■ 高 波 翟之平 蘭月政 趙 宇 周 強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

農(nóng)作物秸稈資源化利用有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)作物秸稈資源化利用有多種形式，秸稈經(jīng)過揉絲、粉碎、鍘切等多種加工方式處理后可以作為飼料飼喂牲畜，也可以還田作為肥料以及栽培食用菌使用，還可以作為工業(yè)原料或燃料等使用。對(duì)秸稈進(jìn)行多種加工的機(jī)械主要有錘片式秸稈揉絲機(jī)、秸稈粉碎機(jī)、秸稈鍘草機(jī)以及多功能秸稈加工機(jī)械。

目前，錘片式秸稈加工機(jī)械普遍存在振動(dòng)與噪聲大的問題。國(guó)外學(xué)者Carmine[1]早在1980 年研究發(fā)現(xiàn)錘片式粉碎機(jī)存在噪聲大的問題，噪聲高達(dá)100 dB（A）。國(guó)內(nèi)學(xué)者王娟等[2]實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)錘片式秸稈揉碎機(jī)噪聲高達(dá)100～110 dB（A）。不僅影響工作人員的身心健康與工作環(huán)境，而且制約了該類機(jī)械向高品質(zhì)方向發(fā)展。

文章主要對(duì)錘片式秸稈加工機(jī)械噪聲特點(diǎn)、噪聲基礎(chǔ)理論與方法研究現(xiàn)狀以及錘片式秸稈加工機(jī)械研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)該類機(jī)械噪聲進(jìn)行總結(jié)與展望，為錘片式秸稈加工機(jī)械降噪及減振設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 錘片式秸稈加工機(jī)械噪聲特點(diǎn)與產(chǎn)生原因

錘片式加工機(jī)械所產(chǎn)生的噪聲主要分為氣動(dòng)噪聲與振動(dòng)噪聲[3-4]。其中氣動(dòng)噪聲是引起噪聲的主要來(lái)源[5]。王娟等[2]進(jìn)一步分析表明錘片式秸稈揉碎機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)內(nèi)部流場(chǎng)引起的離散噪聲以及流場(chǎng)中的渦流和邊界層的吸附與分離引起的寬頻噪聲組成。對(duì)于振動(dòng)噪聲來(lái)說，由不平衡轉(zhuǎn)子經(jīng)內(nèi)流場(chǎng)傳遞到外殼或經(jīng)軸承傳遞到機(jī)架引發(fā)的噪聲一般是呈周期性變化的，噪聲為離散噪聲；而機(jī)器內(nèi)部秸稈物料與錘片、物料與機(jī)殼以及物料與物料間的碰撞引起的振動(dòng)噪聲一般是隨機(jī)性的，頻率連續(xù)為寬頻噪聲[6]。

錘片式加工機(jī)械產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因是高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的錘片、動(dòng)刀以及拋扔葉片對(duì)氣流的規(guī)律性、周期性的擾動(dòng)作用，使得轉(zhuǎn)子外表面和外殼內(nèi)表面產(chǎn)生氣流壓力脈動(dòng)所形成的噪聲，屬于偶極子聲源[6]。此外，由轉(zhuǎn)子表面氣體的壓力和速度波動(dòng)及漩渦脫離、破碎等原因引起的湍流噪聲屬于四極子聲源。錘片式加工機(jī)械氣動(dòng)噪聲源主要以偶極子聲源與四極子聲源為主。引起錘片式秸稈加工機(jī)械的振動(dòng)噪聲的主要振動(dòng)源是不平衡轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力，轉(zhuǎn)子不平衡的原因之一是在滿足設(shè)計(jì)要求的平衡精度前提下允許的最大不平衡度；另一原因是機(jī)器工作一段時(shí)間后由于錘片不均勻磨損導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不平衡。傳遞路徑之一是通過軸承傳遞到機(jī)體上引發(fā)振動(dòng)并輻射噪聲，另一傳遞路徑是通過其內(nèi)流場(chǎng)傳遞到外殼內(nèi)壁引發(fā)外殼振動(dòng)向外輻射噪聲。除此之外，秸稈、飼草等物料破碎過程中與氣流、錘片以及機(jī)殼等機(jī)械結(jié)構(gòu)相互作用、碰撞使得氣動(dòng)與振動(dòng)噪聲耦合[7]。

