基于聲源識別及聲場模擬的工廠通風(fēng)系統(tǒng)降噪研究

王偉輝，陳思豪，鄭杰元，林桂儀，黃育平

?

基于聲源識別及聲場模擬的工廠通風(fēng)系統(tǒng)降噪研究

王偉輝1，陳思豪2，鄭杰元2，林桂儀3，黃育平3

(1. 臺灣海洋大學(xué)；2. 翰聲科技股份有限公司；3. 勞動及職業(yè)安全衛(wèi)生研究所)

工廠廠房為了實現(xiàn)進氣、排氣及集塵的目的，需布設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)。由于其分布范圍廣泛，使得通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲成為工廠廠房室內(nèi)噪聲中除機電設(shè)備之外的另一主要噪聲源，對廠房內(nèi)員工的作業(yè)聲環(huán)境造成很大的沖擊。通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源主要來自風(fēng)管的固定支架振動、風(fēng)管進排氣噪聲、管道壁振動以及管道噪聲通過管壁的透射。文章建立了一套針對工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的聲源與聲場測量、頻譜分析、診斷排序與降噪模擬評估技術(shù)，利用聲場模擬，給出三種降噪方案。應(yīng)用此技術(shù)對工廠噪聲進行治理，可大大提高業(yè)主選擇降噪方案的信心及成效預(yù)期心理。

工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲；聲源識別；聲場模擬；降噪方案；降噪效果評估

0 引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)工廠，生產(chǎn)項目種類繁多，包括金屬加工、金屬冶煉、食品及飲料生產(chǎn)裝填及包裝、木材加工、化學(xué)及塑料制品、機械加工及印刷品等。廠房內(nèi)的主要噪聲源除了機電設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲外，其次為通風(fēng)集塵系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲，其對工作環(huán)境造成很大影響，是職業(yè)安全衛(wèi)生改善的重點項目之一。

由于各工廠廠房內(nèi)部布置不盡相同，即使生產(chǎn)同類產(chǎn)品的工廠，其廠房內(nèi)的室內(nèi)聲場也不一樣，如何處理此類復(fù)雜的室內(nèi)聲場問題，取得各界一致的看法，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)程序，供改善決策時有所遵循，是本研究的宗旨。

在參考了文獻[1-8]關(guān)于工廠噪聲控制方法理論及實務(wù)數(shù)據(jù)后，本研究團隊延續(xù)文獻[9]中的計劃，建立了一套工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源及聲場的測量、頻譜分析與聲源識別排序、聲場改善模擬的評估技術(shù)。本研究成果的特色在于以聲源識別及聲場模擬為基礎(chǔ)，進行工廠廠房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲治理。

1 聲源識別

在取得廠房布置、尺寸圖及噪聲源與接收者的分布情形后，即可對聲源聲壓級與聲強以及接收點處的聲壓級進行測量，測量分析項目包括聲源及接收點的噪聲頻譜與波形圖。逐一比對接收處與聲源處的噪聲頻譜，即可得出接收處所受聲源相應(yīng)頻率的貢獻量，并加以排序。更進一步，可對單一聲源中各頻率成分的貢獻量加以排序，這樣的排序?qū)罄m(xù)的降噪方案中如何針對性地選擇降噪材料和設(shè)備非常重要，以節(jié)省成本。

以軌道車輛的車輪旋削維修廠為例，該廠房布置如圖1所示，在車削作業(yè)時，廠房內(nèi)一組工作人員分別散布于車削機的正前方及左、右兩側(cè)，主要聲源即為車削機作業(yè)摩擦及振動噪聲，以及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲(見圖2)，通風(fēng)系統(tǒng)噪聲又包含風(fēng)機噪聲、風(fēng)管噪聲及進氣口噪聲(見圖3)。車輪旋削作業(yè)時，在作業(yè)區(qū)的工作人員處測得聲壓級為97 dB(A)，而車削機聲源處的聲壓級為100 dB(A)，如圖4所示。

