三葉羅茨鼓風(fēng)機噪聲源測試分析

張 哲 趙永瑞 楊繼峰

（中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院)

0 前言

羅茨鼓風(fēng)機是一種典型的氣體增壓與輸送機械，廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、石油化工等行業(yè)。與往復(fù)式和離心式風(fēng)機比較，其具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力改變時風(fēng)量變化小、流量受阻力影響小、供風(fēng)穩(wěn)定等優(yōu)點，但其在工程應(yīng)用中存在絕熱效率較低、噪聲較大等缺點。

風(fēng)機正常運行時，車間噪聲一般在70 dB以上，長期處于這樣的環(huán)境下作業(yè)人員的健康水平會受到影響，嚴(yán)重的還會引發(fā)噪聲性職業(yè)病。因此，有必要對風(fēng)機進行噪聲信號測試分析，識別其主要噪聲源及其特征，以便于下一步進行降噪處理。

1 羅茨鼓風(fēng)機噪聲測試

1.1 噪聲測試儀器和噪聲測點布置

TES-1350噪音計、TES-1370噪音計、AWA6221B型聲校準(zhǔn)器、INV3018盒式采集儀。

根據(jù)GB/T 2888—2008《風(fēng)機和羅茨鼓風(fēng)機噪聲測量方法》確定測點布置，如圖1所示。各個測點距離地面高度均為1 m，其中M1、M2、M3三點由于距離電動機一側(cè)，受電動機噪聲影響很大，故其測量值作為參考，不列入分析計算中[1]。

1.2 測試對象及其參數(shù)

測試風(fēng)機為3HD-125型三葉羅茨鼓風(fēng)機，其有關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 羅茨鼓風(fēng)機噪聲測點位置

表1 3HD-125型三葉羅茨鼓風(fēng)機額定參數(shù)及測量值

2 測試結(jié)果及分析

2.1 羅茨鼓風(fēng)機噪聲源分析

噪聲源是指一切向周圍輻射噪聲的振動物體及其產(chǎn)生的噪聲。噪聲包括固體的機械噪聲、流體的動力性噪聲以及電磁噪聲等。羅茨鼓風(fēng)機含有多種噪聲源，其噪聲主要包括下述幾種。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)噪聲

旋轉(zhuǎn)噪聲是指由于風(fēng)機葉輪 （轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)引起的周期性壓力脈動所產(chǎn)生的噪聲。因為風(fēng)機旋轉(zhuǎn)過程中，進氣腔和排氣腔的體積是周期性變化的，使得氣體流動不均勻，同時風(fēng)機葉輪依次掃過進氣口和排氣口，也周期性擾動了氣體，從而對周圍介質(zhì)施加了脈動壓力，產(chǎn)生氣動噪聲。

風(fēng)機的噪聲具有確定的頻率，其旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為：

式中n——風(fēng)機工作輪轉(zhuǎn)速，r/min；

z——葉片數(shù)；

i——諧波序號 （1，2，3，……）。

當(dāng)i=1時，fi旋為基頻；當(dāng) i=2，3，4，……時，fi旋為高次諧頻。

2.1.2 渦流噪聲

渦流噪聲又稱紊流噪聲或漩渦噪聲。由于高速氣流通過葉片，產(chǎn)生紊流附面層或漩渦分裂脫離，引起壓力脈動從而產(chǎn)生渦流噪聲。

根據(jù)經(jīng)驗公式，渦流噪聲的頻率為：

式中Sr——斯特羅哈系數(shù)，Sr=0.14～0.20，一般取0.185；

v——氣體相對于葉片的速度；

L——物體正表面投影寬度（垂直速度的平面）；

i——諧波序號 （1，2，3，……）。

由式 （2）可知，渦流噪聲頻率與氣體相對于葉片的速度v成正比。v與工作輪上各點的圓周速度u有關(guān)。工作輪上各點的圓周速度u是隨各點到軸心的距離而連續(xù)變化的。所以風(fēng)機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流噪聲是中、高頻的，且是寬頻帶的連續(xù)譜[2]。

2.1.3 機械噪聲

機械噪聲主要是由機殼的振動引起的。其振動原因主要有兩個：a）葉輪轉(zhuǎn)動中的不平衡，周期性的激勵從傳動構(gòu)件轉(zhuǎn)移到機殼；b）殼內(nèi)渦流的壓力脈動也對殼體產(chǎn)生周期激勵，風(fēng)機風(fēng)壓越高，激勵影響就越大。除此之外，機械噪聲還有齒輪嚙合誤差、軸承制造精度誤差、基礎(chǔ)或管路固定不牢和電動機轉(zhuǎn)動等產(chǎn)生的振動噪聲。

