1、湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）题目作者 学院 专业 学号 指导教师 二一一年五月二十三日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业
2、设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对各类机电产品和设备也提出了更高、更新的要求。为满足这种要求，目前许多机电系统正向复杂化、高速化及相对重载化的方向发展。伴随着这些发展，对高速加工的核心部件高速电主轴的噪声问题也提出了越来越高的要求。因此噪声已经成为了评价高速电主轴性能的一项重要指标。基于此，本文开展对高速电主轴噪声分析及控制研究主要内容有：对振动噪声基本理论特别是前人关于高速电主轴噪
3、声的知识做了总结。对高速电主轴结构、工作原理进行分析的基础上，对高速电主轴各种噪声的产生机理和特征作了较为详细的阐述，讨论了各种噪声的影响因素及相应的控制措施；在噪声测试方面，介绍了常用的测量噪声的声压法、声强法。声强法方面主要做了理论上的探讨，研究了声强测量的原理及如何减小测量误差等，为进一步应用其开展噪声研究工作做了准备；讨论各种识别高速电主轴噪声源的方法及其原理。最后以型号为的高速电主轴为研究对象，对其声压进行了测量，测定了该电主轴的声功率级，并分析了所测信号的频谱结构，初步分析了噪声的产生原因和主要噪声源的位置。关键词：高速电主轴噪声，声压，噪声测试，频谱分析ABSTRACT As s
4、cience and technology development and improvement of living standards , People of all kinds of mechanical and electrical products and equipment is also a higher, updated requirements. To meet this requirement, many current positive complex mechanical and electrical systems, high speed and relatively
5、 heavy in the direction of development. Along with these developments, the core components of high-speed machining of high-speed electric spindle noise made ever-increasing demands,Noise index is an important aspect in evaluating engines performance.Carry out high-speed electric spindle analysis and
6、 control of noise is important.The main contents of this article as follow: Fundamental theories about vibration and noise especially precedential research on high-speed electric spindle noise are summarized.On the basis of analyzing high-speed electric spindles structure and working principle, the
7、origination, characteristics, influential factors and control measures of high-speed electric spindle noise are analyzed in this paper; With regard to noise testing,sound pressure and sound intensity are introduced. Study of sound intensity is focused on testing principal,instruction and how to redu
8、ce error.The works will be helpful for the further noise studying through sound intensity; Discussed the high-speed electric spindle various identification method and principle of noise. The testing object in this paper is an high-speed spindle (type:), sound pressure is measured to determine the so
9、und power level of the spindle, and analyzed the spectral structure of the measured signal, a preliminary analysis of the causes of noise and the main noise source location.Keywords:high-speed spindle noise,sound pressure,noise testing,frequency spectrum analysis目 录 第一章 绪论1 1.1 本课题研究的意义1 1.2 国内外研究现状