(a) 平面圖

(b) 廠房布置

圖1 車輪旋削維修廠廠房布置

Fig.1 Wheel lathe machine plant layout

圖2 廠房通風(fēng)系統(tǒng)布置

圖3 廠房車削機上方進氣口

(a) 車削時正前方工作人員處的噪聲頻譜及波形圖

在僅通風(fēng)系統(tǒng)啟動而無車削作業(yè)時，廠房內(nèi)的噪聲測量結(jié)果如圖5及圖6所示。風(fēng)機聲源處的聲壓級為78.6 dB(A)，而接收者處的聲壓級分別為：正前方人員處78 dB(A)、右側(cè)人員處73 dB(A)、左側(cè)人員處72 dB(A)。

(a) 遠離風(fēng)機

(b) 靠近風(fēng)機

圖5 通風(fēng)風(fēng)機的噪聲頻譜

Fig.5 The noise spectrum of ventilation fan

圖6 僅通風(fēng)系統(tǒng)啟動時接收處的噪聲頻譜

顯然，車削機噪聲是最大的噪聲源，其中頻率為1.25 kHz的聲壓級高達100 dB(A)，此頻率接近鋼輪輪盤的固有頻率1 377 Hz。

2 聲場模擬

廠房內(nèi)的聲源一般不只一個，工作場所人員也不只一位，由聲源至接收者間的傳遞屬于多重輸入與多重輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)問題。且廠房內(nèi)聲場還受廠房形狀、材質(zhì)、聲源分布、機器位置等諸多邊界條件的影響。因此在進行廠房室內(nèi)噪聲治理之前，需進行聲場的模擬校估。

本文設(shè)計的聲場模擬與降噪效果評估程序如圖7所示。

圖7 聲場模擬效果及降噪效果評估的程序

模擬分析使用的建筑聲學(xué)軟件為EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers)，對于需要輸入的聲源聲功率，根據(jù)ISO9614-2，利用聲強計測量得到；對于進風(fēng)口的噪聲聲功率級的計算是由ASHARE的HVAC算法算得[10]；風(fēng)機的聲功率級按照式(1)進行估算[11]：

式(1)為低壓風(fēng)機的聲功率級估算式；若為中高壓風(fēng)機，則按式(2)進行估算[11]：

式中，為風(fēng)機全壓(Pa)。

當(dāng)?shù)玫斤L(fēng)機的聲功率級后，可由式(3)近似估算出各頻帶的聲功率級[11]：

表1 風(fēng)機各頻帶聲功率級的修正值Δb(dB)[11]

表2 風(fēng)機各頻帶的聲功率級

在推算出風(fēng)機的聲功率級后，可使用ASHRAE的HVAC聲學(xué)算法估算出兩個進風(fēng)口的聲功率級，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機的不同風(fēng)量，經(jīng)過各種不同長度和形狀的管道、彎頭分支管及進風(fēng)出風(fēng)口估算出其通風(fēng)噪聲聲功率級。表3為利用ASHRAE的HVAC聲學(xué)算法估算出的結(jié)果與由測量聲壓級反推出的進風(fēng)口聲功率級的比較，驗證了風(fēng)口噪聲源設(shè)定的準(zhǔn)確性。

風(fēng)管振動噪聲源的聲功率測量，則是根據(jù)ISO9614-2的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并因現(xiàn)場測量條件的限制，將通風(fēng)管道理想化為三個面聲源，即底面與兩個側(cè)面，如圖8所示，利用聲強計垂直于理想化平面進行掃描(見圖9)，用聲強計測量各平面的聲強值(W/m2)，然后再乘以各平面面積(m2)，即為各平面的聲功率，最后將管道各平面(底面及兩個側(cè)面)的聲功率相加，即為管道的聲功率(此聲功率將以線聲源的形式輸入EASE)，詳細數(shù)值如表4所示。

圖8 將通風(fēng)管道理想化為三個虛擬平面

圖9 利用聲強計測量通風(fēng)管道壁面的聲強

在得到廠房通風(fēng)系統(tǒng)三個主要噪聲源(風(fēng)機、進風(fēng)口以及風(fēng)道管壁)各頻段的聲功率級后，即可利用EASE軟件建構(gòu)廠房的幾何模型，如圖10所示，并標(biāo)示出各噪聲源及機器位置、工作人員位置。廠房內(nèi)各暴露面的吸聲系數(shù)可根據(jù)材質(zhì)不同而分別設(shè)定，各材料的吸聲系數(shù)如表5所示。

