往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)噪音檢測(cè)及分析

柴德敏，葛正浩，高羨明，譚建軍

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021; 2.蘇州歐圣電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

目前，空壓機(jī)存在噪聲問(wèn)題，往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)尤為嚴(yán)重，采取簡(jiǎn)單降噪措施后噪聲仍為85 dB（A），遠(yuǎn)超噪音標(biāo)準(zhǔn)[1]，使其應(yīng)用范圍受限。往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)工作時(shí)，活塞連桿在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿由于往復(fù)不平衡慣性力會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，且在活塞連桿附近構(gòu)件聯(lián)接的部件產(chǎn)生振動(dòng)。往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)的噪聲激勵(lì)源相對(duì)較多，如進(jìn)出氣口處壓力脈動(dòng)所致的空氣動(dòng)力性噪聲，曲軸快速旋轉(zhuǎn)和連桿活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起機(jī)構(gòu)部件摩擦、沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，電機(jī)的電磁噪聲等，噪聲源情況較為復(fù)雜。研究空壓機(jī)的噪聲特性及提出有效的噪聲控制手段，具有重要的工程實(shí)際意義。而要進(jìn)行有效的噪聲控制，首先需識(shí)別出主要噪聲源。

20世紀(jì)70年代，小型往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)最早由美國(guó)工程師Thomas提出[2]。1978年，Schefter[3]針對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了噪聲分析，發(fā)現(xiàn)主要噪聲因素依次為進(jìn)氣噪聲、風(fēng)扇和曲軸箱。近些年，分析噪聲的方法有所進(jìn)步。Hwang S W等[4]通過(guò)統(tǒng)計(jì)追蹤壓縮機(jī)中的能量流并進(jìn)行分析，確定了從噪聲源到外部聲場(chǎng)的傳輸路徑。Sun等[5]建立了壓縮機(jī)性能分析和噪聲預(yù)測(cè)的數(shù)值方法并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。但上述均是針對(duì)離心式空壓機(jī)的研究，沒(méi)有針對(duì)小型往復(fù)活塞式單泵頭噪聲進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)針對(duì)未進(jìn)行降噪處理的空壓機(jī)噪聲檢測(cè)包括胡光宇[6]基于低轉(zhuǎn)速空壓機(jī)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)氣口噪聲和機(jī)殼振動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行相干分析，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)主要噪聲為低于500 Hz低頻的進(jìn)氣噪聲，可通過(guò)安裝消聲器降低噪聲。張變?nèi)A[7]發(fā)現(xiàn)分析往復(fù)活塞空壓機(jī)噪聲特性的分頻界需要考慮缸徑和轉(zhuǎn)速。馬憲亭等[8]研究L型往復(fù)空壓機(jī)，發(fā)現(xiàn)主要噪聲來(lái)源為低頻性的進(jìn)氣口噪聲和機(jī)械性噪聲，電動(dòng)機(jī)噪聲次之，排氣噪聲所占成分最少。

研究表明，未進(jìn)行降噪處理的往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)噪聲存在明顯的低頻特性，首要噪聲源是空氣動(dòng)力性噪聲，主要發(fā)生在進(jìn)排氣管處。本文所研究空壓機(jī)不設(shè)置進(jìn)出氣管道，空壓機(jī)通過(guò)空濾器進(jìn)氣，降低進(jìn)氣噪聲；排氣閥出氣，在進(jìn)行噪聲試驗(yàn)時(shí)，將排氣閥口的氣體用氣管排出實(shí)驗(yàn)室外，可忽略空氣動(dòng)力性因素。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器聲級(jí)計(jì)只有一個(gè)測(cè)量通道，測(cè)量人員需圍繞噪聲源沿著測(cè)試輪廓線逐點(diǎn)測(cè)量，不僅測(cè)量效率低，過(guò)程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，測(cè)量精度還會(huì)受測(cè)試環(huán)境和測(cè)量人員操作習(xí)慣影響?；诖爽F(xiàn)象，本文采用多通道噪聲振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)HS5660B-X，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的并行測(cè)量與實(shí)時(shí)頻譜分析，并將頻譜分析應(yīng)用至聲功率檢測(cè)，極大提高噪聲聲功率級(jí)測(cè)量分析的準(zhǔn)確性與測(cè)量效率。聲壓法和聲強(qiáng)法是目前最常用的兩類(lèi)聲功率測(cè)量方法[9]，聲強(qiáng)法精度較高，但測(cè)試方法復(fù)雜成本高；聲壓法精度較低，測(cè)試簡(jiǎn)單易行。聲壓法是通過(guò)測(cè)量聲源包絡(luò)表面多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓值合成而得，測(cè)量技術(shù)成熟，但是受測(cè)試環(huán)境影響較大，一般需要在標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。本試驗(yàn)參考實(shí)際情況選用聲壓法進(jìn)行聲功率級(jí)測(cè)量。

