謝衛(wèi)平

（廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

桌面金融鈔票處理設(shè)備設(shè)計(jì)的基本原理為，通過摩擦把鈔票進(jìn)行分離，利用機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鈔票傳動(dòng)，并通過光電磁等檢測后進(jìn)行分揀[1]。機(jī)械零件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的和鈔票在運(yùn)動(dòng)過程中的抖動(dòng)以及對(duì)設(shè)備的撞擊都不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，另外隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，銀行每天處理的現(xiàn)金量較之前有很大的增長，銀行對(duì)桌面金融鈔票處理設(shè)備的處理速度要求越來越高，處理速度從之前的7張/s提升到12張/s，但是伴隨處理速度的提升，設(shè)備產(chǎn)生的噪聲也隨之增加，噪聲的對(duì)辦公環(huán)境的污染的問題越來越突出。桌面金融鈔票處理設(shè)備是放置在銀行柜員的柜面，供銀行柜員進(jìn)行日常辦公使用，設(shè)備的入鈔口和取鈔口都需要開放，方便操銀行柜員隨時(shí)進(jìn)行取鈔和加鈔，所以不能簡單地在設(shè)備外增加隔音裝置對(duì)噪聲傳播途徑的控制，進(jìn)行噪聲隔離，這樣會(huì)帶來額外的設(shè)備外改造和很不友好的用戶體驗(yàn)。因此需在設(shè)備的聲源上對(duì)其進(jìn)行控制。本文依據(jù)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)桌面鈔票處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析，并通過噪聲振動(dòng)測試儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行噪聲檢測，對(duì)產(chǎn)生噪聲較大的區(qū)域進(jìn)行共振模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率和振型。采用理論分析、數(shù)值模擬和檢測驗(yàn)證等方法，對(duì)桌面金融設(shè)備的噪聲特性進(jìn)行研究，分析桌面金融鈔票處理設(shè)備的噪聲源特征及其傳播機(jī)理，從聲源和聲傳播角度提出降噪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備噪聲分析

1.1 傳動(dòng)部分噪聲分析

桌面金融鈔票處理設(shè)備的鈔票傳輸功能，基本都為利用同步帶和齒輪進(jìn)行動(dòng)力傳輸，通道板進(jìn)行導(dǎo)向，傳動(dòng)輥對(duì)鈔票進(jìn)行搬運(yùn)，完成鈔票的傳輸功能。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳動(dòng)輥通過滾珠軸承安裝在鈑金框架上，各個(gè)傳動(dòng)輥之間為同步帶、同步輪相連，主電機(jī)驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)傳動(dòng)輥，可帶動(dòng)所有傳動(dòng)輥一起運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鈔票的傳輸。傳動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和撞擊，因此要對(duì)鈔票傳輸過程中的各個(gè)部件在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行產(chǎn)生噪聲進(jìn)行理論分析。

圖1 基本結(jié)構(gòu)

1.1.1 滾珠軸承的噪聲分析

桌面金融鈔票處理設(shè)備在工作時(shí)，可以根據(jù)其處理速度得知傳動(dòng)輥需要的轉(zhuǎn)速，假設(shè)傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。同樣滾珠軸承的內(nèi)圈將以1 800 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，因此處于靜止?fàn)顟B(tài)的外圈上會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，用一個(gè)速度型檢測頭直接接觸在外圈上，并將徑向機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電氣量進(jìn)行檢測。檢測到的噪聲振動(dòng)被分割為3個(gè)頻帶，儀器上顯示出各頻帶的噪聲振動(dòng)的度量值。另外，除了數(shù)量顯示以外，還裝置有覆蓋全部頻帶的揚(yáng)聲放大器，可以用耳機(jī)監(jiān)聽噪聲的聲級(jí)。各頻帶的頻率分配如下：低頻帶為50～300 Hz；中頻帶為300～1 800 Hz；高頻帶為1 800～10 000 Hz。

滾珠軸承從原理上講是通過旋轉(zhuǎn)發(fā)揮其功能。滾珠軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速而變化的振動(dòng)稱之謂“因強(qiáng)迫旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)”，這類振動(dòng)也作為振動(dòng)能量對(duì)軸承周圍的結(jié)構(gòu)零件的固有振動(dòng)產(chǎn)生影響造成共振現(xiàn)象。破壞此類共振，對(duì)噪聲改善有較明顯效果。關(guān)于滾珠軸承因強(qiáng)迫旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)頻率內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)的計(jì)算公式如下。

