探讨如何降低液压系统的噪音

更安静的系统不仅具有更高的质量感，而且还可以改善机器操作员的健康、安全和生产力。

原文：Michel Beyer, Chief Engineer, Danfoss Power Solutions

美国国立卫生研究院估计，20 岁至 69 岁之间的美国人中有 15% 由于在工作或休闲活动中暴露于噪音而遭受听力损失（大部分是永久性的）。在工作场所，安静的泵、精心设计的振动和脉动控制以及良好、经济的安装实践相结合，将使产品在市场上具有明显的优势。

声音是由振动形成的，振动通过介质（通常是空气或水）产生可听见的机械压力波。在液压系统中，噪声可分为三类：

空气传播的噪音，从空气传播到耳朵
流体噪声，通过液压系统传播
结构噪声，当系统的一个组件通过另一个组件传播振动时产生。

图 1（下图）总结了影响噪声产生的因素。不幸的是，人们通常只参考输入激励（力）和声压或声功率。他们倾向于避免构成噪声产生的物理因素。有时，某一部分占主导地位，而其他部分则不然。因此，在设计低噪声时必须考虑所有这些因素。

此外，该过程分别适用于空气传播、流体传播和结构传播的噪声。每个应用程序都是独一无二的，因此您不能假设在一个系统或程序集中适用的内容也适用于另一个系统或程序集。

仔细观察噪声源

简而言之，噪音是任何不需要的声音。从技术上讲，它是组件或系统中波动力产生的不需要的副产品。如前所述，噪声可以通过三种方式传播：通过空气、通过流体和/或通过系统的物理结构。

空气传播

我们通常认为噪音仅通过空气介质传播，直接从其源头传播到某个接收器——我们的耳朵。这是空气传播的噪音。然而，空气传播的噪声必须来自系统或应用的某些组件。该组件可以是但并不总是泵。

从技术上讲，操作员听到的所有噪音都是空气传播的噪音。从噪声、振动和声振粗糙度 (NVH) 工程师的角度来看，空气噪声是指直接来自声源表面的噪声。

流体传播

无论是柱塞泵、叶片泵还是齿轮泵，这些正排量泵都具有一定程度的压力脉动（参见下图 2）。结果，产生不均匀的流动特性和压力脉动并通过流体传输。这称为流体激发。流体激励在软管表面产生振动，该振动可以通过管夹/支架传递到相邻结构，或者由于软管在压力下与结构直接接触而传递到相邻结构。

流体激励的压力脉动反过来会产生相应的力波动。液压软管中的振动称为压力脉动或流体激励。这些会导致振动，从而产生流体噪声。

当泵和电动机安装在隔离器上时，适当的液压管路配置可用于保持隔振。刚性管和柔性软管的适当组合可以提供更稳定的配置，减少振动和噪音。最佳组合是短刚性管的两端连接到柔性软管。

液压管路和软管与应用结构（即框架、支架或面板）的振动隔离为机器设计中降低噪音提供了另一个机会。面板和防护罩通常可以充当扬声器，并将相对较低的振动水平放大为高噪声源。

液压软管和管道可以作为这些部件中流体振动的发射器，将结构部件变成“扬声器”。在设计安静的液压设备时，为了最大程度地降低噪音，解决软管或管道的位置非常重要。

通过在液压系统中加入“液压消声器”（也称为谐振器、衰减器或抑制器），还可以进一步减少压力脉动。这些组件通过其设计和在系统内的放置针对每个液压系统进行了优化。

传输损失是谐振器/液压消声器有效性或其设计优化程度的衡量标准。插入损耗是液压系统压力脉动减少的量度，这取决于谐振器在液压系统内的最佳放置。当试图实现“低噪音设计”液压系统时，传输和插入损耗都是重要因素。优化的谐振器系统可以将压力脉动的幅度降低多达 20dB 或更多。

结构传播

结构噪声是仅通过应用结构传播的振动的结果。振动，如上图1所示，是力和部件的响应以及部件的辐射效率的组合。然后，这些结构会发出可听声音或空气噪声，这是液压设备操作员实际注意到的。

结构噪声始于外部源或组件的振动，并直接传递到应用的电动机、结构或框架中。一旦振动进入结构，它就会以结构（很可能是钢）的声速在结构中传播，这会激发其他部件并导致它们成为噪声辐射体，即扬声器。

机器上的组件（例如面板、护罩、支架和储液器）可以非常有效地辐射泵频率和泵频率倍数的噪声（参见下面的图 3）。这是因为这些类型的组件具有许多谐振频率。诸如此类的组件被称为高模态密度组件。

