基于液压马达 panel 声源贡献的受限阻尼噪声降低方法

《Applied Acoustics》：Constrained damping noise reduction based on Panel sound source contribution for hydraulic motors

　　黄辉 | 孙朝阳 | 周佳怡 | 张振 | 苏俊寿 | 李玉 Zheng | 张秀玲 | 黄秋芳
福州大学机械工程与自动化学院，福州 350108，中国

**摘要**
在电气化趋势的背景下，液压系统的噪声问题日益突出。已生产的轴向柱塞电机在集成到完整的机器中时仍存在过高的噪声和强烈的振动。为了降低整个机器的噪声辐射，本研究提出了一种基于约束层阻尼（CLD）的电机外壳优化方案，旨在实现电机在完整机器应用中的二次噪声降低。考虑到过度使用约束层阻尼可能会产生不利影响，本研究通过针对性选择关键结构振动区域并匹配最佳应用厚度来确定CLD的最佳布局方案，从而达到预期的降噪效果。采用声学面板贡献分析来识别声学热点，以指导CLD的最佳应用区域；响应面法（RSM）用于确定不同区域所需的最优应用厚度，通过精确的应用位置和最佳厚度来实现降噪需求。对优化后的轴向柱塞电机进行了对比实验，结果表明，所提出的方法在测试运行条件下表现出显著的振动和噪声降低效果，最大噪声降低了3.32 dB(A)。本文的研究方法可用于指导工程应用中泵型结构的外部降噪优化设计，同时也为CLD应用的优化提供了参考。

**引言**
随着建筑机械电气化转型的发展，传统的内燃机逐渐被电动机取代，使得液压系统的噪声问题更加突出[1]。作为液压传动系统的执行器，轴向柱塞电机在整个机器装配和应用阶段仍存在显著的运行噪声和振动[2]、[3]，这影响了设备的稳定性和驾驶安全性。因此，需要为大规模生产的电机开发高效且经济的外部降噪方案。专注于研究噪声传输路径抑制技术对于提高整个机器的运行舒适性和可靠性具有重要的工程意义[4]、[5]、[6]。
关于轴向柱塞电机在整体机器应用中的振动和噪声降低已经进行了大量的研究[7]、[8]、[9]、[10]，主要可以分为三个技术路径：内部结构优化、传动路径的理论分析以及外部屏障控制。传统的降噪方法主要集中在优化电机的内部流道和结构上。Tong等人提出了一种新型的梯形阻尼槽，可将空化体积分数降低约50%，有效抑制轴向柱塞电机的脉动和空化现象[11]；Tang等人提出了带有阻尼槽的阀板结构，使泵体的振动加速度降低了0.4 mm/s2[12]；Xu等人采用了交叉角和卸荷槽的组合结构，显著降低了轴向柱塞泵的出口流量脉动[13]；Pan等人修改了外壳结构，在泵的 dominant 噪声频率下将辐射噪声降低了1.26 dB(A)[14]。在传动路径的理论研究中，Ye等人提出了一种基于功率的传输路径贡献预测方法，可用于轴向柱塞泵的振动抑制。基于轴向柱塞泵的新动态模型，他们进一步进行了泵体的优化设计，为研究振动传输特性和振动降低设计提供了方法论参考[15]、[16]。为了解决已制造并投入使用的泵或电机存在的噪声问题，一些学者通过安装外部隔离或脉动控制装置来实现噪声控制。例如，Zheng等人将约束层阻尼材料集成到泵基座中，实现了高达46.6%的振动隔离率，展示了优异的振动隔离性能[17]；Jubear等人为便携式发电机在不同的负载和距离条件下设计了隔音盖，噪声降低了约9–10 dB[18]；Hassan等人使用声学材料为小型燃气发电机设计了隔音盖，并在各种负载条件下验证了其降噪效果[19]。然而，这些方法依赖于额外的屏障装置，不仅占用安装空间、增加结构复杂性，还提高了系统和制造成本。

