風(fēng)機(jī)類旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲分析方案

白長安 周澤 康強(qiáng)

摘要：本文介紹了工業(yè)產(chǎn)品在工作過程中配備的通風(fēng)、散熱風(fēng)機(jī)裝置的風(fēng)機(jī)噪聲特點(diǎn)、傳播路徑，以及基于聲學(xué)仿真技術(shù)的風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品噪聲模擬技術(shù)。并利用MSCActran的旋轉(zhuǎn)機(jī)械（風(fēng)機(jī)）氣動(dòng)噪聲仿真功能和流道湍流氣動(dòng)噪聲仿真功能，結(jié)合風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)模擬及研究案例，分析了風(fēng)機(jī)在箱體內(nèi)的安裝效應(yīng)對噪聲的影響，并設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)噪聲;氣動(dòng)噪聲仿真;風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)模擬

1 引言

近年來，風(fēng)機(jī)類旋轉(zhuǎn)機(jī)械如散熱風(fēng)扇、壓縮機(jī)、水泵和螺旋槳等設(shè)備的噪聲越來越受到人們的關(guān)注，噪聲指標(biāo)慢慢成為風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品出廠的重要指標(biāo)，時(shí)刻考驗(yàn)著設(shè)計(jì)人員和分析人員敏感的神經(jīng)。設(shè)計(jì)研發(fā)出低噪聲的風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品便可以成為市場上的一大賣點(diǎn)，如近年來空調(diào)研發(fā)企業(yè)的低噪音空調(diào)，某品牌低噪音榨汁機(jī)等。

工業(yè)產(chǎn)品如機(jī)載設(shè)備在工作過程中由于通風(fēng)、散熱的需要通常會(huì)配備風(fēng)機(jī)裝置。風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中由于葉片的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)以及帶動(dòng)附近空氣的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻譜特定的噪聲源。風(fēng)機(jī)噪聲源通過一定的傳遞路徑，如機(jī)箱和流道等傳到外部對環(huán)境噪聲形成重要貢獻(xiàn)。為了有效控制整機(jī)工作過程中的整體噪聲值，設(shè)計(jì)人員需要有目的性的對風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行研究，主要包括對噪聲的預(yù)測以及對降噪手段的設(shè)計(jì)。

2 風(fēng)機(jī)噪聲特點(diǎn)

按照風(fēng)機(jī)的類型，主要可以分為兩大類：軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)。二者特點(diǎn)如圖1所示。

對于任何風(fēng)機(jī)，其氣動(dòng)噪聲頻譜主要有由兩類頻率內(nèi)容構(gòu)成，如圖2所示。

（1）葉片通過頻率噪聲：由于葉片的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致在特定基頻與倍頻產(chǎn)生離散噪聲。該部分噪聲與葉輪的旋轉(zhuǎn)有關(guān)。特別在高速、低負(fù)荷情況下，這種噪聲尤為突出。離散噪聲是由于葉片周圍不對稱結(jié)構(gòu)與葉片旋轉(zhuǎn)所形成的周向不均勻流場相互作用而產(chǎn)生的噪聲。一般認(rèn)為有3種：進(jìn)風(fēng)口前，由于前導(dǎo)葉或金屬網(wǎng)罩存在而產(chǎn)生的進(jìn)氣干涉噪聲;葉片在不光滑或不對稱機(jī)殼中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率噪聲;離心出風(fēng)口，由于蝸舌的存在或軸流式風(fēng)機(jī)后導(dǎo)葉的存在而產(chǎn)生的出口干涉噪聲。離散噪聲具有離散的頻譜特性，基頻噪聲最強(qiáng)，高次諧波依此遞減。

（2）寬頻渦流噪聲：由湍流產(chǎn)生的寬頻噪聲，在整個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)無非常明顯的起伏。寬頻渦流噪聲是由氣流流動(dòng)時(shí)的各種分離渦流產(chǎn)生的，一般認(rèn)為有4種成因：當(dāng)具有一定的來流紊流度的氣流流向葉片時(shí)產(chǎn)生的來流紊流噪聲;氣流流經(jīng)葉片表面由于脈動(dòng)的紊流附面層產(chǎn)生的紊流邊界層噪聲;由于葉片表面紊流附面層在葉片尾緣脫落產(chǎn)生的脫體旋渦噪聲;軸流通風(fēng)機(jī)由于凹面壓力大于凸面，而在葉片頂端產(chǎn)生的由凹面流向凸面的二次流被主氣流帶走形成的頂渦流噪聲。

