顆粒阻尼技術(shù)在離心風(fēng)機(jī)降噪中的應(yīng)用研究*

陳金球 陳啟明

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)公司金冠銅業(yè)分公司；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽省通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

風(fēng)機(jī)噪聲的主要來源為流道內(nèi)空氣流動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲[1]，此外還有機(jī)械傳動(dòng)部件的機(jī)械噪聲和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲。氣動(dòng)噪聲以風(fēng)機(jī)進(jìn)出口最為顯著：在風(fēng)機(jī)進(jìn)口，氣流沖擊高速旋轉(zhuǎn)的葉片；在風(fēng)機(jī)出口，氣流周期性的沖擊蝸舌，均會(huì)產(chǎn)生基于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率的離散噪聲。而振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)殼體在非定常氣動(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口均接有管道時(shí)，氣動(dòng)噪聲可以得到有效的屏蔽，殼體振動(dòng)成為輻射噪聲的主要來源[2]。風(fēng)機(jī)的降噪方法主要分為兩種：一種為主動(dòng)降噪，即通過優(yōu)化葉輪和蝸殼的氣動(dòng)外形[3]，改善空氣流動(dòng)狀況；另一種為被動(dòng)降噪，例如在風(fēng)機(jī)管道進(jìn)出口安裝消聲器、為機(jī)組安裝隔聲罩或隔聲房、采用吸聲或隔聲材料[4]等。主動(dòng)降噪為風(fēng)機(jī)降噪的根本途徑，但對(duì)于不同結(jié)構(gòu)類型的風(fēng)機(jī)，葉輪和蝸殼的優(yōu)化過程各不相同，雖然可以借助CFD進(jìn)行降噪效果模擬，實(shí)際效果的可行性仍需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，定型前往往需要多次反復(fù)，花費(fèi)的時(shí)間和成本高，對(duì)于研制周期短和成本受限的產(chǎn)品，主動(dòng)降噪方法因此受到制約。被動(dòng)降噪適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較多。目前被動(dòng)降噪方法主要針對(duì)風(fēng)機(jī)管道進(jìn)出口消聲處理，或者針對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行隔聲處理，針對(duì)風(fēng)機(jī)殼體，則通常采用包裹或涂抹減振隔音材料進(jìn)行降噪，但是考慮到美觀、工作環(huán)境的腐蝕性以及尺寸的限制等，該方法應(yīng)用也較為有限。

顆粒阻尼減振技術(shù)，主要是通過阻尼器中填充顆粒的碰撞和摩擦來提供阻尼，達(dá)到減振的目的。由于其結(jié)構(gòu)簡單、效果顯著、適用范圍廣，顆粒阻尼技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一[5]。針對(duì)顆粒阻尼特性的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作[6-8]，應(yīng)用離散單元法、粉體力學(xué)法等對(duì)其進(jìn)行仿真，取得了一定的成果，由于顆粒阻尼的高度非線性，其數(shù)值仿真準(zhǔn)確度仍有待提高。顆粒阻尼的試驗(yàn)研究[9-11]多以簡單結(jié)構(gòu)（如懸臂梁[12]、平板[13]等）為主，對(duì)于具體工程應(yīng)用，尤其是風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的研究還較少。顆粒阻尼減振機(jī)理源于顆粒與壁面以及顆粒之間碰撞摩擦過程中的能量損失，但在該過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，因此顆粒材質(zhì)、大小[14]以及填充率等的合理選擇，才能更有效發(fā)揮顆粒阻尼的減振降噪作用。

本文研究的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)出口均接有管道和消聲器，因此風(fēng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)所輻射的噪聲為風(fēng)機(jī)的主要噪聲源。風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空腔，空腔內(nèi)填充顆粒，對(duì)比分析不同規(guī)格顆粒的降噪效果，選出最佳方案，從而達(dá)到減振降噪的目的，為工程應(yīng)用及后續(xù)研究提供參考。