随着材料应用的发展，将阻尼材料外置于工程领域以阻断振动和噪声传输的方法已被广泛采用[20]、[21]、[22]，这种方法比传统的屏障装置更简单、更高效[23]、[24]。例如，Du等人通过实验证实，在空间管道外部附着粘弹性阻尼层后，系统表现出稳定的振动衰减性能[25]；Min等人在板材结构上放置小尺寸贴片，对低频噪声实现了优异的声学抑制效果[26]。在液压领域，Zhang等人将水基粘弹性阻尼材料应用于活塞泵的表面，显著抑制了离散谐波噪声和振动[27]；Lai等人在泵壳上安装了含有声子晶体的阻尼材料，在特定频率带内实现了振动和噪声的抑制[28]；Pan等人提出的新型阻尼材料在实验验证中将噪声降低了2.32 dB[29]。然而，由于轴向柱塞电机外壳表面曲率变化较大、流体-结构相互作用强以及振动声源复杂[30]、[31]，直接大面积应用粘弹性阻尼材料可能无法实现预期的降噪效果，甚至可能产生负面后果。
因此，本研究通过声学贡献量化和响应面法优化实现了液压电机的精确阻尼降噪，实现了低阻尼材料用量与电机卓越降噪性能之间的协同匹配。本研究的主要创新点如下：(1) 提出了一种不修改电机内部结构的轴向柱塞电机外部阻尼降噪设计方法，避免了复杂的结构重新设计；(2) 该方法采用基于声学贡献量的精确定位布局方法，与大面积阻尼层布局相比，在保证降噪性能的前提下，具有更紧凑的布局面积，有利于结构散热；(3) 对阻尼层进行了分区匹配研究，确定不同声学辐射区域的最优厚度参数，从而最大化整体降噪效果。实验结果表明，经过阻尼优化后，整体平均声压水平可降低至多3.32 dB，验证了所提降噪设计的有效性。本研究为电机噪声分析和基于阻尼的降噪设计方法提供了参考。

**研究方法**
**电机外壳上声学热点的识别**
活塞电机运行产生的振动通过传动路径传递，最终影响电机外壳。外壳的振动噪声随后向外传播。因此，分析外壳中具有显著声学辐射贡献的区域将有助于优化电机外壳上阻尼材料的布置，为电机的有效振动降低和噪声控制提供指导。

**声学模拟方法研究**
面板的声学贡献可以指导约束层阻尼的布局，以实现活塞电机的振动和噪声控制。然而，如果阻尼层面积过大，外壳的复杂结构和显著曲率可能导致负面效果。为了实现有效的降噪，分析面板的贡献是优化外壳的关键。通过关注声学影响最大的区域，可以有针对性地应用阻尼层。

**声学面板贡献的测量**
本研究使用LMS Virtual Lab声学仿真软件进行噪声传输分析。通过定义组将电机外壳划分为小区域，选择电机边界元素模型，并采用网格之间的倾斜角度作为区域划分标准，将电机外壳划分为20个独立区域。电机外壳面板的划分情况见表2。

**确定约束阻尼层的最佳厚度**
本研究采用了一种约束阻尼层结构，该结构包括约束层、阻尼层和基层。阻尼层的主要作用是转换和耗散动能[20]、[36]、[37]、[38]。图6展示了使用阻尼层降低活塞电机噪声的原理。阻尼材料在外壳振动的作用下发生剪切变形，将外壳振动的机械能转化为热能。

**实验平台**
图10展示了实验平台的组成。液压控制室包括油箱、电机、液压泵和控制阀组。被测试的电机安装在半消音室内，而电子控制系统则放置在半消音室外部以消除噪声干扰。半消音室的有效体积为58.344 m3，背景噪声为16.7 dB，最小可测量频率为25 Hz，符合ISO标准。

**振动加速度实验**
由于弯轴柱塞电机的主要振动和噪声频率集中在低频范围，因此在PULSE Lab Shop振动测试软件中将频域范围调整为0–6400 Hz。为了使数据更直观，提取了0–2500 Hz的频域进行分析，并通过计算均方根（RMS）值获得了弯轴柱塞电机的整体振动水平。

**结论**
本研究提出了一种针对轴向柱塞电机外壳表面的振动和噪声降低的研究方法，旨在通过阻尼材料的协同匹配实现最佳的降噪效果。与传统结构修改方法相比，该方法显著缩短了设计周期，提供了便捷高效的降噪解决方案。与传统的大面积阻尼布局方案相比，所提出的方法提高了降噪效果。

**作者贡献声明**
黄辉：项目管理、资金获取、形式化分析。
孙朝阳：撰写——原始草稿、调查、概念化。
周佳怡：形式化分析。
张振：方法论、调查、数据管理。
苏俊寿：资源协调。
李玉 Zheng：资源协调、项目管理。
张秀玲：资源协调。
黄秋芳：资源协调。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的 financial 利益关系或个人关系。

**致谢**
本研究得到了福建省 Fluid Power and Intelligent Electro-Hydraulic Control 关键实验室（福州大学）、福建省科技计划校企合作项目（项目编号2025H6003）以及福建省科技计划校企研合作创新项目（项目编号2025H6030）的支持。