2.1.4 電磁噪聲

驅(qū)動風(fēng)機所用的電動機通常為三相異步電動機。在電動機中，電磁噪聲是由交變磁場對定子和轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生周期性交變力引起的振動產(chǎn)生的，電磁噪聲頻率與電源頻率有關(guān)。

2.2 噪聲測試結(jié)果分析

由于羅茨鼓風(fēng)機噪聲在較寬的頻帶范圍內(nèi)其聲壓級都較高，根據(jù)奈奎斯特采樣理論，采樣頻率至少為分析頻率的兩倍，因此，設(shè)置采樣頻率為20000 Hz。采集的噪聲信號時域波形如圖2所示。圖2所示的噪聲信號是由不同頻率和強度的聲波組合而成的，從時域波形上看不到明顯的信息，這就需要采用其他方法對信號進行分析。

圖2 噪聲信號時域波形

2.2.1 自功率譜密度分析

功率譜密度能夠反映噪聲能量按頻率的分布情況，因而通過功率譜密度分析，可以幫助人們判斷機械噪聲源和尋找產(chǎn)生噪聲的原因。

對采集到的噪聲信號進行自譜分析，如圖3所示。分析參數(shù)設(shè)置為：海明窗函數(shù)、全程傅里葉變換結(jié)果線性平均。由式 （1）計算旋轉(zhuǎn)噪聲的諧波頻率可得，f5=501.75、f9=903.15、f10=1003.5、f14=1404.9、f15=1505.2，這與表2所示的自功率譜密度峰值頻率基本相同。

圖3 自功率譜密度分析

表2 峰值數(shù)據(jù)表

分析的結(jié)論如下：（1）羅茨鼓風(fēng)機的噪聲是一個穩(wěn)態(tài)噪聲，頻帶范圍較寬，以低中頻為主，且中頻較寬；（2）風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)噪聲為主要噪聲源，以中低頻段為主；（3）在較寬的頻段上都呈現(xiàn)幅值較高的特性，在500～1700 Hz范圍噪聲具有明顯的連續(xù)出現(xiàn)的峰值，這是治理和控制噪聲首先要考慮的頻段。

2.2.2 互相關(guān)分析

互相關(guān)分析可反映兩個隨機信號之間的相關(guān)關(guān)系。通過對噪聲信號和振動信號進行互相關(guān)分析，可以明確噪聲信號在多大程度上來源于振動信號。

對采集的噪聲信號與三個方向的機殼振動信號做互相關(guān)分析，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 噪聲信號與垂直方向振動互相關(guān)分析

圖5 噪聲信號與水平方向振動互相關(guān)分析

圖6 噪聲信號與徑向振動互相關(guān)分析

由圖4、圖5、圖6可以看出，噪聲與垂直方向振動相關(guān)性系數(shù)最大，與徑向振動相關(guān)性系數(shù)次之，與水平方向振動相關(guān)性系數(shù)最小。三個方向的振動與噪聲的相關(guān)性系數(shù)|Co|≤0.3，這說明機殼振動與噪聲信號微小相關(guān)，即主要噪聲源并不是由機殼振動引起的機械噪聲。

3 結(jié)論

對風(fēng)機噪聲信號的頻譜分析和互相關(guān)分析結(jié)果表明：正常工況下，羅茨鼓風(fēng)機的主要噪聲源為旋轉(zhuǎn)噪聲，以中低頻段為主，且在500～1700 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)峰值。現(xiàn)場應(yīng)用時，可以依此數(shù)據(jù)設(shè)計和選用合適阻性和抗性參數(shù)的消聲器。

[1] GB/T 2888—2008.風(fēng)機和羅茨鼓風(fēng)機噪聲測量方法[S].

[2] 蔡葉彬，陳再良，方子嚴(yán).羅茨鼓風(fēng)機噪聲產(chǎn)生機理及降噪措施 [J].化工裝備技術(shù)，2000,21(3)：40-41.

[3] Sandra Velarde-Suárez,Rafael Ballesteros-Tajadura,Juan Pablo Hurtado-Cruz，et al.Experimental determination of the tonal noise sources in a centrifugal fan[J].Journal of Sound and Vibration,2006,295：781-796.

[4] Lecleere Q,Peezerat C.Application of multi-channel spectralanalysisto identify the source ofa noise amplitude modulation in a diesel engine operating at idle[J].Applied Acoustics,2005,66：779-798.