2 錘片式秸稈加工機(jī)械噪聲研究現(xiàn)狀

2.1 噪聲基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)狀

振動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲是現(xiàn)代聲學(xué)研究的兩大分支。振動(dòng)噪聲是研究固體振動(dòng)激發(fā)的噪聲，氣動(dòng)噪聲則是關(guān)注流體運(yùn)動(dòng)激發(fā)的噪聲。從17 世紀(jì)初，伽利略（Galileo Galilei）在研究單擺周期和物體振動(dòng)中，展開了對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)研究。在此之后，幾乎所有杰出的物理學(xué)家都涉及一些對(duì)振動(dòng)和聲的研究。德國(guó)著名聲學(xué)家克拉尼（Chladni）研究了聲音在各種氣體中的傳播，并于1802 年出版了《聲學(xué)》。19 世紀(jì)中葉，英國(guó)科學(xué)家瑞利勛爵（Lord Rayleigh）發(fā)表了《聲學(xué)原理》，該書對(duì)19 世紀(jì)以及前二三百年的聲學(xué)研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為現(xiàn)代聲學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。在早期對(duì)振動(dòng)噪聲的分析中，學(xué)者采用的是基于聲學(xué)基本方程通過特殊函數(shù)法和級(jí)數(shù)逼近的手段求解，但是這只適用于簡(jiǎn)單的問題。后來(lái)，學(xué)者采用差分法離散連續(xù)方程獲得數(shù)值解，但是面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜邊界條件的振動(dòng)噪聲問題還是無(wú)能為力。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限元技術(shù)與邊界元技術(shù)出現(xiàn)，在分析振動(dòng)噪聲時(shí)，由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)與聲輻射模態(tài)直接耦合，模態(tài)分析應(yīng)運(yùn)而生。Borgiotti[8]、Photiais[9]與Elliott[10]等學(xué)者都為模態(tài)理論的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。對(duì)氣動(dòng)噪聲來(lái)說，19世紀(jì)中葉，Navier 等推導(dǎo)出N-S 方程，該方程為了描述牛頓黏性流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律并適用于層流運(yùn)動(dòng)和紊流運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于紊流問題由于流體存在黏滯力的情況，使得該方程不便于求解[11]。N-S 方程的出現(xiàn)，為氣動(dòng)噪聲的研究奠定了基礎(chǔ)。20 世紀(jì)中葉，學(xué)者Lighthill[12]為計(jì)算超音速飛機(jī)噴嘴處的氣動(dòng)噪聲，考慮到黏滯力的存在造成求解困難，建立了聲學(xué)模擬理論，揭示出聲與流動(dòng)相互作用的本質(zhì)，并由N-S 方程推導(dǎo)出了Lighthill方程。該方程建立了在自由空間下流場(chǎng)參數(shù)與聲波波動(dòng)量之間的聯(lián)系，為氣動(dòng)聲學(xué)的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。但是由于該理論基于介質(zhì)是靜止的假設(shè)，而實(shí)際上在脈動(dòng)湍流區(qū)內(nèi)聲源和介質(zhì)都是運(yùn)動(dòng)的，并且流動(dòng)剪切層內(nèi)的速度是非均勻的，使噪聲測(cè)試出現(xiàn)了一定的誤差。Curle 為使Lighthill 方程適用于考慮靜止固體邊界的情況，使用了基爾霍夫積分的方法。結(jié)果表明：固體邊界的作用可以等效為其邊界上分布著的單極子、偶極子與四極子源共同作用的結(jié)果[13]。為解決運(yùn)動(dòng)固體邊界對(duì)發(fā)聲的問題，在20 世紀(jì)中葉，F(xiàn)fowcs-Willams 和Hawkings 將Curle 理論推廣到可以計(jì)算任意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下任意形狀物體的聲輻射，即FWH 方程。由N-S 方程、Lighthill 方程、Curle 方程以及FW-H 方程基本構(gòu)成了氣動(dòng)噪聲研究的理論基礎(chǔ)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在聲學(xué)研究的大規(guī)模應(yīng)用，計(jì)算氣動(dòng)噪聲的方法已經(jīng)演變成為以理論為基礎(chǔ)與計(jì)算機(jī)分析方法相結(jié)合，使噪聲的預(yù)測(cè)變得更加準(zhǔn)確。

