礦用對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲識(shí)別技術(shù)研究?

何元新 羅松 李俊 景和平

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院）

礦用對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲識(shí)別技術(shù)研究?

何元新 羅松 李俊 景和平

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院）

針對(duì)目前礦用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)噪聲較高問題，對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行了測(cè)試，利用頻譜分析技術(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果表明：對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲構(gòu)成，噪聲尖峰主要表現(xiàn)為I、II級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲、干擾噪聲及其高次諧波噪聲。渦流噪聲隨著載荷的增加而增大，低頻噪聲隨載荷增加變化不明顯，高頻噪聲隨載荷增加而增大。

氣動(dòng)噪聲；噪聲識(shí)別；頻譜分析；對(duì)旋風(fēng)機(jī)

0 引言

煤礦井下主要采用對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，由于風(fēng)機(jī)在煤礦巷道中運(yùn)行，處于相對(duì)密閉的空間，噪聲很難發(fā)散，對(duì)煤礦職工的影響很大[1-2]，因此降低礦用對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲，首先應(yīng)進(jìn)行對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲識(shí)別技術(shù)研究。

工程上傳統(tǒng)的噪聲識(shí)別方法有主觀評(píng)價(jià)法，分別運(yùn)行法，覆蓋法，近場(chǎng)聲壓法，表面振速法等[3]。近年發(fā)展了時(shí)域分析法如時(shí)域平均、相關(guān)分析等，頻域分析法如頻譜分析、相干分析和倒頻譜分析等，還有時(shí)頻分析與小波分析，聲強(qiáng)測(cè)量法，聲全息技術(shù)等等。傳統(tǒng)方法只能粗略判斷噪聲，精度不高。頻譜分析和相干分析等方法具有比較精確；聲強(qiáng)測(cè)量，聲全息技術(shù)等也能準(zhǔn)確的辨識(shí)噪聲源，但儀器價(jià)格比較昂貴。近年還發(fā)展了傳聲器陣列測(cè)量技術(shù)，盲信號(hào)源分離技術(shù)，聲無限元技術(shù)等，這些方法各有其優(yōu)勢(shì)，但理論和算法都還有待于進(jìn)一步的完善和提高[4-6]。

礦用對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)由于風(fēng)量大、壓力高，性能曲線陡峭，比較適合長(zhǎng)距離供風(fēng)的使用要求，因此在煤礦井下得到了大量的應(yīng)用[7]。對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲較大，根據(jù)在不同煤礦的實(shí)地調(diào)查，噪聲大多超過100dB(A)，給煤礦工人的身心健康帶來了一定的影響，并給煤礦安全生產(chǎn)帶來一定的隱患[8-9]。

風(fēng)機(jī)的噪聲包括氣動(dòng)噪聲，電磁噪聲和機(jī)械噪聲，其中氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源。如果風(fēng)機(jī)出口空氣直接排入大氣，還有排氣噪聲[10-11]，對(duì)于井下使用的局部通風(fēng)機(jī)，絕大部分都接有風(fēng)筒，可不考慮排氣噪聲。

1 對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試

為了模擬井下對(duì)旋風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用情況，噪聲測(cè)試參考了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[12-13]，采用自由進(jìn)口和管道出口的B型試驗(yàn)，用加載來模擬井下的送風(fēng)阻力，噪聲測(cè)試儀器采用英國prosig公司的噪聲與振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，噪聲測(cè)試原理如圖1所示：

圖1 噪聲測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.1Schematic diagram of noise testing system

風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試在國家煤礦防塵通風(fēng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 噪聲測(cè)試試驗(yàn)裝置圖Fig.2The equipment of noise testing system

對(duì)旋風(fēng)機(jī)出口端與B型標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道的進(jìn)口端連接，盡量使兩者中心線重合并密封好連接處。調(diào)節(jié)加載裝置，使其錐形堵頭的軸線跟風(fēng)道的軸線盡量保持重合，并使堵頭遠(yuǎn)離風(fēng)道出口。噪聲傳感器布置在進(jìn)口端軸線上，距離進(jìn)口1m處（圖2中不可見），在葉輪段機(jī)殼處，也布置了一個(gè)噪聲傳感器。