表3 ASHRAE的HVAC算法估算與測量推算的進風(fēng)口聲功率級比較

表4 風(fēng)管管壁輻射源的聲功率

表5 廠房各材料的吸聲系數(shù)

圖10 EASE軟件建構(gòu)出的廠房幾何模型

表6 全頻帶、1 kHz和250 Hz的模型校估表 (dB(A))

(a) 計算機模擬

(b) 實際測量

圖11 (a)計算機模擬與(b)實際測量的聲壓級分布比較圖

Fig.11 (a) Computer simulation and (b) comparison withactual sound pressure level distribution

若再同時啟動旋削作業(yè)，則廠房內(nèi)的聲壓模擬分析結(jié)果如圖12所示，與實際測量得到的聲壓級比較如表7所示，可看出模擬聲場的誤差也均在±2 dB以內(nèi)。

圖12 同時開啟通風(fēng)系統(tǒng)及旋削作業(yè)時的廠房內(nèi)模擬聲場

表7 EASE軟件模擬旋削時正前方工作人員處聲壓級與測量值比較

注：本團隊并未在旋削時測量廠房內(nèi)的聲壓級分布，僅以正前方操作人員接受到的聲壓級用作校估標(biāo)準(zhǔn)

3 降噪效果評估

根據(jù)聲場模擬結(jié)果及測量診斷得知：

(1) 通風(fēng)系統(tǒng)進風(fēng)口的噪聲源對正前方工作區(qū)人員有全頻域的噪聲影響；而對左、右側(cè)工作區(qū)的影響僅在1 kHz以上的頻段較顯著；故有必要加裝管道進氣消聲器。

(2) 風(fēng)管管壁振動輻射的噪聲對正前方區(qū)域的影響在低頻段較嚴(yán)重；對左、右側(cè)工作區(qū)的影響在500 Hz以下較大；因此必須對管道進行隔聲包覆。

按此分析結(jié)果，本文提出A、B、C三種降噪方案(如圖13所示)，并分別評價其降噪效果。三種降噪方案均需考慮集塵過濾措施。

方案A：對部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+消聲器(見圖15)；

方案B：對部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+管道內(nèi)壁貼25 mm厚玻璃棉(見圖16)；

方案C：部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+消聲器(見圖15，各型號消聲器插入損失見表8)+墻面吸聲處理(見圖17)。

(a) 管道隔聲包覆+消聲器

(b) 管道隔聲包覆+管道內(nèi)壁貼25 mm玻璃棉

(c) 與(a)同，但在周圍墻面加上吸聲板(紅色部分)

圖14 兩片12 mm厚的硅酸鈣板包覆管道

圖15 消聲器

表8 消聲器型號及插入損失值(dB)

注：H50/120消聲器長度為1200 mm

同樣利用經(jīng)校估建立的聲場模擬模式，分析上述三種降噪方案下的廠房內(nèi)聲場，如圖18(a)~圖18(c)所示，其接收點的聲壓級與降噪量比較分別如表9及表10所示。

圖16 管道內(nèi)壁貼25 mm厚的玻璃棉

表9 三種降噪方案下的接收點位置聲壓級比較

(a) 方案A的模擬聲場

(b) 方案B的模擬聲場

(c) 方案C的模擬聲場

車削機噪聲源的降噪，采用在鋼輪盤加上諧調(diào)質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)的方式以降低噪聲。在旋削作業(yè)時，可將1.25 kHz頻帶的噪聲降低8 dB。另外在車削作業(yè)區(qū)上方須加蓋1.5 mm厚的鋼板(計權(quán)隔聲量為32 dB)；前方操作人員與車削機之間使用12 mm厚的強化玻璃屏障(值為32 dB)；分別如圖19(a)、19(b)所示。