2.2 噪聲分析方法研究現(xiàn)狀

2.2.1 氣動(dòng)噪聲分析方法研究現(xiàn)狀

計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（簡(jiǎn)稱CAA）是一種基于數(shù)值模擬方法求解氣動(dòng)聲學(xué)問題的方法。通過數(shù)值計(jì)算方法求解N-S 方程、歐拉方程等來(lái)求解非定常流動(dòng)問題，進(jìn)而確定聲源類型和強(qiáng)度等相關(guān)問題。早期的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)的研究工作主要解決計(jì)算流體力學(xué)中的低精度與無(wú)邊界反射問題。常見的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)求解方法主要包括直接聲學(xué)計(jì)算法和混合聲學(xué)計(jì)算法[14]。

直接聲學(xué)計(jì)算法是通過數(shù)值方法直接求解全場(chǎng)的Navier-Stokes 方程。由于為了將小尺度信息進(jìn)行表達(dá)，直接法要求網(wǎng)格個(gè)數(shù)進(jìn)行加多處理，造成計(jì)算量變得巨大。此外，聲場(chǎng)和流場(chǎng)之間存在巨大的信息差異，造成求解聲場(chǎng)所需的計(jì)算資源相較于流場(chǎng)計(jì)算更加龐大。因此，目前直接聲學(xué)計(jì)算法主要應(yīng)用于聲傳播的機(jī)理研究，在求解復(fù)雜聲學(xué)問題仍有很長(zhǎng)的路要走。林大楷等[15]通過采用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)中的直接法對(duì)微孔共振腔吸聲機(jī)理進(jìn)行了研究，分析表明，腔口處黏性耗散和渦脫落是吸聲的主要形式，且共振腔的吸聲性能在入射波為共振腔固有頻率時(shí)最優(yōu)。Egorov等[16]在對(duì)高超聲速氣流速度下層流-湍流轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。Sun等[17]通過采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)不同攻角下棒-翼型繞流的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著對(duì)攻角的增大，棒-翼構(gòu)型的復(fù)合渦結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化；當(dāng)對(duì)攻角為15°時(shí)，水翼尾流區(qū)復(fù)合渦結(jié)構(gòu)脫落引起的尾流噪聲影響變強(qiáng)。

混合聲學(xué)計(jì)算方法是將計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)相結(jié)合，即將計(jì)算流體力學(xué)在聲源產(chǎn)生區(qū)域的計(jì)算優(yōu)勢(shì)與計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)適合遠(yuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn)結(jié)合，故混合計(jì)算方法相較直接聲學(xué)計(jì)算法的計(jì)算效率更高。其中在聲源區(qū)采用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，而在聲場(chǎng)區(qū)采用聲類比法或聲波傳遞方程計(jì)算。李亮等[18]以某型號(hào)掃路車專用風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用聲比擬理論和計(jì)算流體力學(xué)法對(duì)其氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)的噪聲主要為低頻噪聲，吸力面的壓力脈動(dòng)是其噪聲的主要來(lái)源，離散噪聲在氣動(dòng)噪聲中所占的比重較大。李東旭等[19]采用了計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算聲學(xué)耦合方法對(duì)風(fēng)電葉片翼型進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)電葉片氣動(dòng)噪聲屬于寬頻噪聲和尾緣鋸齒對(duì)中低頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲有比較明顯的降低效果。Nakhla[20]在針對(duì)割草機(jī)噪聲的研究中，采用了計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)中的混合聲學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并比較了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，為割草機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。朱茂桃等[21]在針對(duì)鋸齒結(jié)構(gòu)的車輛冷卻風(fēng)扇的噪聲研究中，通過計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)聯(lián)合仿真方法，對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)性能和氣動(dòng)噪聲性能進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。

