和噪声信号，通过算法分析实时计算调整控制参数。如振动和噪声振源在变负载的工况，设备工作时的频率会随着负载变化，智能减振器会切换为高、低刚度模式；噪声和振动振源在变负载的工况，吸声装置内部结构调节，适应不同频率的振源信号。

三、控制效果评价与优化方向

3.1 控制效果评价指标与方法

振动控制效果评价以振动强度和传递率为核心指标。振动强度通过加速度、速度或位移的有效值衡量，反映振动的剧烈程度；传递率是被控制对象与振动源的振动强度比值，比值越低说明控制效果越好。测量时需将传感器安装在关键部位，如设备底座、加工工件表面，确保数据能反映实际振动状态。噪声控制效果主要通过声级和频谱特性评价。声级模拟人耳对不同频率噪声的敏感度，是最常用的综合指标；倍频程频谱分析可明确各频率段的噪声贡献，判断控制措施对特定频率的抑制效果。测量需在规定距离和环境下进行，排除背景噪声干扰，必要时进行修正以保证数据准确性。

3.2 技术应用中的常见问题与优化

技术应用中常面临效果与成本失衡问题，过度追求控制精度可能导致成本激增。优化需遵循按需控制原则，对关键设备采用高精度主动控制，对一般设备采用低成本被动控制；优先改造振动噪声最严重的环节，如泵类设备先解决轴承振动，再处理壳体噪声。通过分阶段实施，在有限成本下实现最大效益。复杂工况适应性不足是另一常见问题，变负载、变转速设备的振动噪声特性会随工况变化，固定控制参数难以持续有效。优化方向包括采用宽频控制技术，如可调刚度减振器、宽频吸声材料；引入自适应算法，使控制系统能实时识别工况变化并调整参数。

结语

机械工程中振动与噪声控制是系统性工程，需以基础理论为指导，结合核心技术与应用场景灵活施策。振动源控制与噪声源抑制是根本，传播路径控制是关键，综合智能控制是提升方向。通过科学的效果评价与持续优化，可在保障设备性能的同时，实现振动与噪声的有效控制。

参考文献

[1]黄椿.机械工程中的振动与噪声控制技术[J].电声技术，2025，49（02）：16-19.

[2]张立军，曾庆东，刘志平.机械工程中常见振动的相平面分析[J].机械设计与制造，2000，（01）：32-33.