振动控制可用于最大限度地减少从泵和驱动器到机器结构和设备的振动传递。这可以通过使用底板或其他底座隔离器将泵和/或电机与刚性基础隔离来实现。

系统中大面积的薄金属也可以有效地辐射噪声。通过在金属表面策略性地放置工程加强筋或进行阻尼处理，可以减少这种噪音。

了解噪声参数

评估噪声可能会变得令人困惑，因为多个振动路径可能同时存在。人们必须了解噪声源的等级，才能正确评估系统传输路径以及每个路径在任何和所有操作条件下的有效性。

噪声源通常被盒状外壳包围，以在噪声源之间提供物理屏障，噪声源可能是由液压动力装置、阀门、液压歧管、电机、液压缸、软管/管道和附加机器设备引起的。这些屏障旨在减少操作员或旁观者位置液压设备产生的声音。

密封件等周围的声学泄漏也会极大地影响外壳降低传输声音的能力。一般来说，隔音罩中 1% 的“孔”将允许其中测量到的噪音的 50% 泄漏出去。当封闭时，外壳内的噪声幅度实际上会增加，因为噪声在外壳内反射，而不是向外投射。

外壳内的噪声幅度取决于距测量噪声的主要源的距离。一般来说，噪声源放置在外壳内时，其振幅可能会使外壳内的噪声增加 5-8 分贝 (dBA)，或者比没有外壳的源高 78-151%（请参见下面的图 4）。

外壳的另一个重要因素是吸收系数。所有外壳都有一定程度的内部吸收，但添加额外的吸收材料将有助于降低噪音。较大的外壳比较小的外壳具有较低的放大系数。外壳中的间隙或孔会降低外壳外部降噪的效果。即使外壳中的一个小孔或间隙也会显着降低其抑制声音的效果。

设计更安静的产品和系统

成功的噪声控制计划需要多个专业领域的个人共同努力。安静的液压泵并不能保证系统安静。选择安静的泵应该只是多方面计划的一部分，该计划需要系统设计师、制造商、安装人员和维护技术人员的才能。这些领域中的任何一个出现故障都可能破坏整个噪声控制计划。

系统设计人员在实现成功的噪声控制方面发挥着关键作用。他们必须从有效性、成本和实用性的角度评估每一种可用的噪声控制技术。在开始制定噪声控制计划时，最好从源头开始：泵。当然，泵制造商有责任提供安静的泵。随后，最常见的策略是使用端口设计来最大限度地减少泵额定速度和压力下的压力脉动。

在组件级别，设计人员可能希望从变速泵开始。在变速驱动 (VSD) 系统中，泵速会发生变化以满足占空比要求。这将降低噪音，因为当系统不需要时速度会降低。

尽管更安静的单个组件可能对降低噪音有很大贡献，但通过检查整个系统设计寻找降低噪音的机会，可以获得额外的收益。振动控制旨在最大限度地减少从泵和电动机到机器结构的振动传递。这可以通过底板或其他底座隔离器将泵和/或电动机与刚性支撑件隔离来实现。

系统测试和评估可以提供对降噪的进一步了解。在正确设计的测试区域中，将组件与背景噪声隔离，可以重点关注噪声源、传输路径和降低噪声的机会。

当使用系统方法评估噪声而不是简单地选择单个组件时，成功降低噪声的潜力变得更大。消息灵通的团队了解整个系统中的各个组件和角色，可以帮助识别噪声源并进行低噪声设计。

液压系统的音质

液压系统并不总是噪音问题的根源，但液压系统经常受到指责。原因更多地与产生的声音的质量有关，而不是与音量或压力有关。大多数读者都熟悉令人讨厌的液压呜呜声。客观地测量，这种呜呜声通常没有很大的声功率。然而，它的音调令人不快，这使得实际的声音看起来更大。

使用了多种声音质量测量方法。为了量化正排量泵的“液压啸叫”，通常使用响度和音噪比等声音质量指标。为了表征转向控制单元和阀门内产生的流动噪声，通常使用响度、突出比和音噪比等声音质量指标。然而，OEM 不限于使用上面列出的指标，而是可以使用单一但不同的声音质量指标。更常见的是，使用几个加权声音质量指标来表征其产品所需的声音。

因此，除了液压系统对整体声级的影响有多大这一客观问题外，机器制造商还必须解决应用声音的质量如何影响客户对其质量的整体感知的主观问题。发动机的隆隆声通常比液压呜呜声大得多，但对发动机噪音的感知是动力和强度之一。

随着混合动力和全电动应用变得越来越丰富，带有发动机/排气管/风扇的“典型”移动应用的噪声源贡献正在发生变化。发动机尺寸的缩小或拆除减少或消除了过去“掩盖”液压系统噪音的噪音源。减少或消除这些其他来源的振幅将更加重视液压系统噪音的降低。

在未来的应用中，液压系统产生的噪声将更加明显，并成为应用中更主要的噪声源。