产品降噪设计的几点建议

设备产生令人不悦的噪音,会让使用者对用户体验以及产品质量的感知产生负面影响,另一方面,它也是产品效率低下的表现。

各种部件都可能成为噪音的来源,降噪无疑是较有挑战性的设计问题。对影响声音等级要素的了解,能够让设计工程师创造出更高效的产品。

在开发和原型制作阶段,排除过量噪音通常属于棘手问题,尤其是有多个声源的情况下。往往,工程师解决了主要噪音问题,又发现了一个相对较低但更令人烦燥的次要噪音源。这类复杂情况,要考虑的不仅是声音级别,还有其特征,有时更大的噪音反而不是件坏事。

运动系统

运动部件都会产生噪音,无论是来自电机、滑动接触还是振动。

在包含齿轮的应用中,齿轮类型的选择、齿轮间距、表面光洁度和润滑状态都对齿轮布局的噪音有影响。

在我们最近的一个案例中,IDC的设计工程师成功通过调整产品的机械设计,降低了蜗轮和齿轮组的声音级别,实现了蜗轮相对于轮子位置更严格的公差。

另一种巨大的齿轮噪音是直切齿在直齿圆柱齿轮上所产生的呜呜声-大接触面积的齿会引起响亮、高音调的高速噪音。降噪解决方案是以斜齿圆柱齿轮替代,给予较少的接触面积,显著降低噪音。

使用轴套来支持旋转轴,说明了相对运动部件的表面光洁度对声音水平的巨大影响。

在一个粗糙的钢轴上安装一个油套管并旋转,会产生一种几乎是刮擦般令人不悦的声音,并随着速度的增加达到令人烦躁的音量。该噪音其实就是轴上的凹凸不平磨破了衬套的表面,导致过度噪音、发热和快速磨损。

假如对轴的表面研磨或抛光,适当细化并反复这个测试,衬套表面会因为刨削被消除,获得近乎无声的运转结果。

这也将促进流体动力润滑机制发挥作用——轴将浮在轴套中拉出的一层纤薄的润滑液膜上。IDC在最近的一个项目中解决了一个类似的问题,该项目与一个机动车厢有关,它在一个挤出的空间内部运行。

振动引起的噪声是运动系统中的一个常见问题,通常很难进行故障排除。

如在工作台测试时,电机可能很安静,但将其安装到运动系统中,它的振动会与产品的框架之间产生可闻噪音。

电机转速不同,振动产生的噪音也不同。在空载下,系统可能在可接受的噪音水平下运行;但在其他负载和速度下,噪音可能就是个问题。

气流

许多产品的冷却功能都是通过空气流动实现的,如果在设计阶段或指定部件设计中没有充分考虑该要素,空气流动会导致各种各样的噪音问题。

通常情况下,外壳需要某种形式的冷却,如排气扇来清除热空气。此时,噪声的明确来源是风扇,或其电机和轴承,或气流流过风扇叶片的声音。

一些情况下,一个更大的风扇,以慢速旋转提供相同的流速、及较低的空气速度,这可以成为一个替代方案;但如空间中无法容纳大风扇,则小尺寸高速风扇,就要针对叶片做优化设计,并选择安静的轴承,控制噪音到可接受的水平。

小尺寸、高流量风扇的挑战在于管理快速流动的空气的方式,而非导致额外噪音的方式。

任何对高速流动的干扰,如风扇格栅、PCB组件或通过管道方向的改变,都会产生声音。

风扇减噪设计的另一个考虑因素是流量限制。如果进气限制流量,会使风扇工作更困难,吸引更多的电流从而产生更多的噪音。

元件选择

在设计阶段初始,就应了解产品可接受的声音级别,以从一开始就考虑减少和管理噪音的解决方案。

从声音的角度讲,含泵的产品尤其具有挑战性,因为它们涉及到不少噪音最严重的问题,电机、旋转、动接触和流体流动。

泵的类型多种多样,均具有不同的压力和流量特性,并导致不同的噪声特性。

当产品要求涉及到泵在极端压力或极端流速下的规格时,噪声问题往往会出现。高压-低流量应用非常适合往复泵,这种泵的声音往往较大。

低压-高流量应用具有高速气流和高速电机,真空吸尘器是一个明显的例子。

IDC最近开展的一个项目,利用高达900bar压力的大型往复液体泵降低高压系统的声级。

其关键点在于选择适当的组件而非交付远超实际需要的组件。这来自于对用户需求和需求规范的全面理解。

结论

在所描述的情况中,过量噪音水平通常是效率低下最明显的症状;

  • 噪音轴承磨损更快,有更大的/滑动滚动阻力。
  • 从轴套和滑动直线轴承传来的刮擦声表明,表面光洁度和对准度不佳,会致使加速磨损和增加摩擦。
  • 大齿轮可能间距不对、表面光洁度不佳或规格不对。
  • 过大的气流可能是气流中断和摩擦损失的结果,这会导致压力增加,及冷却风扇更拼命地运转。
在声源处,将声音降低到可接受的水平未必总能实现,所有的组件都有一个最小的声音输出,在某些情况下,它们可能仍然偏大。

在这些情况下,附加阻尼和隔声是降低声级最常用的方法。

减噪是一个重要的主题,包含许多因素,每个情况都必须单独处理,我们希望本文能够帮助阐明一些潜在的考虑因素,供各位参考。

关于作者

尼克拥有赛车工程硕士学位,他运用对机械工程原理和复杂运动系统的深入理解,解决了包括机器人、医疗设备、消费品和工业设备等广泛项目中的一系列技术问题。

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