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工程机械特别是动力机械中，常常应用各种管道来传递各种气体，最典型的例子是发动机的排气管。对于这些管道，它往往承受很高的温度以及一定的压力，所以它往往会产生较高的机械振动。一个最直接的后果就是这些管道将会产生疲劳失效。除此以外，对于这些工程机械，随着电机驱动的普及，内燃机的低频噪声逐步减低，高频噪声更容易被听见。此时，这些管道的振动所产生的噪音也往往将会主导整体机械的噪声传播。所以，管道振动的诊断与减振对于工程机械可靠性的提升往往站到了一个很重要的地位。在这篇文章中，我们将分析管道高振动的成因以及最传统的工程解决方案。 01 — 管道振动的成因 首先，先来看一个典型的管道振动例子。下图显示了一个空气压缩机的内部结构，压缩的气体从左侧的压缩机的核心压气元件经过一根管道引导入右侧的油水分离容器。在下图中，红色阴影部分所描述的管道就是可能产生较高振动的管道。
在上图所示的的振动测试点，我们获得的振动瀑布图如下图所示：
从这张图中，我们可以看到信号中有很多阶次成分。这些阶次表明，随着机器转速的增加，管道的振动总是随频率成比例增加的。在物理意义上而言，其实它代表着对于管道系统的激励。对于空气压缩机而言，在每一次压气的时候，压缩机的压力会出现一个突变(impulse)，这个压力的突变被称为压力脉动(pressure pulsation)。这个压力脉动不仅存在于空压机，对于汽车发动机，它源于每一次点火爆炸之后的压力变化。对于电机而言，压力脉动并不存在，但是力的突变确实存在，它可以源自于转子经过定子时产生的电磁力的突然变化。这个压力脉动或者力的突变会造成作用于管道外壁的力显著增加，所以它所造成的管道振动也会较高。这种类型的激励是周期性的，随着不同的结构参数，它所产生的主要激励阶次也是完全不同的（比如：压缩机叶片的凸轮数量在压气元件转动一圈时，所产生的压气次数也是不同的）。所以，我们可以看到在特定的阶次，管道振动的振幅明显较大。 除了压力脉动或者力的突变，还有另一种不太常见的激励是源于流体的空气动力学激励。对于一般的工程机械管道，为了减小压降(pressure drop)，一般在管道中不会存在相应的阻碍，所以，由于空气动力学产生激励的可能性较小。一个更为普遍的可能性是在管道系统中存在交汇或是分离。一般而言，这些流体的聚合和分离也会产生一定的空气动力学的力。有研究表明，对于这些力，它主要激励相对低频的振动（<20 Hz），所以它相对来说比较不重要，具体原因会在讨论管道共振模态（resonance）后再进一步说明。 我们回到振动瀑布图，我们看到在特定的频率（例如，270 Hz），无论在哪个转速下，管道的振动相较于其附近的频率都普遍偏高。这就是由于管道的共振模态所造成的(蓝色的竖直虚线)。下面，我们就用一个具体的例子来说明为何管道的共振会造成更高的振动。首先，我们使用一个简化过的管道例子（如下图所示）。
对于这个普通的U型管，我们可以看到，它的结构共振频率在270 Hz，400 Hz和497 Hz。经典的振动理论告诉我们，任何结构在共振时，其动态的位移会比相同力作用下的静态位移要大得多。所以，当管道的激励和管道的共振频率耦合时，我们会看到更高的位移（我们可以看振动瀑布图上在5500 rpm，270Hz时的振动）。当我们有更大的静态位移时，在其固定处的形变也会较大，所以它所受到的疲劳应力也会较高，特别是对于第一阶的弯曲模态。值得指出的是，当仅仅产生较高的振动激励或者在管道结构振动模态时，我们并没有看到很高的振动，仅仅当两者耦合时，才有较大可能产生较高的位移。 除了结构的共振，事实上，在管道中的气体还有可能存在声学谐振模态。对于这个U型管内的空气，其声学谐振模态如下图所示：