車削機聲源經(jīng)過這三項降噪處理后的聲場模擬分析結(jié)果如圖20所示，其降噪效果如表11所示。

表10 三種降噪方案下的接收點位置降噪量比較

(a) 頂部加蓋1.5 mm鋼板

(b) 12 mm厚的玻璃隔聲窗

圖19 車削機周邊漏音包覆

Fig.19 The noise reduction proposal of wheel lathe machine

表11 車削機聲源治理后的降噪效果

圖20 車削機加鋼質(zhì)頂蓋與玻璃屏障后的模擬聲場

4 結(jié)論

(1) 本文建立了一套針對工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的頻譜測量分析、診斷與評估技術(shù)，包括使用聲強計測量管道噪聲的方法；以經(jīng)驗公式及ASHRAE的HVAC算法估算進風(fēng)口噪聲聲功率級的技巧；以及應(yīng)用聲學(xué)軟件建立聲場模型評估工作區(qū)域噪聲分布的程序。

(2) 利用聲場模擬分析可以給出不同治理方案的降噪效果，進一步提出成本-成效分析供決策者考慮。

(3) 本文提出的降噪方案，經(jīng)評估預(yù)測，可使接收者工作區(qū)的噪聲級降至70 dB(A)以下。

[1] 控制通風(fēng)系統(tǒng)噪音的優(yōu)良方法[M].香港環(huán)境保護署, 2006.

[2] 室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計與噪音振動控制案例教程[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[3] Schaffer, Mark E. A practical guide to noise and vibration control for HVAC systems[M]. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Incorporated, 1993.

[4] Barron Randall F. Industrial noise control and acoustics[M]. CRC Press, 2002.

[5] Cheremisinoff Nicholas P. Noise control in industry: a practical guide[M]. Elsevier, 1996.

[6] Bies David A, Colin H Hansen. Engineering noise control: theory and practice[M]. CRC Press, 2009.

[7] De Laborderie J, Moreau S. Prediction of tonal ducted fan noise [J]. Journal of Sound and Vibration, 2016, 372: 105-132.

[8] Michelsen R, Fritz K R, Sazenhofan C V. Effectiveness of acousticpipe wrappings [in German][J]. Proceedings of the DAGA, 1980: 301-304.

[9] 王偉輝. 國內(nèi)產(chǎn)業(yè)噪音型態(tài)分類與控制技術(shù)研擬[R]. 臺灣勞動及職業(yè)安全衛(wèi)生研究所委托研究計劃, 臺北: 2015.

[10] Reynolds Douglas D, Jeffrey M Bledsoe. Algorithms for HVAC Acoustic[M]. 1990.

[11] 馬大猷. 噪聲與振動控制工程手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002: 526.

Noise reduction methodology of factory ventilation system based on the noise source identification and sound field simulation

WANG Wei-hui, CHEN Si-hao, ZHENG Jie-yuan, LIN Gui-yi, HUANG Yu-ping

(1.Taiwan Ocean University;2.HanSound Technology Co.,Ltd.; 3.Institute of Labor,Occupational Safety and Health)

In factory plants, the ventilation systems must be installed for the purpose of air intake, exhaust and dust collection. Owing to its wide range of distribution, the ventilation noise become another main indoor noise source other than the electro-mechanical equipment, and which have a great impact on the operation acoustic environment of the workers in a factory. The source mechanism of the ventilation noise is mainly from the vibration of the hangers of the ventilation duct, the flow noise generated at the inlet and outlet of the duct, the vibroacoustic noise generated at the duct wall, and the transmission noise of the duct flow noise in the duct. This article established a set of techniques used for the measurement of sound source and sound field, the spectral analysis, noise diagnosis and ranking, and the noise reduction simulation of ventilation noise in factories. As an application example, three proposals of noise reduction configuration for the ventilation system in a factory are provided, simulated and compared. Such kind methodology can greatly raise the confidence of the decision maker for the selection of noise reduction plan and the expectability of noise reduction effects.

factory ventilation system noise; noise source identification; source field simulation; noise reduction proposal; noise reduction effect assessment.

TB551

A

1000-3630(2017)-03-0267-09

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.013

2016-10-11;

2016-12-20

王偉輝(1948－), 男, 臺灣人, 臺灣海洋大學(xué)榮譽教授, 研究方向為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、船舶振動噪聲。

陳思豪, E-mail: csh26373017@gmail.com