噪聲試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)加載裝置，使錐形堵頭接近風(fēng)道出口，增加風(fēng)機(jī)阻力，模擬井下由于風(fēng)筒延長(zhǎng)產(chǎn)生的阻力，從而得到風(fēng)機(jī)不同工況點(diǎn)的噪聲參數(shù)。

測(cè)試時(shí)背景噪聲與風(fēng)機(jī)噪聲相差20dB(A)以上，因此不考慮背景噪聲對(duì)測(cè)試噪聲的影響。

3 對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲識(shí)別分析

噪聲是由不同頻率的聲波復(fù)合而成，有不同的評(píng)價(jià)量，A聲級(jí)由于與人耳的感覺相似而得到廣泛的應(yīng)用[14]，2016年版的《煤礦安全規(guī)程》第657條規(guī)定：“作業(yè)人員每天連續(xù)接觸噪聲時(shí)間達(dá)到或者超過8h的，噪聲聲級(jí)限值為85dB(A)”。不同頻率的噪聲對(duì)人的影響是不一樣的，一般來說，高頻噪聲對(duì)人影響較大，因此，應(yīng)盡量降低噪聲中的高頻成分，如有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]就對(duì)隔聲設(shè)計(jì)的倍頻帶允許聲壓級(jí)做出了規(guī)定。如下表1所示：

表1 倍頻帶允許聲壓級(jí)Tab.1Octave band sound pressure level allowed

風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲[1]。其中，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為：

式中,f1為動(dòng)葉與氣流作用的噪聲頻率Hz；f2為動(dòng)葉與導(dǎo)葉相互干擾的噪聲頻率，Hz；Z為葉片數(shù)；Z1為動(dòng)葉片數(shù)；Z2為導(dǎo)葉片數(shù)；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；i為噪聲的基頻諧波序號(hào)（i=1,2,3…）。渦流噪聲的頻率為：

式中，f為渦流噪聲頻率；Sr為為斯特勞哈爾數(shù)，Sr=0.14～0.22；W為氣體與葉片相對(duì)速度；i為1,2,3,……諧波序號(hào)；L為物體正表面寬度在垂直于速度平面上的投影。

由式（3）可知，影響風(fēng)機(jī)渦流噪聲頻率的主要因素是氣流與葉片的相對(duì)速度W。W又與葉輪的圓周速度有關(guān)。圓周速度隨著葉片各點(diǎn)到葉輪軸心距離的變化而變化，所以W是連續(xù)變化的，因此，通風(fēng)機(jī)的渦流噪聲是一種寬頻帶的連續(xù)譜。

氣流流經(jīng)葉片及葉尖間隙時(shí)，產(chǎn)生的紊流附面層及旋渦與旋渦脫落，很難進(jìn)行精細(xì)測(cè)量和分析，噪聲測(cè)試只能測(cè)試綜合的壓力脈動(dòng)結(jié)果，很難精細(xì)區(qū)分出旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲的細(xì)節(jié)，下面主要從頻譜分析的角度對(duì)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行分析和識(shí)別。

試驗(yàn)風(fēng)機(jī)未加前消音器并按圖2所示裝置進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)第一個(gè)工況點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其1倍頻各頻帶噪聲如圖3所示，噪聲較高的頻率范圍是500～4 000Hz，其聲壓級(jí)超過了表1的倍頻帶允許值。

圖3 進(jìn)口噪聲1倍頻分析Fig.31 octave analysis of inlet noise

對(duì)噪聲進(jìn)行1/3倍頻分析，如圖4所示，可以得到更多中心頻率的噪聲分布情況，在630Hz及1 250Hz為中心頻率的噪聲值具有高點(diǎn)，中心頻率為1 000～6 300Hz范圍的噪聲水平高于中心頻率400Hz以下的低頻噪聲段的噪聲值。