3 風(fēng)機(jī)噪聲傳播路徑

風(fēng)機(jī)噪聲主要由上面章節(jié)提到的葉片通過頻率噪聲產(chǎn)生，通過空氣介質(zhì)傳到周圍環(huán)境中。除此之外，風(fēng)機(jī)的安裝環(huán)境會(huì)對風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生影響：如反射、隔聲和吸聲作用等。若不考慮安裝環(huán)境，風(fēng)機(jī)的噪聲為直接噪聲;若安裝環(huán)境較為復(fù)雜則會(huì)對風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生較大影響，我們稱此部分由安裝產(chǎn)生的噪聲為非直接噪聲。圖3、4列舉了不同風(fēng)機(jī)類型的直接噪聲與非直接噪聲。

測量到的風(fēng)機(jī)噪聲一般來源于兩類傳播路徑：（1）直接噪聲（Direct noise）：噪聲不受阻擋直接傳播的測點(diǎn)。（2）非直接噪聲（Indirect noise）：噪聲受到環(huán)境的反射，吸、隔聲后傳到測點(diǎn)。

對于包含機(jī)箱、流道的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，一般屬于高非直接噪聲的系統(tǒng)，需要考慮：（1）機(jī)箱對于風(fēng)機(jī)噪聲的影響，包括機(jī)箱隔聲或內(nèi)部的吸聲材料;（2）流道內(nèi)若產(chǎn)生速度較高的湍流會(huì)引起氣動(dòng)噪聲，或稱二次噪聲。

4 基于聲學(xué)仿真技術(shù)的風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品噪聲模擬技術(shù)

4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械（風(fēng)機(jī)）氣動(dòng)噪聲仿真功能

MSCActran的氣動(dòng)噪聲功能（Aero-Acoustics）一直受到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，在風(fēng)機(jī)類旋轉(zhuǎn)噪聲、車輛風(fēng)噪聲、空調(diào)管路噪聲和船舶螺旋槳噪聲等方面都有大量應(yīng)用。Actran可以仿真旋轉(zhuǎn)域的氣動(dòng)噪聲問題，包括風(fēng)扇噪聲和壓縮機(jī)噪聲等問題。Actran提供多種旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲仿真方式：包括與CFD滑移網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果聯(lián)合計(jì)算寬頻噪聲與葉片通過頻率噪聲;與CFD的MRF或NLH仿真結(jié)果聯(lián)合仿真葉片通過頻率噪聲;或者直接使用解析葉片噪聲源，而無須CFD結(jié)果即可模擬葉片噪聲。

Actran與絕大多數(shù)CFD軟件具備良好接口，如可以直接導(dǎo)入FLUENT、STAR-CCM+、SC/Flow、OpenFoam和AcuSolve的結(jié)果文件，其他CFD軟件（如CFX，PowerFlow等）的結(jié)果文件可以通過Ensight Gold或CGNS格式導(dǎo)入;軟件可以在計(jì)算域中定義任何邊界，模擬聲反射、聲透射和吸聲等現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜的氣動(dòng)-振動(dòng)噪聲問題的綜合模擬，比如在計(jì)算風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的同時(shí)，可以計(jì)算得到風(fēng)機(jī)殼體的振動(dòng)結(jié)果。風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品的噪聲研究主要采用CFD（Computational Fluid Dynamics）+CAA（Computational Aero-Acoustics）方法，其計(jì)算方法流程如圖5所示，主要技術(shù)優(yōu)勢在于：預(yù)測方法經(jīng)過精確的驗(yàn)證;效率比單純使用CFD軟件進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算速度更快;與大多數(shù)CFD軟件有接口;遠(yuǎn)場聲傳播通過噪聲;殼體設(shè)計(jì)與振動(dòng)聲學(xué)耦合計(jì)算。

為驗(yàn)證本文建立的旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計(jì)算得到的殼體表面振動(dòng)加速度以及遠(yuǎn)場噪聲與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

試驗(yàn)中測試殼體徑向及散熱片上相應(yīng)測點(diǎn)的加速度信號，測點(diǎn)位置如圖15所示，（a）為殼體徑向圖，（b）為散熱片;仿真模型中取相同位置的測點(diǎn)，將轉(zhuǎn)速分別為2 200 r/min，2 600 r/min，3 000 r/min，3 400 r/min情況下的振動(dòng)加速度頻譜曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖16所示，圖16（a）表示殼體徑向的加速度，圖16（b）表示散熱片法向的加速度。

