淺談離心風(fēng)機(jī)噪聲

粘素環(huán)

（風(fēng)力嘉風(fēng)機(jī)（上海）有限公司，上海 201401）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題已成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題[1]，而噪聲污染更是首要攻克的環(huán)境問(wèn)題之一。噪聲不僅會(huì)影響設(shè)備的可靠性，也會(huì)影響人們的舒適性，當(dāng)噪聲過(guò)大時(shí)甚至?xí)：θ藗兊慕】?。離心風(fēng)機(jī)作為通用機(jī)械已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲的危害性也越來(lái)越重視，噪聲也逐漸成為評(píng)判離心風(fēng)機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。研究離心風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因和控制途徑，對(duì)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工人的身心健康及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等具有非常重要的意義。

1 離心風(fēng)機(jī)的噪聲

離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲組成。風(fēng)機(jī)的主要噪聲是氣動(dòng)噪聲，它是介質(zhì)在機(jī)殼內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，介質(zhì)與介質(zhì)或介質(zhì)與風(fēng)機(jī)部件之間相互作用而形成的。從產(chǎn)生機(jī)理上來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)噪聲包括湍流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。

介質(zhì)流經(jīng)風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)部時(shí)，由于介質(zhì)為粘性流體，會(huì)在近壁面處會(huì)形成邊界層。當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)，邊界層發(fā)生分離，形成尾跡渦。漩渦脫落會(huì)引起壓力跳變，其與壁面相互作用會(huì)形成脈動(dòng)壓力。脈動(dòng)壓力的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，便向周?chē)椛湓肼?，這就是湍流噪聲。由于邊界層脫離和湍流脈動(dòng)彈性很大，因此湍流噪聲具有很寬的頻率范圍，也稱(chēng)寬頻噪聲[2]。

式中：fi為湍流噪聲；Sr為斯特勞哈爾數(shù)；Sr=0.14~0.20，一般取0.185；w為氣體與葉片相對(duì)速度；L為物體正表面寬度在垂直于速度平面上的投影；i為諧波序號(hào)。

旋轉(zhuǎn)噪聲又稱(chēng)離散頻率噪聲，一般存在于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，如離心式風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等。對(duì)于離心風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)噪聲是風(fēng)機(jī)葉輪周期性擊打風(fēng)機(jī)內(nèi)介質(zhì)而形成的。在風(fēng)機(jī)葉片通道出口處，沿圓周方向的壓力與速度發(fā)生很大變化，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪掠過(guò)較窄的機(jī)殼渦舌處時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動(dòng)，脈動(dòng)產(chǎn)生的就是旋轉(zhuǎn)噪聲。

式中：f為旋轉(zhuǎn)噪聲；n為風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速（r/min)；z為葉片數(shù)；i為諧波序號(hào) i=1，2，3…，i=1 為基頻。

2 噪聲的計(jì)量

2.1 聲壓級(jí)

當(dāng)大氣靜止時(shí)，其壓強(qiáng)稱(chēng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。聲音是一種壓力波，聲音在空氣中傳播時(shí)，周?chē)目諝猱a(chǎn)生疏密變化，形成疏密相間的縱波?？諝獾氖杳茏兓?，使靜止的大氣中有的地方產(chǎn)生膨脹，有的地方產(chǎn)生壓縮。膨脹的地方壓強(qiáng)比原來(lái)小，壓縮的地方壓強(qiáng)比原來(lái)大。這種因聲音傳播而引起的大氣壓強(qiáng)變化稱(chēng)為聲壓。正常情況下，人耳可以聽(tīng)到的最小聲壓是2×10-5Pa，它是人耳的“聽(tīng)閾”。當(dāng)聲壓達(dá)到20 Pa時(shí)，人耳聽(tīng)到后會(huì)疼痛不適，20 Pa是人耳的“痛閾”。實(shí)際生產(chǎn)生活中，人耳對(duì)聲音大小的感受并不是線(xiàn)性的，與聲壓絕對(duì)值的大小不成比例，人耳對(duì)聲音大小的感受同聲壓的對(duì)數(shù)近似成正比。為了更接近人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，人們用對(duì)數(shù)來(lái)標(biāo)度兩個(gè)聲音的聲壓之比，稱(chēng)其為聲壓級(jí)，用分貝（dB）表示。聲壓級(jí)Lp=20 lg P/P0，其中 P為聲壓（Pa），P0為基準(zhǔn)聲壓 2 × 10-5Pa.在評(píng)價(jià)一種聲音的大小時(shí)，要考慮到人們對(duì)響度的主觀(guān)感受，對(duì)不同頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p，這樣測(cè)的聲壓級(jí)稱(chēng)為計(jì)權(quán)聲級(jí)。常用的有A、B、C三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其中A網(wǎng)絡(luò)與人耳對(duì)不同聲音頻率的判別相似。經(jīng)A網(wǎng)絡(luò)計(jì)權(quán)測(cè)得的聲壓級(jí)為A聲級(jí)，用dB（A）表示[1]。