圖4 進(jìn)口噪聲1/3倍頻分析Fig.41/3 octave analysis of inlet noise

對(duì)噪聲進(jìn)行自譜密度分析，如圖5所示，可以看出頻譜圖上有很多離散的峰值，峰值越大。

試驗(yàn)風(fēng)機(jī)理論轉(zhuǎn)速2 950r/min，I級(jí)葉輪12個(gè)葉片，II級(jí)葉輪10個(gè)葉片，II級(jí)葉輪可看作公式（2）中的導(dǎo)葉，則I級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率590Hz，II級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率491.7Hz，兩級(jí)葉輪的干擾噪聲頻率為108 1.7Hz，由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速有差異，因此實(shí)際噪聲頻率與上述理論值有點(diǎn)偏差。

圖5中1,2兩個(gè)尖峰，頻率分別接近50Hz和150Hz，因此很明顯這兩個(gè)噪聲尖峰是電機(jī)的電磁噪聲引起的。尖峰3的頻率（496.76Hz）與II級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率（491.7Hz）非常接近，因此應(yīng)為II級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲，尖峰4的頻率（592.29Hz）與I級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率（590Hz）非常接近，應(yīng)為I級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲，尖峰5的頻率（109 5.42Hz）與兩級(jí)葉輪干擾頻率（1 081Hz）非常接近，應(yīng)為兩級(jí)干擾頻率。尖峰6的頻率（119 0.96Hz）與I級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲的2次諧波頻率（1 180Hz）非常接近，應(yīng)為I級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲2次諧波頻率。同理可知，尖峰11，13，16，18是II級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲的高次諧波噪聲，尖峰8，9，12，14，17是I級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲的高次諧波噪聲，尖峰10，15是兩級(jí)干擾噪聲的高次諧波噪聲。對(duì)比圖4，在630Hz及1250Hz為中心頻率的噪聲值具有高點(diǎn)，主要是這兩個(gè)頻段分別包含了尖峰4和尖峰6的噪聲在里面的緣故。

圖5 進(jìn)口噪聲頻譜Fig.5Spectrum of inlet noise

試驗(yàn)風(fēng)機(jī)前消聲器采用網(wǎng)孔板內(nèi)封消聲棉的外包覆式消聲形式，對(duì)加上前消聲器后第一個(gè)工況點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1倍頻分析，如圖6所示。

圖6 加前消聲器后進(jìn)口噪聲1倍頻分析Fig.61 octave analysis of inlet noise with the front muffler

對(duì)比圖6和圖3，可以看出，各中心頻率的噪聲都有下降，500Hz以上噪聲下降幅度較大，表明前消音器對(duì)500Hz以上的中高頻噪聲的吸收能力較強(qiáng)，對(duì)低頻噪聲吸收能力相對(duì)較弱。

對(duì)噪聲進(jìn)行1/3倍頻分析，如圖7所示，與圖4進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，中心頻率315Hz以上的噪聲通過前消聲器后衰減較多，中心頻率200Hz以下的噪聲衰減較少，中心頻率250Hz的噪聲反而有所增加，具體原因有待進(jìn)一步研究。

圖7 加前消聲器后進(jìn)口噪聲1/3倍頻分析Fig.71/3 octave analysis of inlet noise with the front muffler

從圖8可以看出，經(jīng)過前消聲器的消聲，進(jìn)口噪聲大大降低，特別是高頻部分的尖峰降低較多，I級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲（尖峰1）和兩級(jí)葉輪干擾噪聲（尖峰2）以及他們的高次諧波（尖峰3、4）還是顯示為尖峰狀態(tài)，表明這幾種頻率的噪聲能量相對(duì)較強(qiáng)，經(jīng)消聲器吸收后仍有較大的尖峰。觀察其他噪聲尖峰，可以發(fā)現(xiàn)加前消聲器后這些峰值降低了，但頻率并沒有改變。