滾珠的公轉(zhuǎn)振動(dòng)：

保持架的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)：

滾珠的自轉(zhuǎn)振動(dòng)：

滾珠的通過振動(dòng)：

式中：Dw為滾珠直徑，mm；Dpw為節(jié)圓直徑，mm；α為公稱接觸角，(°)；Z為滾珠數(shù)；fr為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)速度，Hz。

假設(shè)已知桌面金融鈔票處理設(shè)備的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，使用的滾珠軸承為美蓓亞型號(hào)為LF-1480ZZ，另外為簡化計(jì)算，可以取cosα=1，根據(jù)上列公式：

由上可知滾珠軸承對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率，滾珠軸承和鈑金框架為直接接觸，桌面金融鈔票處理設(shè)備上又有大量的滾珠軸承，在工作時(shí)滾珠軸承產(chǎn)生振動(dòng)不斷地對(duì)鈑金框架進(jìn)行激勵(lì)產(chǎn)生噪聲。

1.1.2 同步帶產(chǎn)生的噪聲分析

由于同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、效率高、功率大、傳動(dòng)平穩(wěn)、維修保養(yǎng)方便等突出優(yōu)點(diǎn)，桌面金融鈔票處理設(shè)備多采用同步帶做傳動(dòng)。由于同步帶輪之間不平衡的離心力的激勵(lì)以及皮帶和帶輪嚙合時(shí)引起氣體擾動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生噪聲。同步帶帶輪本身的形狀公差及位置公差，包括帶輪的齒向公差、齒厚公差以及軸向及徑向跳動(dòng)等。同步帶與帶輪的制造精度越高，嚙合是產(chǎn)生的沖擊越小，同步帶噪聲必然越低。由于帶及帶輪嚙合時(shí)，引起氣體的擾動(dòng)從而產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲。同步帶輪圓周方向開消音槽帶寬度越寬，氣流運(yùn)行的路線就越長，氣體的壓力變化亦越大，從而噪聲越大[2]。因而希望同步帶輪與帶的寬度盡量窄，但同步帶的寬度與傳遞的功率有近似正比的關(guān)系，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的功率，帶輪與帶必須有一定的寬度。

1.1.3 通道中撞擊的噪聲分析

紙幣在通道中高速運(yùn)行除了擾動(dòng)空氣產(chǎn)生的噪聲外，其進(jìn)入傳輸輥時(shí)和傳輸輥的撞擊產(chǎn)生的噪聲也非常明顯，理論上當(dāng)撞擊點(diǎn)的撞擊角度越大時(shí)，鈔票撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊力就會(huì)越大，同時(shí)沖擊產(chǎn)生的噪聲就會(huì)越大。

1.2 結(jié)構(gòu)共振噪聲分析

桌面金融鈔票處理設(shè)備是由多個(gè)零部件組成的一個(gè)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體，不同的零件的形狀不同，材質(zhì)不同，材質(zhì)分別有塑料、鈑金、鋁等。所以對(duì)不同的零件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算得出其固有共振頻率相當(dāng)復(fù)雜，所以將其簡化，通過測驗(yàn)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行檢測。對(duì)其產(chǎn)生噪聲比較大區(qū)域進(jìn)行共振模態(tài)的分析[3]。通過檢測可知設(shè)備不同條件下振動(dòng)頻率和聲強(qiáng)的分布情況，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)頻率和聲強(qiáng)的分布情況

由上述分析可知，首先滾珠軸承在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)是一個(gè)激勵(lì)源，會(huì)傳遞給與其鏈接的鈑金框架，再傳遞通過框體傳遞至相關(guān)聯(lián)的各個(gè)零件以及下一級(jí)的零件，結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)較產(chǎn)生共振產(chǎn)生噪聲。其次鈔票在傳輸過程中對(duì)通道輥和通道板的撞擊以及對(duì)空氣的擾動(dòng)設(shè)備薄壁件的共振產(chǎn)生的二次聲輻射，就成了桌面金融鈔票處理設(shè)備的主要噪聲源。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)分析結(jié)果，桌面金融鈔票處理設(shè)備工作時(shí)的噪聲主要由機(jī)械振動(dòng)噪聲、紙幣傳輸引起的空氣擾動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)共振噪聲組成。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案從以下幾個(gè)方面著手，進(jìn)行減振、吸音、隔音。

2.1 減振設(shè)計(jì)

