如何降低液压系统的噪音？

安静的液压系统不仅可以改善设备操作人员的健康、安全，提高生产力，而且会让客户感觉系统的质量更高。美国卫生研究院估计，20 岁至 69 岁之间的美国人中有 15% 的人由于在工作或休闲活动中暴露于噪音中而遭受到了听力损失（大部分是永久性的）。所以选择使用安静的泵，加上合理设计的振动和脉动控制系统，以及良好、经济的安装相结合，将会使你的液压系统产品在市场上具有明显的优势。

声音是由振动形成的，振动是通过介质（通常是空气或水）来产生人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，噪音从空气传播到人的耳朵

• 流体噪声，通过液压系统传播

• 结构噪声，系统里一个零件到另一个零件之间传播振动时产生。

图 1 （下图）总结了影响噪声产生的因素。一般来说大家一般都只关注避免构成噪声产生的物理因素，所以只会参考使用输入激励（力）和声压或声功率等这几个参数。每个系统都有自己的特点，在有些系统里下面的某一个或者几个因素可能是主要原因，有的系统则都有可能。因此，在设法降低液压系统噪声时必须考虑所有这些因素。因为我们今天聊的这个方法主要适用于空气传播、流体传播和结构传播的噪声，对于其它有特殊情况的系统未必都适用。

什么是噪音？

简而言之，噪音包括任何不需要的声音。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/或通过系统内的物理结构。

空气噪音

一般大多数人直观认为噪音仅通过空气介质传播，它直接从其源头传播到我们的耳朵里。当然空气传播的噪声必须是在系统或应用的某些硬件内产生，这个硬件可以是泵，或者其它的元件。操作员听到的所有噪音理论上都是空气中的噪音。从噪声、振动和尖锐度(NVH)的工程角度来看,机载噪声是指直接来自声源表面的噪声。

流体噪音

无论是柱塞泵、叶片泵还是齿轮泵,这类容积式泵都天然有一定的压力波动 (见下图2) ，这些压力波动会产生不均匀的流动特性和压力脉动，并通过流体传递，这就是所谓的流体噪音激励。流体激励会在软管表面产生振动, 当然我们可以通过软管夹/支架将其转移到邻近的机械硬件上来降低软管的抖动。

液压软管的振动被称为压力波或流体激励，流体激励的压力脉动反过来又造成相应的力波动，这些结果产生的振动又产生流动的噪音。

1）当泵和电动机安装在隔音装置上时,合适的液压管路可以用来保持隔振。刚性管和弹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。最好的组合是通过弹性软管连接到短的刚性管的每个接口。

2）面板和防护罩通常会充当扬声器将低噪音放大称为高噪声，所以液压线路和软管与应用结构之间采用隔振的措施，比如框架,支撑或面板等，是减少机器设计中的噪音的一种方式。

3）液压软管和硬管是流体振动的一个传送器，它会将结构部件变成”扬声器”。所以为了最大限度地减少噪音，在设计静音液压设备时,必须考虑软管或硬管的布局，位置和固定。

4）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)，也可以进一步降低压力脉动。这些组件通过其在系统中的设计和放置对每个液压系统进行优化。 

5）谐振器/液压消声器的有效性或其设计优化程度的评价标准是传输损耗。插入损失是液压系统压力脉动减小的衡量标准,它取决于在液压系统中如何放置谐振器。在试图实现”设计低噪声”液压系统时,传动和插入损失都是重要因素。一个优化的谐振器系统可以减少高达20db或更多的压力波的大小。 

 软管隔振示例

结构件传递噪音

结构件传递噪声是振动仅通过结构件传递的结果。如 图1 上面,是力作用到部件后产生响应,以及部件向周围的其它零件辐射的结果。设备操作员实际可以观察到这些结构件发出振动和声音,也会听到他们通过空气传播的噪音。

结构噪声开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。振动一旦进入结构件，就会以结构件（最有可能是钢）的声速在它们中传播，这会激发其他部件并引起它们也成为噪声的辐射体，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会大量地辐射噪声。通过在金属表面设置一些加强筋或进行阻尼处理，可以减少这种噪音。

了解噪声参数

一般我们很难评估噪声水平，因为各种振动传播路径可能同时都在起作用。我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所有操作条件下的噪音水平。

一般我们会通过外壳将噪声源罩住，以便在噪声源之间提供物理隔断，噪声源可能是由泵、阀、液压管路、电机、气缸、软管/管道和其它附加机器设备引起的。这些隔断可以减少操作员或其他人听到的液压设备的噪音。

密封件周围的声音泄漏，也会极大地影响外壳隔断声音的能力。一般来说,在隔音罩里一个1%的”孔”将导致50%被测量的噪音泄漏。而在封闭环境,当噪音反射在封闭体内而不是投射出来时,封闭体内的噪音幅度实际上会增加。

外壳内的噪音幅度取决于测量噪音源的距离。一般来说,当将噪音源放置在外壳内时,它的幅值会使外壳内的噪音增加5-8分贝(DB),或比没有外壳的噪音源高78-151%。 (见下图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能力，添加一些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。

设计更安静的元件和系统

仅靠安静的液压泵并不能保证液压系统安静，成功的噪声控制计划需要多个专业领域的人共同努力。选择安静的泵应该只是这个降噪系统中的一部分，我们需要系统设计师、制造商、安装人员和维护技术人员的共同努力，而这些领域中的任何一个出现故障都可能破坏整个降噪计划。

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，最好从泵开始。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合理的油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。

在元件级别，设计人员可能希望从变速泵开始降噪。在变速驱动 (VSD) 系统中，泵速会根据系统负载要求来变化。这将降低噪音，因为当系统不需要动作时速度会降低，泵可以工作在低噪音区段。

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才可以获得最大的收益。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，将被测件与背景噪声隔离，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静音组件时，成功降低噪声的潜力变得更大。只有团队了解整个系统中的各个组件和角色，才可以帮助识别噪声源并进行低噪声设计。

液压系统的音质

有时候系统里的噪音问题的根源不一定总是液压系统，但人们抱怨最多的就是液压系统的噪音。主要原因其实与声音的质量有关，而不是与音量或压力。大多数从业者都听过液压系统发出的那种嗡嗡声。咱们客观地说，这种嗡嗡声通常没有很大的声功率。然而，它的音调不算优美，令人不快，这使得实际的声音听起来感觉更大。

为了量化变量泵的“液压啸叫” ，研究人员使用了多种声音测量方法，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 们觉得上面列出的指标还不够，他们还可能使用单一但不同的声音质量指标。大部分时间，他们使用几个加权声音质量指标来表征其产品实际的声音。 

因此，除了液压系统对整体声音水平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。发动机的隆隆声要比液压系统的嗡嗡声大得多，但大家听到发动机噪音，反而觉得这种声音是动力强劲的表现之一。 

最近随着混合动力和全电动的驱动系统应用变得越来越丰富， 移动机器的噪声源正从原来的发动机/排气管/风扇等元件发生转移。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，这时候液压系统的噪音也就变成了主要噪音源，所以在未来的应用中，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。 

本文由 丹佛斯动力解决方案公司 NVH（噪声、振动和声振粗糙度）总工程师 Michel Beyer 撰写和贡献。本文是 Power & Motion 的流体动力基础知识：液压电子书的一部分。