圖8 加前消聲器后進(jìn)口噪聲頻譜Fig.8Spectrum of inlet noise with the front muffler

取進(jìn)口噪聲各個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其特性與第一個(gè)工況點(diǎn)基本一致。各工況點(diǎn)噪聲A聲級(jí)數(shù)據(jù)，有無前消聲器的結(jié)果如圖9和圖10所示，經(jīng)過前消聲器的衰減，噪聲降低超過10dB(A)。

從圖9和圖10可以看出，無消聲器時(shí)，噪聲隨著載荷的增大而增大，說明隨著載荷的增加，風(fēng)機(jī)流場(chǎng)逐步惡化，渦流噪聲逐步增強(qiáng)。當(dāng)有前消聲器時(shí)，噪聲隨載荷增大而減小，減小到一定程度后，噪聲值發(fā)生小幅波動(dòng)，然后隨載荷增加噪聲增大。

圖9 無前消聲器時(shí)進(jìn)口噪聲A聲級(jí)Fig.9A sound level of inlet noise

圖10 有前消聲器時(shí)進(jìn)口噪聲A聲級(jí)Fig.10A sound level of inlet noise with the front muffler

結(jié)合各個(gè)工況點(diǎn)1/3倍頻各中心頻率噪聲聲壓級(jí)的變化，可知隨著載荷的增加，低頻噪聲變化不大，高頻噪聲逐步增加，從而引起A聲級(jí)隨載荷增加而增加，風(fēng)機(jī)加上前消聲器后，由于消聲器對(duì)高頻噪聲吸收能力較強(qiáng)，總的效果表現(xiàn)為隨載荷增加，A聲級(jí)反而減小，最后載荷很大時(shí)，流場(chǎng)惡化嚴(yán)重，各頻段噪聲聲壓級(jí)增大很多，A聲級(jí)隨之增大。

4 結(jié)語

1）對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲構(gòu)成，還包括其他成分如電機(jī)的電磁噪聲，機(jī)械振動(dòng)噪聲等。

2）對(duì)旋風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲，噪聲尖峰主要表現(xiàn)為I、II級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲和其干擾噪聲及他們的高次諧波噪聲，渦流噪聲隨著載荷的增加而增大，低頻噪聲隨載荷增加變化較小，高頻噪聲隨載荷增加而增大。

3）對(duì)于噪聲尖峰，加消聲器只能降低峰值，不能改變其頻率，同一型號(hào)風(fēng)機(jī)噪聲頻譜圖中的峰值頻率是一定的，跟是否加前消聲器和工況點(diǎn)無關(guān)，風(fēng)機(jī)外包覆式阻性消聲器對(duì)低頻噪聲吸收能力相對(duì)較弱，對(duì)中高頻噪聲吸收能力較強(qiáng)。

4）為了降低對(duì)旋風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲，除了采用加消音器的方法外，更應(yīng)該從葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，從源頭上降低風(fēng)機(jī)噪聲。

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Noise Identification for Mine Counter-rotating Fans

Yuan-xin HeSong LuoJun LiHe-ping Jing
（Chongqing Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corp）

Acoustic measurements of the high noise of mine counter rotating fan are carried out in this paper.Spectral analyses are used to identify the noise.The results show that the primary noise of the mine counter-rotating fan is aerodynamic noise.The noise peaks are mainly identified as rotation noise of the first stage impeller and the second stage impeller,it’s interference noise and noise of higher harmonics.Vortex and high frequency noise increase with increasing blade load,while the low frequency noise level remains unchanged.

aerodynamic noise，noise identification，spectral analysis，counter rotating fan

TH432；TK05

1006-8155-(2017)03-0061-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0011

瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中煤科工集團(tuán)重慶研究院青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。（編號(hào)：2014QNJJ01，名稱：對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)噪聲識(shí)別技術(shù)研究）

2016-12-08重慶400050