分析氣動(dòng)噪聲時(shí)，采用直接聲學(xué)方法能夠較為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)近場(chǎng)噪聲，但需要在空間和時(shí)間上都采用非常精密的網(wǎng)格，為了確定噪聲頻譜分布規(guī)律，對(duì)計(jì)算時(shí)間與計(jì)算量都有較高的要求。該方法在模擬聲波對(duì)流場(chǎng)的反饋方面較混合聲學(xué)計(jì)算方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)聲波對(duì)流場(chǎng)反饋可以忽略不計(jì)的情況下或者不需要較高的計(jì)算精度時(shí)，采用混合計(jì)算方法效率更高。反之，采用直接計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)較高的精度。就錘片式秸稈加工機(jī)械而言，由于計(jì)算精度要求不是很高且不考慮聲波對(duì)流場(chǎng)的反饋，故更適合采用混合計(jì)算方法。

2.2.2 振動(dòng)噪聲分析方法研究現(xiàn)狀

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性，對(duì)模態(tài)進(jìn)行分析，獲得其模態(tài)數(shù)據(jù)，有利于機(jī)械振動(dòng)的減少，進(jìn)而減少其振動(dòng)噪聲。模態(tài)分析是在20世紀(jì)30年代在分析機(jī)械阻抗與導(dǎo)納開始發(fā)展的。最初的模態(tài)分析是在機(jī)械設(shè)備上施加正弦激勵(lì)使得機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，但是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，其識(shí)別精度受到很大的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)發(fā)展成為一套完整的分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)的技術(shù)。Kukil 等[22]通過建模與實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。Bao等[23]采用了采用錘擊法對(duì)純電動(dòng)汽車電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各個(gè)模態(tài)的固有頻率并綜合對(duì)比分析結(jié)果，用于指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)。Jin等[24]針對(duì)刮雪機(jī)變速箱產(chǎn)生過大噪音的問題，通過利用三維建模技術(shù)建立了變速箱的模型，并將其轉(zhuǎn)化為有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。通過分析各振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)，確定了齒輪箱箱體最容易產(chǎn)生振動(dòng)的位置。經(jīng)過多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為分析機(jī)械振動(dòng)噪聲的必要手段之一。

諧響應(yīng)分析用于確定結(jié)構(gòu)在已知頻率和幅值的簡(jiǎn)諧載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，為振動(dòng)噪聲計(jì)算提供聲學(xué)邊界條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，諧響應(yīng)分析逐漸衍生出多種方法，例如模態(tài)疊加法、完全法和縮減法。Guo 等[25]針對(duì)客車車身的振動(dòng)與噪聲研究中，采用了有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析方法，以避免車身板共振和車身板與車內(nèi)聲場(chǎng)耦合。王洪濤等[26]為了解制動(dòng)器尖叫噪聲影響因素和發(fā)生機(jī)理，通過模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析相結(jié)合方法對(duì)其進(jìn)行了研究。Il[27]為了研究肋板和材料變化對(duì)圓柱殼式變速箱降噪的影響，對(duì)不同材料的齒輪箱進(jìn)行了模態(tài)和強(qiáng)迫諧響應(yīng)分析。施佳輝等[28]對(duì)某電動(dòng)汽車盤式制動(dòng)器進(jìn)行了研究并采用了諧響應(yīng)分析的方法，得到不同阻尼比的制動(dòng)盤振幅隨頻率的分布情況。