1 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

1.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為立罐的往復(fù)式無(wú)油活塞式單泵頭空壓機(jī)，其主要工作參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。由于該類(lèi)型空壓機(jī)主要用于出口，所有單位均為英制單位。

表1 空壓機(jī)工作參數(shù)表1)

工作原理：動(dòng)能由電機(jī)提供，先通過(guò)軸傳遞給小帶輪，再通過(guò)皮帶傳遞給大帶輪，之后通過(guò)軸和軸承傳遞到連桿。連桿帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。外界空氣通過(guò)空濾器進(jìn)入泵頭蓋，再通過(guò)進(jìn)氣閥板進(jìn)入氣缸，經(jīng)過(guò)活塞壓縮后，通過(guò)出氣閥板再次進(jìn)入泵頭蓋，之后通過(guò)直角彎頭、金屬軟管和單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。因空壓機(jī)流量較大，其儲(chǔ)氣罐體積較大；因空壓機(jī)笨重，為了方便拉行將把手尺寸設(shè)計(jì)較大。

圖1 空壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用的測(cè)試儀器有：HS14412A 聲學(xué)傳聲器、ICP前置放大器、聲信號(hào)調(diào)理儀、高速數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和電纜等，HS5660B-X型噪聲振動(dòng)分析系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行頻譜分析（儀器均經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)）。設(shè)定的分析參數(shù)為：采用頻率2 000 Hz，分析頻點(diǎn)為16 384，采用時(shí)間為0.819 s，時(shí)間平均計(jì)權(quán)，頻率范圍為20~20 000 Hz，但在12 500~20 000 Hz無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示。

利用HS5660B-X測(cè)試儀器及其配套裝備，收集分析噪聲數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在軟件中完成頻率計(jì)權(quán)，采用A計(jì)權(quán)和倍頻程分析等核心功能，同時(shí)可對(duì)噪聲數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)顯示、存儲(chǔ)和管理等功能。實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置如圖2所示。半消音實(shí)驗(yàn)室僅地面沒(méi)有安裝劈尖。因整體實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器較多，將實(shí)驗(yàn)室情況用波浪線劃分為2種，左下角為實(shí)驗(yàn)室外部情況，其他均為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部情況。

傳聲器采用傳聲器夾持架固定，最上方的測(cè)試點(diǎn)直接采用線繩懸掛的方式固定，圖中僅表示一個(gè)用傳聲器固定架固定傳聲器的情況，其他相同。傳聲器將噪聲轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，被高速數(shù)據(jù)采集器收集并傳向PC端進(jìn)行處理分析。出氣口將排氣閥排出氣體引出實(shí)驗(yàn)室，確保實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度。變頻儀可提供多種電壓與頻率的電源，滿足空壓機(jī)運(yùn)行要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置圖

1.3 試驗(yàn)方法

GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)噪聲的劃定范圍為聲壓級(jí)，本文所參考的噪聲能量指標(biāo)為聲功率級(jí)。聲功率級(jí)常用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)備輻射噪聲能量的大小，已成為衡量機(jī)械設(shè)備質(zhì)量的重要指標(biāo)。聲功率級(jí)因其是一個(gè)獨(dú)立于環(huán)境，只與聲源本身有關(guān)的客觀聲學(xué)參量，與聲壓級(jí)相比更能全面刻畫(huà)機(jī)械設(shè)備的噪聲輻射強(qiáng)度及特性，而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備噪聲指標(biāo)的評(píng)價(jià)[10]。準(zhǔn)確測(cè)量聲功率，有助于客觀評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)備的噪聲性能，研究噪聲成因及特征，是尋找降低噪聲的有效途徑。

方法思路：在同一環(huán)境下，被測(cè)聲源產(chǎn)生的聲壓級(jí)測(cè)量值與聲功率輸出已知的標(biāo)準(zhǔn)噪聲產(chǎn)生聲壓級(jí)測(cè)量值的比較，以此計(jì)算聲功率級(jí)。

在半消音試驗(yàn)室進(jìn)行聲壓試驗(yàn)，一般情況下，測(cè)量表面的形狀根據(jù)噪聲源的形狀和尺寸選擇，使每個(gè)傳聲器與被測(cè)聲源的距離大致相當(dāng)，則傳聲器測(cè)點(diǎn)布置如圖3、圖4所示，即可得到需求各點(diǎn)的聲壓級(jí)。將待測(cè)物放置于地面，尋找包覆空壓機(jī)的假象表面所形成的最小平行六面體為參考矩形B，如圖5所示。原點(diǎn)O點(diǎn)是基準(zhǔn)參考體的中心，使用特性源尺寸do可確定測(cè)量面的尺寸。