我们可以看到，在某些特定的频率，管道内的压力会聚集在管道的某些位置，这些压力波也会造成结构更大的受力。当我们在这些位置测试时，可以看到更高的管道振动，这就是由于管道的声学谐振模态所造成的高振动。值得注意的是，只有当激励的阶次和声学谐振频率耦合的时候，我们才会观察到值得关注的振动幅值。 最后，我们回到刚才所讨论的空气动力学激励。我们说过，这些空气动力学的激励往往在于很低频。考虑到工程机械内部使用的管道材料，结构和长度，它的共振频率往往远高于20Hz，所以，这些激励对于管道振动的贡献相对较小。 02 — 诊断方式 刚才我们已经提到，管道的高振动往往是谐振模态与管道激励的耦合所造成的。对于结构振动而言，我们改变管道的材料特性或者将这段长管分割为两段短管，并用编织软管(braided flexible pipe，如上图的空压机的例子所示)。这都可以有效地降低振动。具体的解决方法以及这些方法可能会产生的问题将在下一章节讨论。但是，这些举措对于声学谐振模态都是无效的。因为声学谐振模态是由于管道内空气的模态所造成的，要改变其特性，我们只能改变管道的几何形状，这样才能避免声学模态与激励频率的耦合。那么，下一个问题就是我们将如何辨别管道的高振动是由声学谐振模态还是由结构模态造成的呢？幸运的是，对于空气而言，它的物理性质与温度息息相关。也就是说，在不同温度，声学谐振模态的频率将会发生偏移，而对于结构模态，它的模态频率是与管道温度完全无关的。通过这个特性，我们就可以分辨出高振动是由于声学模态还是结构模态造成的。下面，我们使用一个例子再进一步说明。下面两张图表明了在两个不同的管道上测试的振动信号。对于每根管道，我们都在两个不同的温度进行测试。为了更清晰地表达共振特性，我们仅仅绘制了沿着主导激励阶次的振动信号。
从上图我们可以看到，更改温度对于180 Hz的共振频率并没有任何的改变。这就说明了这个高振动很有可能是由结构振动所造成的。
而对于第二根管子，我们可以看到，随着温度的上升，共振频率从365 Hz上升到382 Hz。从基本的声学理论我们可以得知，对于低阶共振频率，它与声速成正比。在20度时，声音在空气中的速度为340 m/s；当温度升高到35度时，声速增加为351 m/s。所以它的比值为1.03。在这两个不同温度时，其共振频率比为1.04。所以，这个管道高振动有很大可能是由于声学谐振模态造成的。 03 — 解决方案及其问题 对于管道的高振动，一个最为普遍的解决方案是将一个长硬管变成两根相对较短的硬管，在这两根短管之间，使用软管连接（就像第一张图中的结构所示）。值得注意的是，当管道中的气体温度过高时，由于橡胶会存在加速老化问题，我们将不能使用橡胶软管。取而代之的是，我们可以使用金属软管。
理论上而言，这样的金属软管的刚度将远远小于两端的硬管的刚度，所以，它将会有效地对这根长管进行解耦。对此，我们也进行了一系列的仿真，结果如下图所示：
在上图中，弹簧元件所代表的就是金属软管。我们可以看到，这个金属软管有效地隔离了两端的硬管的振动。由于管道的长度大大减小，所以它的刚度会大大地增强。与此带来的有两个结果：（1）管道的结构共振频率大大增加；（2）在相同的动态力的情况下，它的位移将会大大地减小。我们重新回到第二张振动的瀑布图，可以看到对于管道的主导激励阶次是介于100 Hz与300 Hz之间的。当管道的共振频率远离这个激励频率范围时，这些结构振动将会很难被激励，所以能有效地降低振动。对于某些情况下，由于振动的频率激励范围过大，所以我们很难完全将共振频率远离振动激励频率。在这种情况下，增加硬管的刚度将有益于降低管道的振动，然后，在固定处的最大的形变和由此产生的动态应力也将有效地减低。这些都有益于管道的疲劳寿命的增强。 虽然这个典型的解决方案通常极为有效，但是有时，它还是无法完全降低振动幅值，可能的原因列在下表中：
一般而言，使用软管连接并不会改变管道内的体积。由于声学谐振模态是由于管道内的空气体积所决定的。所以，当管道内的体积不变的情况下，它的共振频率并不会改变。所以改变管道结构特性并不会改变振动特性。对于声学谐振模态，我们可以增加管道的壁厚（wall thickness），这将有效地降低能量的传递，进而降低管道的振幅。
理论上而言，金属软管的刚度相比于一般的硬管而言，是可以忽略不计的。但是对于某些高压管道，气体的压力将会增加金属软管的刚度，在这种情况下，它将无法解耦两端的硬管。在振动测试中，这种情况的显著的特点是，在两端硬管测得的共振频率会完全一致。在这种情况下，它极有可能是由于金属软管的刚度过高。在这种情况下，一种很简单的解决方式就是增加金属软管的长度，这会有效地降低软管的刚度。
当我们使用金属软管时，在中高频的噪音传播将会显著增加。对于这个噪音传播，我们可以使用吸音套（acoustic jacket）来减低噪音。在以后的文章中，我们会详细介绍如何设计吸音套。 作者简介  |
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