為了適應(yīng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)、工況與不同激勵(lì)下的振動(dòng)噪聲計(jì)算與分析，克服傳統(tǒng)計(jì)算方法隨振動(dòng)結(jié)構(gòu)和激勵(lì)工況改變就需重新計(jì)算而使得計(jì)算量和時(shí)間非常巨大的弊端，聲傳遞向量（ATV）與模態(tài)聲傳遞向量（MATV）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使得快速進(jìn)行多工況載荷條件下的振動(dòng)噪聲計(jì)算與結(jié)構(gòu)聲振優(yōu)化分析成為可能。ATV 與MATV 認(rèn)為在小壓力干擾下，聲學(xué)方程是線性的，將結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)與場(chǎng)點(diǎn)聲壓建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而將結(jié)構(gòu)模態(tài)與場(chǎng)點(diǎn)聲壓建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。解建坤等[29]運(yùn)用聲傳遞向量技術(shù)和模態(tài)聲傳遞向量技術(shù)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)量進(jìn)行了分析并預(yù)測(cè)了場(chǎng)點(diǎn)聲壓影響較大的車身結(jié)構(gòu)。趙亮亮[30]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲大的問題，通過模態(tài)聲傳遞向量技術(shù)與邊界元法，計(jì)算得到其的輻射噪聲響應(yīng)。Liu 等[31]為了降低齒輪箱的輻射噪聲，基于模態(tài)聲傳遞向量法對(duì)單級(jí)齒輪箱的輻射噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。除此之外，鄒平等[32]、楊誠(chéng)等[33]和廖連瑩等[34]分別使用模態(tài)聲傳遞向量法和聲傳遞向量法對(duì)駕駛室、減速器殼體和電機(jī)進(jìn)行輻射噪聲的分析。

振動(dòng)噪聲的研究方法主要有模態(tài)分析方法、諧響應(yīng)方法以及ATV 與MATV 分析方法。模態(tài)分析方法適用于研究機(jī)械的固有頻率，為避免機(jī)械共振提供依據(jù)；諧響應(yīng)分析方法是為了計(jì)算特定載荷作用下機(jī)械振動(dòng)的頻率，為振動(dòng)噪聲計(jì)算提供邊界條件；而ATV與MATV 方法適用于在分析不同載荷情況下的振動(dòng)噪聲，相較于諧響應(yīng)分析，有計(jì)算量小、效率高的特點(diǎn)，故對(duì)于錘片式秸稈加工機(jī)械等振動(dòng)噪聲大且計(jì)算量大的機(jī)械有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.3 錘片式秸稈加工機(jī)械噪聲研究現(xiàn)狀

錘片式秸稈揉碎機(jī)由我國(guó)自行研制，經(jīng)檢索，國(guó)外類似機(jī)械的研究未見報(bào)道。國(guó)內(nèi)早期對(duì)揉碎機(jī)噪聲方面的研究主要是通過試驗(yàn)方法，具有代表性的研究工作主要有：李林等[5]通過試驗(yàn)方法對(duì)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的9R-40 型揉碎機(jī)的噪聲源及主要影響因素進(jìn)行了研究，研究得出：錘片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)空氣的擾動(dòng)引起的氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源；轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噪聲的產(chǎn)生有較大影響。王娟等[2]在此基礎(chǔ)上對(duì)該揉碎機(jī)的噪聲做了進(jìn)一步研究。試驗(yàn)研究表明：①空載和負(fù)載的主要噪聲源都是氣動(dòng)噪聲；②拋送風(fēng)扇（拋送葉輪）旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)聲是噪聲的主要來(lái)源，其次是錘片，而導(dǎo)流板對(duì)噪聲的影響不大，齒板具有吸聲作用。隨著計(jì)算流體力學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合噪聲分析方法的研究最新進(jìn)展，使得數(shù)值計(jì)算錘片式秸稈加工機(jī)械氣動(dòng)與振動(dòng)噪聲成為可能。翟之平等[35]采用流固耦合及聲比擬理論對(duì)葉片式秸稈拋送裝置內(nèi)部非定常流動(dòng)引起的外殼振動(dòng)輻射噪聲進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證。Lun 等[7]在針對(duì)秸稈揉碎機(jī)殼體的輻射噪聲研究中，采用計(jì)算流體力學(xué)-離散元耦合方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬；并對(duì)其殼體進(jìn)行諧響應(yīng)分析；采用有限元和聲學(xué)邊界元相結(jié)合的試驗(yàn)方法對(duì)其殼體振動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)：揉碎機(jī)殼體產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率的變化而變化；振動(dòng)噪聲在基頻處取得最大值，在諧頻處隨頻率增大而減??；入口處殼體的振動(dòng)噪聲最大，振動(dòng)輻射噪聲的主要噪聲源為旋轉(zhuǎn)的錘片式轉(zhuǎn)子的偶極子聲源。Zhang 等[6]為了準(zhǔn)確識(shí)別飼料粉碎機(jī)的噪聲源，采用基于傳感器陣列的多點(diǎn)同步測(cè)量方法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自譜分析和小波分析以及采用聲固耦合方法對(duì)氣動(dòng)噪聲和振動(dòng)噪聲的耦合噪聲進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)。研究表明：揉碎機(jī)噪聲的首要來(lái)源是氣動(dòng)噪聲；不平衡轉(zhuǎn)子激勵(lì)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，以及材料與機(jī)械結(jié)構(gòu)碰撞，在耦合噪聲分布中起著重要作用；錘片式轉(zhuǎn)子擾動(dòng)氣流產(chǎn)生的基頻周圍噪聲能量占總能量的58.32%，三倍頻周圍噪聲能量占9.15%，轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲能量占7.05%，二倍頻率周圍噪聲能量占4.34%。秸稈揉碎機(jī)內(nèi)流場(chǎng)方面，王娟等[36]首次對(duì)9R-40型揉碎機(jī)內(nèi)的定常氣流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到了其內(nèi)部流場(chǎng)特征。宋學(xué)鋒等[37]基于CFD-DEM方法對(duì)揉碎機(jī)排料裝置內(nèi)氣流與物料的耦合作用及物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬。石蘇川等[38]采用CFD 技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析其內(nèi)氣流流動(dòng)特性，以出料口平均氣流速度最大為目標(biāo)函數(shù)，采用多島遺傳算法對(duì)多功能飼草揉碎機(jī)內(nèi)氣流流動(dòng)特性進(jìn)行了優(yōu)化。飼草揉碎機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性方面的研究工作主要有：王偉等[39]基于有限元軟件對(duì)錘片等未磨損的揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了自由模態(tài)分析，結(jié)果表明臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振。Zhai 等[40]采用有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真及實(shí)測(cè)方法對(duì)9R-40 型飼草揉碎機(jī)拋送葉輪的自由模態(tài)及預(yù)應(yīng)力模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，基于響應(yīng)面優(yōu)化方法對(duì)影響葉輪振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。岳瑤[41]采用振動(dòng)試驗(yàn)、理論分析、模態(tài)試驗(yàn)及模態(tài)仿真相結(jié)合的方法，對(duì)揉碎機(jī)振動(dòng)特性及振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行探究，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)：主軸轉(zhuǎn)速對(duì)揉碎機(jī)振動(dòng)貢獻(xiàn)大；主軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在1 200～1 800 r/min不易發(fā)生共振。