圖3 測(cè)試點(diǎn)布置主視圖

圖4 測(cè)試點(diǎn)俯視圖

圖5 參考矩形B示意圖

由測(cè)得的聲壓級(jí)LAm可計(jì)算聲功率級(jí)LWA，由文獻(xiàn)[7]可知平均聲壓級(jí)La和合計(jì)聲功率級(jí)Lb的計(jì)算公式為

其中，La1, ···,La10為各通道測(cè)得聲壓級(jí)值，Lb1, ···,Lb10為各通道測(cè)得聲功率級(jí)。所有測(cè)量值均經(jīng)過(guò)背景噪音和環(huán)境修正。

其測(cè)試包絡(luò)面表面積S=2πr2，So=1 m2，r≥do，空壓機(jī)長(zhǎng)l1為422 mm，寬l2為384 mm，高l3為895 mm。可得Ls為14 dB(A)。

參考測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)量期間空壓機(jī)的工作條件。此空壓機(jī)有兩種工作狀態(tài)：一是一次啟動(dòng)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力為0 psi，充氣至120 psi及以上停止充氣；二是二次啟動(dòng)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力不為0并小于120 psi，儲(chǔ)氣罐再次充氣。本試驗(yàn)的試驗(yàn)工況選取4種，維持穩(wěn)態(tài)的且相差較大的135，90，60 psi，其中135 psi為儲(chǔ)氣罐再次充氣的二次啟動(dòng)。設(shè)置與二次啟動(dòng)作為對(duì)比的情況為0 psi。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壓力值越低其維持穩(wěn)態(tài)的能力越小，只有0 psi是空壓機(jī)接通電源后盡快測(cè)得，壓力不能保持穩(wěn)定，僅作為參考。依次在儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力值為0，60，90，135 psi 4種工況下運(yùn)行空壓機(jī)，測(cè)試空壓機(jī)在各個(gè)工況下的聲壓級(jí)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

由于噪聲信號(hào)的頻率范圍較寬(20~20 000 Hz)，頻譜復(fù)雜，一般不需要對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行具體分析，通常采用倍頻程分析方法[11]。倍頻程分析是聲功率檢測(cè)中的重要環(huán)節(jié)。在此次噪聲測(cè)量中，可使用1/3倍頻程分析將頻段精細(xì)劃分獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。采集10個(gè)通道的時(shí)域數(shù)據(jù)后，通過(guò)分析系統(tǒng)進(jìn)行傅里葉變換如式（7）所示，轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)對(duì)10個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，所有結(jié)果數(shù)據(jù)均以A計(jì)權(quán)評(píng)定。

其中|F(w)|為幅頻率，反映所測(cè)得數(shù)據(jù)聲壓級(jí)隨頻率變化規(guī)律；φ(w)為相頻，為所測(cè)得數(shù)據(jù)相位隨頻率變換規(guī)律；f(t)為時(shí)間函數(shù)。

參考文獻(xiàn)[12-16]可得處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)思路，由圖6、圖7可以看出4種工況下空壓機(jī)的噪聲變化規(guī)律基本一致。頻率由20 H至40 Hz，噪聲逐漸增大，在50~63 Hz處有一個(gè)突變的小高峰，之后下降，再在125 Hz處迎來(lái)一個(gè)小高峰，再下降后逐步上升，在800 Hz處噪聲達(dá)到最高峰約為100 dB，之后基本維持不變。從整體上看，500~1 000 Hz頻率的聲功率級(jí)較大且穩(wěn)定，為主要噪聲來(lái)源。

圖6 4種工況下整體的1/3倍頻譜分析圖

圖7 4種工況下局部的1/3倍頻譜分析圖

對(duì)0，60，90，135 psi 4種工況進(jìn)行傅里葉變換和頻譜分析所得合計(jì)聲功率級(jí)和合計(jì)聲壓級(jí)如表2所示。不同工況下兩者數(shù)值均隨著壓力值增大而減小，研究噪聲情況可從最穩(wěn)定的135 psi著手進(jìn)行分析。