10、2 1.2.1 噪声分析与控制的提出3 1.2.2 噪声分析与控制的发展5 1.2.3 高速电主轴噪声的研究现状6 1.3 本课题研究内容7第二章 高速电主轴振动与噪声的产生和特征92.1 高速电主轴的振动分析9 2.2.1 高速电主轴的基本结构9 2.2.2 高速电主轴工作原理11 2.2.3 高速电主轴振动产生的机理12 2.2 电主轴噪声产生的机理和特征13 2.2.1 电磁噪声产生的机理和特征13 2.2.2 机械噪声产生的机理和特征13 2.2 噪声分析与控制中的声学基础14 2.3.1 声波的产生与声压14 2.3.2 声学波动方程16 2.3.3 声波的能量、声强和声功率20 2
11、.3.4 声级21 第三章 噪声测试技术24 3.1 概述 24 3.2 噪声测量系统25 3.3 声压测量26 3.3.1 声级计26 3.3.2 声压测量中的注意事项26 3.4 声强测量27 3.4.1 声强测量基本原理27 3.4.2 声强测量的误差分析30第四章 高速电主轴噪声的仿真分析344.1 Labview 软件简介344.2 测量点的布置364.3 测量过程374.4 测量结果的仿真分析384.5 结论47 第五章 总结与展望48参考文献 49致谢 52 第一章 绪论 1.1 本课题的研究意义 随着现代工业的迅速发展和社会进步，人们逐步认识到，噪声已成为影响最广的一种公害，是
12、四大环境污染之一。噪声是一种声学污染源，它不仅影响人们的身心健康，影响人们的工作休息，而且也是降低工作人员的劳动效率,导致各种事故发生的重要原因。时间久了，噪声除了对人的听觉系统有损伤以外，还对大脑的神经系统、心血管系统及消化系统等均有影响，这称之为噪声的生理效应。 噪声还严重影响工业产品的质量。一般来讲，产品的噪声越大，产品的质量就越低劣，因而其在市场上的占有率就越低。特别是产品的能够直接被用户所感觉到，因而其噪声往往产品生产和销售的关键因素。一般情况下，我们知道，一件产品其加工精度越高，噪声就越低，反之越高。例如，当今的硬盘市场竞争极其激烈，其竞争不仅仅表现在储存量、搜索速度荷稳定性上，在
13、硬盘的噪声方面更是投入了更大的人力和物力。因为，一旦速度提高，随之而来的振动噪声就会增大，而这些烦人的“吱吱”声对于计算机用户来讲，是非常影响思绪和情绪的。所以，多数的顾客在选择计算机时都要求硬盘的噪声小。由于用户的高度重视，各硬盘生产厂家在噪声的控制上花的功夫相当大。而ISO也很早就制定了噪声的标准，我国机械产业很多时候只是注意了功能的实现，往往忽视了噪声、外形等相关技术的发展，所以在国际市场上缺乏竞争力。高速加工于20世纪90年代初期进入工业制造领域，是制造工业史上继数控加工之后的又一项重大创新，它不仅可以获得更大的生产效率,而且还可获得很高的加工质量，而高速加工一个最根本最核心的特点和技
14、术就是实现高速的切削速度，因此高速电主轴单元成为高速加工机床核心部件。高速电主轴作为高速机床的核心部件，也是该机床的主要噪声源。电主轴中电磁噪声和机械噪声是不可避免的，它是反映电机设计和制造水平的重要指标，通过对其空载运转下产生的振动与噪声进行性能预测和实验评价，研究隔振与降噪技术，并依据噪声来辨别和排除机器故障,不仅能保证生产任务完成,还可防止安全事故发生。因此，噪声问题是一个具有极强实际意义的问题。1.2 国内外研究现状 从二十世纪五、六十年代开始，国外一些研究单位和高效就进行发动机噪声的研究工作。目前为止，抑制机构噪声的方法主要通过两种途径：一种是直接对噪声进行控制，一种是通过控制振动，
15、实现对噪声的控制，前者的提出很自然，是最早使用的，它主要分为被动控制和主动控制两种。吸声、隔声等被动控制很早就应用在控制的实践中，1934年德国物理学家 Paul Lueg（18981979）分别向德国、美国提出名为“消除声音振荡过程（Process of Silencing Sound Oscillation）”，标志着噪声的主动控制研究的开端，有源消声（Active Noise Control）开始被研究。1975年N. Lalor 和 M. Petyt 在SAE上发表了作为噪声源的内燃机机构振动模态。1982年，M.F.Russell在文章中对柴油机噪声控制技术进行了论述。于此同时，一些
16、学校和企业也进行了大量的研究工作，英国的南安普顿大学（University of southampton）振动噪声研究所于上世纪七十年代在对一些主要内燃机制造公司生产内燃机噪声测试的基础上，提出了预测柴油机A计权声压级的经验公式，随着柴油机降噪工作的开展，英国的里卡多（Ricardo）公司又对该公式进行了修改。1.2.1. 噪声分析与控制的提出 随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对各类机电产品和设备也提出了更高、更新的要求。为满足这种需要，目前许多机电系统正向复杂化、高速化及相对重载化的方向发展。伴随着这些发展，随之而来的噪声问题正日益突出。 噪声的危害是多方面的，其中最直接、最明显的表
17、现在于对人的各种影响。噪声严重影响人们的工作效率，长时间的强噪声环境中工作会使听力受到损害，人在较强的噪声环境下暴露一定时间会出现听力下降的现象，但到安静的场所停留一段时间，听觉就会恢复，这种现象叫做暂时性听阀偏移，也叫做听觉疲劳。但是长年累月的在强噪声环境下工作，不断的接收强噪声的刺激，则听觉不能复原，造成永久性听阀偏移，即听力损失。有资料表明：在80dB一下职业性噪声暴露时，一般不致引起噪声性耳聋（并不是指不造成听力损失）；在85dB下可造成轻微的听力损失；在85dB90dB之间，会造成少数人的噪声性耳聋；在90dB100dB之间，造成一定数量人的噪声性耳聋；在100dB以上，造成相当数量