錘片式粉碎機(jī)氣動(dòng)與振動(dòng)噪聲方面具有代表性的研究工作主要有：武佩等[4]通過對(duì)飼料粉碎機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，表明在空載和額定負(fù)載下的主要噪聲源都是空氣噪聲；空載時(shí)風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的噪聲是主要的，負(fù)載時(shí)錘片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲是主要的。許濤等[42]對(duì)錘片式粉碎機(jī)噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究。測(cè)試結(jié)果表明，空載噪聲比負(fù)載高；空載時(shí)氣動(dòng)噪聲為主要噪聲；負(fù)載時(shí)主要是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的固體噪聲，即錘擊物料和物料與篩子等機(jī)件產(chǎn)生的撞擊摩擦聲以及由主軸引起的機(jī)體振動(dòng)噪聲等。張文杰等[43]采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式對(duì)某錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行整機(jī)聲學(xué)性能評(píng)估和主要噪聲源識(shí)別，研究發(fā)現(xiàn)：粉碎機(jī)的主要噪聲源為箱體，其次為汽油機(jī)、帶輪罩以及齒輪罩。錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性方面，杜小強(qiáng)等[44]和王曉博等[45]利用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元法對(duì)錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。錘片等磨損后對(duì)振動(dòng)及噪聲影響方面具有代表性的研究工作主要有：杜小強(qiáng)等[46]采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)錘片磨損夠轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。研究表明：錘片磨損后，轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率組成變化不大，振動(dòng)幅值和強(qiáng)度變化較大。羅馬尼亞學(xué)者Fenchea[47]、意大利學(xué)者Eugenio等[48]以及學(xué)者Alexander等[49]除研究錘片不均勻磨損對(duì)噪聲的影響外，還探究了錘銷及銷孔的不均勻磨損對(duì)其振動(dòng)及噪聲的影響。