2.2 聲功率級(jí)

聲功率為聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量。聲功率是衡量噪聲源能量輸出大小的物理量。聲壓與很多外界因素有關(guān)，比如接收者距聲源的距離、所處方向以及聲源周?chē)穆晥?chǎng)條件等，而聲功率表述的是能量，從而可以不受上述因素的影響。目前，可以直接測(cè)量聲功率大小的儀器比較復(fù)雜，也比較昂貴，很少應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)生活中。不過(guò)在某種條件下，工程師可以利用聲壓測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算聲功率的大小。聲功率用級(jí)表示時(shí)稱(chēng)為聲功率級(jí)，單位是dB.Lw=10 lg W/W0，其中W0=10-12W 為基準(zhǔn)聲功率，Lw為聲功率級(jí)（dB）[1]。

2.3 倍頻帶及倍頻帶中心頻率

人耳能聽(tīng)到的聲音的頻率范圍是20Hz～20000Hz，高低音頻率相差1 000倍。在實(shí)際的聲音測(cè)量過(guò)程中，通常把20 Hz～20 000 Hz的頻率變化范圍劃分為一些較小的段落，稱(chēng)為頻帶。設(shè)頻帶的上限頻率為f1，下限頻率為f2，△f=f2-f1就是頻帶寬度。用于噪聲分析的濾波器只允許f2～f1之間的聲音通過(guò)。為測(cè)量噪聲而設(shè)計(jì)的濾波器有倍頻帶、1/2倍頻帶和1/3倍頻帶濾波器。離心風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量一般采用倍頻帶。對(duì)于倍頻帶，f2/f1=2，f0=，△f=f2-f1=0.707f0.離心風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量時(shí)倍頻帶中心頻率依次是63Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz，8000Hz[1].

2.4 聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的關(guān)系

聲音信號(hào)進(jìn)入A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)后，低于1 000 Hz的聲音按比例衰減通過(guò)，大于1 000 Hz的聲音無(wú)衰減地通過(guò)。這種被A網(wǎng)絡(luò)計(jì)權(quán)了的聲壓級(jí)稱(chēng)為A聲級(jí)，表達(dá)式如下[3]：

式中：LPA為倍頻帶A聲級(jí)；Lpi為倍頻帶聲壓級(jí)（dB）；ΔAi為不同頻率的計(jì)數(shù)衰減值；i為 1、2、3、…，8 代表倍頻帶中心頻率 63 Hz，125 Hz，250 Hz，500 Hz，1 000 Hz，2 000 Hz，4 000 Hz，8 000 Hz.

表1 不同頻率的計(jì)權(quán)衰減值

聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的關(guān)系：

式中：LPA為被A網(wǎng)絡(luò)計(jì)權(quán)的聲壓級(jí)，LWA為被A網(wǎng)絡(luò)計(jì)權(quán)的聲功率級(jí)，x為距離聲源的距離（聲源被看作一點(diǎn)），Q 為指向性因數(shù)，Q=1，2，3，4.

3 噪聲的頻譜特性

不同的風(fēng)機(jī)存在不同的頻譜，其頻譜特性主要取決于風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速和葉輪直徑。當(dāng)離心風(fēng)機(jī)葉片數(shù)為10~12片，轉(zhuǎn)速為1 450～2 900 r/min時(shí)，其基頻都落在倍頻帶中心頻率250～500 Hz范圍內(nèi)，主要頻帶為250 Hz～4 000 Hz；當(dāng)轉(zhuǎn)速為250～1 450 r/min時(shí)，其基頻落在倍頻帶中心頻率63～125 Hz范圍內(nèi)，主要頻率范圍為125 Hz～2 000 Hz.