1 風(fēng)機(jī)殼體顆粒填充方案

本文所述離心風(fēng)機(jī)蝸殼采用斜蝸舌設(shè)計(jì)，以改善出口氣動(dòng)噪聲。風(fēng)機(jī)蝸殼的外側(cè)、后側(cè)以及前蓋板內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)空腔，并分別用隔板將空腔分為獨(dú)立的幾個(gè)部分，以提高顆粒填充的均勻性。空腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 顆粒填充示意圖Fig.1 Schematic diagram of particle filling

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，顆粒填充率為70%左右時(shí)，降噪效果最佳，因此本文所采用的填充率均為70%左右。填充顆粒分為四類：直徑1.5mm和2.3mm的塑料球，直徑1.2mm和3.0mm的氧化鋁陶瓷球。五種填充方案：結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)無填充、四種不同規(guī)格70%填充率的顆粒。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1236-2000》進(jìn)行風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用D型，即管道進(jìn)口和管道出口。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 2888-2008》，在距離風(fēng)機(jī)1m處均勻布置6個(gè)聲學(xué)傳感器，并應(yīng)用頻譜儀采集風(fēng)機(jī)周圍6個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，采集頻率為20～20 000Hz。風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，噪聲測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖3所示。

圖2 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test rig of the fan

圖3 噪聲測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of noise measurement point location

依據(jù)式（1）對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

式中，Lˉp為平均聲壓級(jí)，N為測(cè)點(diǎn)數(shù)，Lpi為第i點(diǎn)測(cè)得的聲壓級(jí)，Lki為第i點(diǎn)測(cè)得的背景噪聲。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 各工況噪聲對(duì)比分析

表1為風(fēng)機(jī)不同工況點(diǎn)的氣動(dòng)性能參數(shù)。

表1 各工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能參數(shù)Tab.1 Aerodynamic performance parameters of fans at various working conditions

其中，工況4為額定工況。各工況對(duì)應(yīng)的五種填充方案的平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)如圖4所示。

圖4 各工況5種填充方案平均A聲壓級(jí)Fig.4 Average A sound pressure level of 5 filling schemes in each working condition

從圖4可知，在各工況下，四種有填充的方案均取得一定的降噪效果。但工況2點(diǎn)的1.2mm陶瓷球填充方案降噪效果不理想，而在其它工況，該方案均有較好的降噪效果，因此推斷該噪聲數(shù)據(jù)采集時(shí)可能受到了外界干擾。四種填充方案與結(jié)構(gòu)空腔無填充相比降噪效果如表2所示。

表2 四種填充方案降噪效果dB（A）Tab.2 Noise reduction effect of four filling schemes(dB(A))

四種填充方案在各工況的降噪效果有一定差異。在小流量區(qū)（工況1），塑料球填充方案降噪效果優(yōu)于陶瓷球填充方案。在大流量區(qū)（工況6），各填充方案均取得相對(duì)最佳降噪效果，且塑料球填充方案仍優(yōu)于陶瓷球填充方案。在額定工況點(diǎn)（工況4），各填充方案也都取得不錯(cuò)的降噪效果，其中以3.0mm陶瓷球填充方案降噪效果最佳。本文所研究風(fēng)機(jī)為優(yōu)化后的產(chǎn)品，無顆粒填充風(fēng)機(jī)噪聲較低（63～65dB（A）），能夠在此基礎(chǔ)上再降噪2～3dB（A），表明所采用填充方案具有較好的降噪效果。

3.2 額定工況各測(cè)點(diǎn)噪聲對(duì)比分析

風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行在額定工況附近，因此對(duì)工況4各測(cè)點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。額定工況各測(cè)點(diǎn)噪聲如圖5所示。

圖5 額定工況各測(cè)點(diǎn)噪聲Fig.5 Noise of each measuring point in rated working condition