表2 4種工況下的噪聲值

工作壓力為135 psi時(shí)，整個(gè)頻率段下的10個(gè)通道測(cè)得數(shù)據(jù)如圖8所示，圖9為前面頻率段密集區(qū)域。平均聲壓級(jí)與各個(gè)通道的變化趨勢(shì)基本相同，僅考慮聲壓級(jí)較高的頻率，在500~1 000 Hz平均聲壓級(jí)處于75.1~86.3 dB之間，均小于合計(jì)聲壓級(jí)89.7 dB。因此平均聲壓級(jí)可作為衡量整機(jī)的聲壓級(jí)的數(shù)據(jù)。與圖6對(duì)比可知，聲壓級(jí)和聲功率級(jí)的變化規(guī)律是基本一致的。

由式（6）可計(jì)算4種工況各個(gè)頻率對(duì)聲功率影響所占的百分比，統(tǒng)計(jì)情況如表3所示（僅展示前6項(xiàng)數(shù)據(jù)）。

由表可知，135 psi和90 psi主要頻率重合性很高，均包含800，630，2 000，1 000，1 600 Hz；60 psi與前兩者重合的頻率為800，630，1 000 Hz；0 psi重合的頻率為800 Hz和1 000 Hz。在0 psi工況中630 Hz所占百分比是4.67%，比重不小。135，90，60，0 psi工況下占比最高的頻率均為800 Hz。0 psi時(shí)，各個(gè)頻率所占比例較其他3種更小，且由于空壓機(jī)在0 psi時(shí)維持時(shí)間短，工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致其參考性較小?？諌簷C(jī)一般使用壓力均接近其工作壓力，135 psi和90 psi為主要參考依據(jù)，60 psi僅作為參照。綜上可得，空壓機(jī)的主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。

空壓機(jī)的主要噪聲來(lái)源可以分為進(jìn)排口噪聲、機(jī)械噪聲、電磁噪聲。因?yàn)榭諡V器的存在，使得進(jìn)氣噪聲的頻率主要為泵頭氣缸內(nèi)氣體脈動(dòng)；機(jī)械噪聲為主要零部件泵頭連桿處的運(yùn)行及共振的噪聲，電機(jī)部分的零部件也會(huì)受到電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生相關(guān)振動(dòng)噪聲?？捎没l與分析所得頻率進(jìn)行比較確定噪聲源。

圖8 整個(gè)頻率段下的10個(gè)通道及整個(gè)測(cè)試狀況下頻率與聲壓級(jí)關(guān)系

圖9 部分頻率段下的10個(gè)通道及整個(gè)測(cè)試狀況下頻率與聲壓級(jí)關(guān)系

基頻與空壓機(jī)中零部件轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

式中i為氣缸個(gè)數(shù)，為1個(gè)；n為零部件轉(zhuǎn)速，r/min；n1為連桿的轉(zhuǎn)速，r/min；n'為電機(jī)轉(zhuǎn)速，工作時(shí)一直在14 680~15 026 r/min之間變化；η為電機(jī)轉(zhuǎn)速到曲軸連桿上的傳動(dòng)比，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知聯(lián)軸器無(wú)傳動(dòng)的損失，應(yīng)為同步帶的傳動(dòng)比4.61。則可得，244.67~250.43 Hz為電機(jī)的基頻f1取值范圍，53.07~54.32 Hz為泵頭連桿附近部件及氣體的基頻f2取值范圍。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果：空壓機(jī)的主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。計(jì)算可知800 Hz，630 Hz和1 600 Hz約為f2的整數(shù)倍，噪聲來(lái)源為泵頭連桿附近部件及氣體；1 000 Hz和2 000 Hz為f1的整數(shù)倍，噪聲來(lái)源為電機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)成本低廉，容易維修，用途廣泛，但因高噪聲限制了發(fā)展。為解決噪聲問(wèn)題，需要進(jìn)行試驗(yàn)識(shí)別空壓機(jī)的主要噪聲源。本文通過(guò)聲壓法利并設(shè)定0，60，90，135 psi 4種不同的工況，進(jìn)行了噪聲測(cè)試，得到結(jié)論如下：

表3 4種工況下噪聲主要頻率百分比

1）排除主要的空氣動(dòng)力聲噪聲，往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)所產(chǎn)生的噪音呈現(xiàn)中頻為主，高頻為輔的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與以往的噪聲以低頻為主的空壓機(jī)噪聲研究結(jié)果截然不同。

2）往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)所產(chǎn)生的噪音主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。其中，800 Hz占比重最大，可作為解決噪聲問(wèn)題的主要著手點(diǎn)。

3）往復(fù)活塞式單泵頭空壓機(jī)所產(chǎn)生的噪音主要噪聲源為泵頭氣缸蓋、空氣濾清器和曲軸附近的機(jī)體和電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中零部件的振動(dòng)。在對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，首先要考慮泵頭處的部件設(shè)計(jì)及組合。