頻率f與波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為fλ=a，a為聲速（m/s）.當(dāng)聲速a一定時(shí)，頻率越高，波長(zhǎng)越短，反之，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。聲音傳播過(guò)程中，如果障礙物比波長(zhǎng)大，聲音就被反射或折射。低頻成分占優(yōu)勢(shì)的噪聲與強(qiáng)度相同主要由高頻組成的噪聲相比，不那么令人煩惱。由于高頻振動(dòng)波長(zhǎng)較短，人自覺(jué)不自覺(jué)地確定聲音傳來(lái)的方向，而低頻振動(dòng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波長(zhǎng)比人兩耳之間的距離大很多，不易產(chǎn)生方向上的效果。由公式（2）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，葉片數(shù)Z越少，頻譜上的峰值移向低頻，低頻對(duì)人耳不顯聲，所以A聲級(jí)降低。不過(guò)，高頻比例大的噪聲，用簡(jiǎn)單的消音器就可以使之降低，而低頻占優(yōu)勢(shì)的噪聲，要求的消音器成本較高。如果噪聲中含有很低的頻率成分，建筑物中就有出現(xiàn)共振的可能，葉片數(shù)少的離心風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就是這種情況。同時(shí)葉片數(shù)Z減少后，其氣動(dòng)性能靠加大葉片寬度來(lái)補(bǔ)償，但是當(dāng)葉輪直徑比較大時(shí)，由于強(qiáng)度和剛度的限制不允許采用此方法。因此，為了正確使用離心風(fēng)機(jī)，頻譜知識(shí)和噪聲級(jí)分貝數(shù)一樣重要[3]。

4 風(fēng)機(jī)從業(yè)者的注意事項(xiàng)

風(fēng)機(jī)從業(yè)者應(yīng)該努力掌握風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)及影響因素，從而可以根據(jù)不同運(yùn)行工況，不同使用條件，設(shè)計(jì)選擇出綜合表現(xiàn)最優(yōu)的風(fēng)機(jī)。伴隨人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的提升，人們更傾向于在低噪音的環(huán)境中生活、學(xué)習(xí)、工作，因此低噪聲成為考核風(fēng)機(jī)的又一重要性能指標(biāo)。為了得到低噪聲風(fēng)機(jī)，減小風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲成為重中之重，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：1）選擇合適的葉片形式及葉片數(shù)；2）在工藝允許的情況下，選擇旋壓形式的進(jìn)風(fēng)口，以降低湍流噪聲；3）為了降低旋轉(zhuǎn)噪聲，可以改變蝸舌的傾斜角度，通過(guò)錯(cuò)開(kāi)蝸舌上脈沖氣流的相位，使得蝸舌上的脈沖力減??；4）注意蝸舌間隙對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲的影響，蝸舌間隙小時(shí)，噪聲高；蝸舌間隙大時(shí)，噪聲下降；5）設(shè)計(jì)邊界層自動(dòng)吹氣，改善葉片繞流情況。在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)時(shí)，為降低風(fēng)機(jī)噪聲，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：①葉輪葉片表面噴涂多孔性能材料，以降低噪聲；②采用雙層蝸殼，內(nèi)襯消音材料，可同時(shí)降低旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲；③在葉輪進(jìn)出口加裝湍流網(wǎng)，以減小湍流噪聲。另外，工程師在選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，盡量選擇風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)特性相匹配的風(fēng)機(jī)，此時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，產(chǎn)生的噪聲也比較低；由于噪聲與轉(zhuǎn)速有關(guān)，對(duì)于同一款風(fēng)機(jī)，低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的噪聲低于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的噪聲；對(duì)同一系列的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)尺寸越大，風(fēng)量和風(fēng)壓越大，噪聲也越大，因此不可選擇過(guò)大的風(fēng)機(jī)余量（大的機(jī)號(hào)），使得能源浪費(fèi)，噪聲增大。最后，與風(fēng)機(jī)匹配的管路一定要設(shè)計(jì)合理，使得氣流均勻，噪聲降低[3-4]。

[1]李耀中，李東升.噪聲控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]鄭 欣.離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲模擬與降噪設(shè)計(jì)[D].西安：電子科技大學(xué)，2015.

[3]商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]續(xù)魁昌，王洪強(qiáng)，蓋京方.風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.