從圖16中看到，仿真得到的加速度頻譜與試驗(yàn)測試得到的結(jié)果從總體上看是比較吻合的，主要的高頻成分基本都可以體現(xiàn)，尤其是葉片通過頻率。但是由于試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)上還帶著驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此在試驗(yàn)結(jié)果中還夾雜著有驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的振動(dòng)頻率。此外，仿真中只是考慮內(nèi)流場及氣動(dòng)噪聲引起的殼體振動(dòng)，而試驗(yàn)中測試的振動(dòng)還包括旋渦風(fēng)機(jī)自身的機(jī)械振動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的振動(dòng)，因此試驗(yàn)曲線的能量要比仿真結(jié)果更大。

將仿真和試驗(yàn)得到的c2點(diǎn)的聲壓級頻譜進(jìn)行對比，如圖17所示。由于基本考慮到了各部件對聲傳播的影響，因此計(jì)算結(jié)果顯然更加接近實(shí)際值。

由于試驗(yàn)測試的噪聲還包括機(jī)械部件振動(dòng)引起的遠(yuǎn)場噪聲，理論上各頻率下的仿真值應(yīng)該要略小于試驗(yàn)值。但是由于仿真計(jì)算本身的誤差，使得仿真計(jì)算結(jié)果從總體上看在各頻率處相對于試驗(yàn)值有高有低，但是在最高的峰值頻率葉片通過頻率處仿真值略小于試驗(yàn)值。最后計(jì)算得到的總聲壓級較試驗(yàn)值偏小1 dB（A）左右，工程上是可接受的。因此可以利用旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)有限元方法，進(jìn)一步研究不同葉輪參數(shù)對旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響程度。將3 000 r/min工況下的不同方向場點(diǎn)的聲壓級計(jì)算出來，可繪制旋渦風(fēng)機(jī)噪聲總聲壓級的指向性圖。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，如圖18所示。

試驗(yàn)中只在旋渦風(fēng)機(jī)中心水平面以上布置了聲壓傳感器，從而看到圖18中噪聲指向性圖只有一半。由于試驗(yàn)中在x方向上有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和氣體管路，測試中并沒有將這兩者產(chǎn)生的噪聲與旋渦風(fēng)機(jī)的噪聲隔離，且這兩者離x方向布置的聲壓傳感器較近，從圖18中看出，噪聲吻合較好。

6 結(jié)語

風(fēng)機(jī)作為通用機(jī)械，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中具有廣泛的應(yīng)用，提高其設(shè)計(jì)效率、降低其運(yùn)行噪聲和振動(dòng)具有很大現(xiàn)實(shí)意義。風(fēng)機(jī)噪聲是重要的質(zhì)量指標(biāo)，它即是考核產(chǎn)品對環(huán)境噪聲污染的量化指標(biāo)，也可以反映風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。同時(shí)，噪聲影響人們的工作學(xué)習(xí)和身體健康。實(shí)際上，在中國城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)于2008年10月1號國家環(huán)境保護(hù)部頒布實(shí)施了3套新的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對工業(yè)企業(yè)和居民生活環(huán)境噪聲的排放要求做了嚴(yán)格的規(guī)定。此處僅列舉標(biāo)注名稱：GB3096-2008-《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB12348-2008-《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB22337-2008-《社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》;而在特殊工作環(huán)境和軍用領(lǐng)域，噪聲標(biāo)準(zhǔn)還要高。所以各研發(fā)單位越來越重視對風(fēng)機(jī)類旋轉(zhuǎn)機(jī)械類產(chǎn)品的噪聲研究，而MSCActran已經(jīng)成為主流的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真工具。

參考文獻(xiàn)

[1] A. Talbot，Y. Detandt，F(xiàn)ree Field Technologies. Numerical aeroacoustic analysis ofsmall cooling fans for electronicdevices.Fan Noise 2018Conference.

[2]M. Darvish， S. Frank， HTW. Numerical Investigations on the Noise Characteristics of a Radial Fan with Forward Curved Blades. STAR Global Conference 2013.

[3]Julien Manera， Yves Detandt，F(xiàn)ree Field Technologies. Aero-Acoustic predictions of automotive instrument panel ducts. SAE， 2009-01-2237.

[4]康強(qiáng)，左曙光.燃料電池車用旋渦風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)及仿真研究[J].汽車工程，2014（V36）S236-242.