桌面金融鈔票處理設(shè)備大量的軸承作為激勵(lì)源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，因?yàn)槠洳馁|(zhì)屬性和框架材質(zhì)同為金屬，容易導(dǎo)致共振，必須使鈑金框體的固有振動(dòng)頻率與軸承的固有振動(dòng)頻率分開，與激勵(lì)的主頻率分開。優(yōu)化設(shè)計(jì)采用在滾珠軸承外圈增加塑料軸套，如圖3所示，減少滾珠軸承對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)，降低機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)的耦合是將振動(dòng)的能量通過振動(dòng)系統(tǒng)傳輸給產(chǎn)生響應(yīng)的零、部件。解耦的目的是改變振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，比便破壞能量傳輸?shù)臈l件，達(dá)到減振降噪的效果。

圖3 減振優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)測試的結(jié)果，在振動(dòng)噪聲大的區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行剛度的合理分配和平衡，加強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總剛度，提高結(jié)構(gòu)的共振頻率和降低振動(dòng)響應(yīng)[4]。對(duì)不便于加強(qiáng)剛度的結(jié)構(gòu)，可通過增加阻尼的方式進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示，在薄壁空腔的零件上在上貼阻尼材料，阻尼有助于降低共振的振幅，對(duì)于任何一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)激勵(lì)的頻率ω等于共振頻率ωn時(shí)，其位移響應(yīng)的幅值X與各階模態(tài)的結(jié)構(gòu)損耗因子ηn成反比，即：當(dāng)ω=ωn（n=1，2，3，4…）時(shí)，X∝1/ηn。所以，在頻率遠(yuǎn)離共振區(qū)時(shí)，動(dòng)態(tài)位移受彈性項(xiàng)和慣性項(xiàng)的影響，而在接近或等于共振頻率時(shí)，位移主要受阻尼項(xiàng)的影響，按公式，增大阻尼的損耗因子值ηn，可大幅度降低共振的位移幅度值X，從而降低聲壓，減少噪聲。

圖4 增加阻尼

優(yōu)化傳輸通道鈔票撞擊點(diǎn)從動(dòng)的角度，傳動(dòng)輥的主動(dòng)輪是內(nèi)部合金、外部橡膠的，上面嚙合的從動(dòng)輪是鋼的。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪為零間隙，鈔票進(jìn)來前，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)鈔票經(jīng)過輪子時(shí)，鈔票帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)，如圖5所示，在通道板上增加導(dǎo)向特征，目的是當(dāng)鈔票進(jìn)入傳動(dòng)輥時(shí)，將鈔票送到更接近主動(dòng)輪與從動(dòng)輪離得最近的位置，減小鈔票和從動(dòng)輪的撞擊，進(jìn)而降低噪聲。

圖5 優(yōu)化傳輸通道鈔票撞擊點(diǎn)從動(dòng)的角度

2.2 吸音隔音設(shè)計(jì)

對(duì)桌面金融鈔票處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)中存在類似箱體的空間在外圍進(jìn)行密封進(jìn)行聲音傳播的隔絕，在空間增加吸音棉，消弱駐波，吸收多余的音波，被動(dòng)阻隔聲源傳播。

根據(jù)以上提出的方案，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 16999-2010規(guī)定的方法測量樣品的噪聲。測量環(huán)境：半消聲室；背景噪聲：16.8 dB(A)(Ref.20μPa)；環(huán)境溫度：23.5℃；環(huán)境濕度：58.5%RH；

樣品工作狀態(tài)：工作電源220 V/50 Hz；測量方法：樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái)上，測量點(diǎn)距樣品表面中心前、后、左、右、頂端各1 m。

對(duì)優(yōu)化后和優(yōu)化前的桌面金融鈔票處理設(shè)備進(jìn)行了噪聲測試對(duì)比。優(yōu)化后的設(shè)備的噪聲值有較明顯的下降，測試結(jié)果如表1所示，改進(jìn)前后的頻譜如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后的頻譜

表1 測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文對(duì)桌面金融鈔票處理設(shè)備進(jìn)行了降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)：改變激勵(lì)，使機(jī)械的固有頻率避開激勵(lì)頻率可有效防止共振；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法變更或輸入激勵(lì)無法減小的情況下，增加阻尼材料可有效減小振動(dòng)降低噪聲；優(yōu)化通道的撞擊角，可有效降低鈔票經(jīng)過撞擊點(diǎn)時(shí)的噪聲；密封和吸音對(duì)消除高頻噪聲有一定的效果。該優(yōu)化設(shè)計(jì)通過實(shí)際檢測，能有效地降低設(shè)備的噪聲。隨著金融業(yè)的發(fā)展，金融設(shè)備的要求會(huì)越來越高，設(shè)計(jì)師會(huì)面臨更多挑戰(zhàn)，后續(xù)還需對(duì)桌面金融鈔票處理設(shè)備的噪聲進(jìn)行更全面地深入研究，以便更好地減少設(shè)備噪聲，創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。