從圖5可知，無填充顆粒時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的噪聲相差較大，其中測(cè)點(diǎn)2噪聲最小，測(cè)點(diǎn)3，4，5次之，測(cè)點(diǎn)1，6最大。這一方面是由于風(fēng)機(jī)本身噪聲特性所致，另一方面，后側(cè)（測(cè)點(diǎn)3，4，5）和側(cè)面（測(cè)點(diǎn)2）的結(jié)構(gòu)空腔也對(duì)風(fēng)機(jī)出口處結(jié)構(gòu)振動(dòng)起到了一定的衰減作用，前側(cè)（測(cè)點(diǎn)1，6）由于沒有在風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置空腔，且距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口較近，因此噪聲相對(duì)較大。說明雖然風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道對(duì)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生一定的屏蔽作用，但進(jìn)出口處的非定常氣動(dòng)力仍較顯著，從而導(dǎo)致該處結(jié)構(gòu)振動(dòng)較大，因此風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處的振動(dòng)噪聲為本文風(fēng)機(jī)輻射噪聲的主要來源。

各填充方案在各測(cè)點(diǎn)的降噪效果也有較大差異。在測(cè)點(diǎn)1，4，6，各填充方案均取得一定的降噪效果，而在測(cè)點(diǎn)2，3，5，部分填充方案反而增大了噪聲。只有3.0mm陶瓷球填充方案在各測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)噪聲增大的情況，且該方案整體降噪效果最佳，因此本文風(fēng)機(jī)產(chǎn)品最終選用該填充方案。3.0mm陶瓷球填充方案在各測(cè)點(diǎn)的降噪效果如表3所示。

表3 3.0mm陶瓷球填充方案額定工況各測(cè)點(diǎn)降噪效果dB（A）Tab.3 Noise reduction effect of each measuring point in rated working condition filled with the 3.0mm ceramic balls(dB(A))

從表3可知，測(cè)點(diǎn)3，4，5降噪效果較好，表明后側(cè)空腔設(shè)計(jì)能夠較好的發(fā)揮顆粒阻尼效果，抑制振動(dòng)在該方向的傳遞；測(cè)點(diǎn)2降噪效果稍差，可能是由于側(cè)面空腔體積較小，顆粒阻尼效果發(fā)揮不充分；測(cè)點(diǎn)6降噪效果較好，表明前蓋板內(nèi)側(cè)空腔設(shè)計(jì)也能較好的發(fā)揮顆粒阻尼效果，降低前蓋板振動(dòng)；但是測(cè)點(diǎn)1降噪效果最差，可能是由于風(fēng)機(jī)出口前側(cè)未設(shè)置顆粒阻尼器，導(dǎo)致該方向振動(dòng)未經(jīng)衰減，因此噪聲較為突出?？傮w來看，添加顆粒阻尼后，相應(yīng)方向的振動(dòng)噪聲有較大改善。其中，機(jī)殼后側(cè)空腔體積相對(duì)較大，顆粒阻尼效果較好，而側(cè)面空腔體積相對(duì)較小，阻尼效果稍差。因此，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空腔，對(duì)顆粒阻尼減振降噪效果起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)四種填充方案的降噪效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）本文所述四種填充方案對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲均有一定的改善，但不同工況點(diǎn)的降噪效果有差別。

2）額定工況下，四種填充方案均取得較好的降噪效果。但是各填充方案對(duì)各方向的降噪效果不同，存在個(gè)別方案在某方向?qū)е略肼曉龃蟮那闆r，綜合考慮以3.0mm陶瓷球填充方案降噪效果最佳。

3）本文顆粒阻尼對(duì)風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)3，4，5，6方向有較好的降噪效果，但在測(cè)點(diǎn)1，2方向的噪聲還有待于進(jìn)一步降低，需要改善側(cè)面空腔設(shè)計(jì)，并增加風(fēng)機(jī)出口處前側(cè)空腔設(shè)計(jì)。

4）本文對(duì)不同材料、不同直徑的顆粒阻尼降噪效果進(jìn)行了對(duì)比，各填充方案對(duì)風(fēng)機(jī)各個(gè)工況、各個(gè)方向的噪聲影響有較大差別，后續(xù)需要對(duì)填充顆粒的材質(zhì)、直徑以及填充率等做更詳細(xì)深入的研究。