錘片式秸稈加工機(jī)械結(jié)構(gòu)聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，王金博[50]采用響應(yīng)面優(yōu)化方法對(duì)揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，得到了可以避開共振的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。曹麗英等[51]通過試驗(yàn)方法分析了錘片式粉碎機(jī)不同零部件與不同轉(zhuǎn)速情況下的噪聲，得到了對(duì)噪聲影響最大的因素，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。Lun 等[7]在對(duì)飼草揉碎機(jī)的外殼振動(dòng)輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，基于多目標(biāo)遺傳算法對(duì)其進(jìn)行了多目標(biāo)的優(yōu)化，使得其輻射符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。Zhang 等[6]采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)飼草揉碎機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)最佳匹配。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錘片式秸稈加工機(jī)械噪聲的研究回顧可知：

① 錘片式秸稈加工機(jī)械工作時(shí)同時(shí)存在氣動(dòng)噪聲與振動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲主要由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生的離散噪聲以及流場(chǎng)中的渦流和邊界層的吸附與分離產(chǎn)生的寬頻噪聲組成。振動(dòng)噪聲主要由不平衡轉(zhuǎn)子經(jīng)內(nèi)流場(chǎng)傳遞到外殼或經(jīng)軸承傳遞到機(jī)架產(chǎn)生的離散噪聲，以及機(jī)器內(nèi)部秸稈物料與錘片、物料與機(jī)殼、物料與物料間的碰撞產(chǎn)生的隨機(jī)寬頻噪聲組成。

② 氣動(dòng)噪聲研究方法主要包括直接聲學(xué)計(jì)算法和混合聲學(xué)計(jì)算法，錘片式秸稈加工機(jī)械氣動(dòng)噪聲研究主要采用試驗(yàn)研究與混合聲學(xué)計(jì)算法相結(jié)合。振動(dòng)噪聲主要通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析以及聲傳遞向量（ATV）與模態(tài)聲傳遞向量（MATV）技術(shù)來(lái)研究。

③ 結(jié)構(gòu)聲優(yōu)化設(shè)計(jì)主要采用試驗(yàn)研究與響應(yīng)面優(yōu)化方法、多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合對(duì)錘片式秸稈加工機(jī)械的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行最佳匹配。

3.2 展望

經(jīng)過眾多學(xué)者的多年努力，錘片式秸稈加工機(jī)械氣動(dòng)噪聲與振動(dòng)噪聲的研究有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但由于氣動(dòng)與振動(dòng)噪聲往往同時(shí)存在且相互耦合，為了提高噪聲預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度并提高計(jì)算效率，建立統(tǒng)一的氣動(dòng)與振動(dòng)耦合聲學(xué)模型、考慮秸稈物料破碎過程以及錘片磨損對(duì)噪聲的影響等問題值得科研工作者進(jìn)一步深入探索研究。

① 在分析氣動(dòng)噪聲和振動(dòng)噪聲理論關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上，研究統(tǒng)一的氣動(dòng)噪聲與振動(dòng)噪聲耦合聲學(xué)模型構(gòu)建問題；探索適合錘片式秸稈加工機(jī)械氣動(dòng)和振動(dòng)噪聲輻射和散射的統(tǒng)一積分方程數(shù)值求解算法。

② 采用計(jì)算流體力學(xué)CFD、離散元DEM 與顆粒黏結(jié)模型BPM 耦合方法對(duì)秸稈破碎過程中機(jī)器內(nèi)部氣流-物料-機(jī)械結(jié)構(gòu)多重耦合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以獲聲源信息，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)秸稈物料破碎過程對(duì)耦合噪聲的影響。

③ 錘片等不均勻磨損后錘片式轉(zhuǎn)子與機(jī)體振動(dòng)會(huì)作用到機(jī)器內(nèi)部多重耦合流場(chǎng)，影響到氣動(dòng)噪聲；反之，多重耦合非定常流場(chǎng)會(huì)對(duì)錘片式轉(zhuǎn)子與外殼激振產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲，故需探索全生命周期內(nèi)錘片不均勻磨損對(duì)耦合噪聲的影響。