18、人的噪声性耳聋。 除了对人听力的影响外，听力还对人的健康有很大的危害。它直接作用于人的中枢神经系统，使人的基本生理过程失调，甚至还会引起神经系统、心血管系统、消化系统等方面的疾病。此外，噪声还会对建筑物造成损坏，干扰精密仪器的运转。 噪声的来源是很多方面的，其中电磁噪声和机械噪声是主要因素。电磁噪声是由气隙磁场产生的、作用在定子铁芯上的径向力波引起的。而机械噪声又称结构噪声，是在撞击、摩擦、交变应力等的作用下，机械构件由于振动产生的噪声。目前，在高速加工技术领域广域使用着以电主轴为主体的各种高速机构，它的电磁噪声以及振动噪声构成了机械设备总噪声的一个重要部分。因此，设备电磁噪声以及振动噪声的有
19、效控制对实现机电产品整体降噪具有十分重要的意义。 目前，产品的噪声指标已经成为衡量其先进性和市场竞争力的主要因素之一。许多国家和国际组织如ISO等都制定了相应的噪声标准。目前，如何对噪声进行有效的控制或如何基于噪声控制设计高性能产品，已成为急需进一步解决的关键问题之一。甚至，下一世纪对噪声的控制技术的研究与应用依然是重要的前沿性研究领域，是实现绿色设计应予以考虑的重要因素之一。1.2.2. 噪声分析与控制的发展由于理论和科技的限制,很早的时候人们就开始采用被动的方法来进行噪声的控制,即噪声的无源控制。主要有以下几种方法：1. 用吸声方法降低噪声用吸声方法降低噪声的方法是指利用吸声材料和吸声结构
20、来吸收声能，从而控制噪声强度。吸声材料的吸声性能用吸声系数和声阻抗表示。被吸收的声能对入射声能之比定义为吸声系数，即=吸收声能/入射声能 （1-1）吸声系数是衡量材料对声能的吸收量的标准，吸声系数大吸声效果越好，它与材料的物理性质、声波频率及声波射线的入射角有关。任何材料对声波都能吸收，但吸收的程度各有不同，一般密度越小，孔隙越多，吸声性能越好，但如孔隙过大，成为疏松稀薄材料，则吸声性能反而降低。2. 用隔声法降低噪声人们在听到巨大的声音时，就本能的用手捂住耳朵，这可能就是人类最早利用的隔声方法。隔声就是把发声的物体，或把需要控制噪声的场所封闭起来，使其与周围的环境隔绝开来，成为声学上的孤立系
21、统。一般情况下，我们都是进行空气声的隔离，采用的方式通常有三种方法：a.单层隔声装置；b.双层隔声装置；c.带空气层的双层隔声装置。单层隔声装置中常用的隔声墙、专用隔声材料。对于单层隔声墙，隔声效果与墙的单位面积重量、噪声频率有关，单位面积重量越大，噪声频率越高，隔声的效果越理想，但是通常对其厚度要求较高。所以后来出现了带空气的双层 隔声装置，当噪声的频率高于空气层结构的固有频率时，比单层的要好。另外还有一种消声方式就是通过消声器来降低噪声，这种方式主要用在对环境噪声的控制，在我们的研究系统中不会涉及，这里不做过多的介绍。1.2.3. 高速电主轴噪声的研究现状高速加工技术作为一个新兴领域，而高
22、速电主轴又是其核心部分，其噪声更是决定了电主轴的性能，反映了电主轴设计和制造水平的重要指标，因此，国内外对电主轴噪声的研究相当积极。目前噪声测试方法主要有声压法、声强法、声发射法（AE）和声振动测量法，趋向于各种方法的综合应用。更多地借助于声强法和模态测量法、能量流或功率流测量法来研究机械结构系统的噪声形成固体传播和辐射规律。Mba D 等的研究结果表明,声发射方法比振动分析能更好地检测到元件早期失效,通过分析径向载荷、回转速度与高水平背景噪声对AE检测的可靠性影响,提出了滚动轴承声发射的门槛值,提出用能量均方根值与AE 技术来检测轴承、机器的缺陷。Miettinen J 等研究了脂润滑轴承的
23、声发射监测方法,分析了脂中污染物对轴承声发射的影响,结果表明小污染颗粒比大污染颗粒的声发射脉冲数水平高,AE 时域分析方法是分析污染物颗粒硬度的合理方法;AE 水平不是随污染物增多而线性增加,有时可观测到减少的现象。 美国的Rorrer R A L 等分析了粘滑参数对摩擦振动的影响,结果表明静摩擦系数与动摩擦系数的差是决定噪声的最重要参数,速度的均方根值与静、动摩擦系数差之间有很好的相关性。 Perls 提出高速电主轴中可能存在的电缆噪声：当电缆收缩、弯曲、被敲击、挤压或扭曲时都产生电荷，因为此时在电介质与外部保护壳或电介质与中间的导体之间都会产生摩擦。Sanjay Kumar Jha 提出从
24、噪声辐射点和噪声源入手，使用声学照相机监测到高频噪声辐射点，再通过振动的测量监测到低频的噪声源，对高速电主轴噪声研究奠定了良好的基础。随着计算机技术朝着大容量、高速度和小型廉价化方向迅速发展，各种分析软件和数值解析方法得到大量运用，有限元法（FEM）是工程分析中最通用而强大的分析方法。近年来有学者用边界元法（BEM）和雷利（Rayleigh）积分法研究结构辐射噪声，比其他方法更加准确和简单省时。噪声控制由传统的消声、隔声、吸声和隔振等手段向结构动态特性改进声源直接控制和传统手段相结合的方向发展。人们逐步开始以系统的观点来看待噪声问题，从电主轴的图纸设计阶段就对其结构进行噪声预测，做出噪声评价，对电主轴零部件实施噪声优化设计。1.3 本课题研究内容本课题主要研究内容如下：（1） 系统研究振动和噪声理论，特别是有关电主轴振动产生机理、影响因素和传播途径等知识。（2） 研究各种现代信号处理技术如 LabVIEW 仿真分析、频谱分析、功率谱分析等在噪声分析中的应用。探讨点主轴噪声的噪声源识别方法和原理。（3） 仿真电主轴噪声的波形图和频谱图，根
