船舶空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)噪聲源測試與分析

鄭楠楨，祝熠珺，丁 亮

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

一直以來船舶空調(diào)專業(yè)通過考核空調(diào)器本體輻射噪聲和空調(diào)艙室噪聲來評價空調(diào)設(shè)備和系統(tǒng)的噪聲水平。空調(diào)器箱體輻射噪聲從起初78 dB(A)，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在，大機組能控制到68 dB(A)，小機組控制到 65 dB(A)。而艙室噪聲水平從起初60dB(A)，逐步控制到現(xiàn)在的55 dB(A)。很明顯艙室降噪水平與空調(diào)器本體箱體輻射噪聲的降低不成正比。為了滿足以后不斷提高的艙室噪聲指標(biāo)要求，必須對空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)噪聲源進(jìn)行分析，為后續(xù)針對性噪聲治理方案提供支撐。

1 艙室噪聲源分析

艙室噪聲源主要有3部分組成：第一部分為空調(diào)器噪聲，分為送風(fēng)口噪聲、回風(fēng)和箱體輻射噪聲，送風(fēng)口噪聲以送風(fēng)管傳遞到空調(diào)艙室為主，回風(fēng)和箱體輻射噪聲通過空調(diào)器艙室回風(fēng)口、走廊和艙壁傳遞到空調(diào)艙室；第二部分為風(fēng)管內(nèi)氣流流動噪聲、布風(fēng)器出口流動噪聲和空調(diào)艙室艙壁回風(fēng)口流動噪聲，以風(fēng)管傳遞為主要途徑；第三部分為背景噪聲，以艙壁振動、艙室管路輻射傳遞和通過走廊傳遞為主[1]。噪聲傳遞見圖1。

從圖1中可見，途徑A為空調(diào)器送風(fēng)口噪聲；途徑B為空調(diào)器箱體輻射噪聲；途徑C為風(fēng)管內(nèi)氣流流動噪聲；途徑D為布風(fēng)器出口流動噪聲；途徑E為回風(fēng)口流動及輻射噪聲；途徑F為艙壁振動等其他背景噪聲。

圖1 噪聲傳遞示意圖

對于背景噪聲，主要有海浪聲和風(fēng)雨聲等自然環(huán)境噪聲和主機、發(fā)電機等設(shè)備運行噪聲，主要是非空調(diào)設(shè)備引起的，其降噪的治理手段也主要由各自設(shè)備或艙室圍壁材料解決。而對于第一部分和第二部分的艙室噪聲，可以歸納為空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)噪聲，要么是由風(fēng)系統(tǒng)直接產(chǎn)生的噪聲，要么是有風(fēng)系統(tǒng)傳遞進(jìn)艙室，而其主要噪聲源就是空調(diào)器[2]。

對于空調(diào)器的噪聲測試一直以輻射噪聲為主，并未對送風(fēng)口、回風(fēng)口和新風(fēng)口分開測試，經(jīng)過分析，空調(diào)器除了自身輻射噪聲通過艙壁影響臨近艙室外，空調(diào)器噪聲主要是通過送風(fēng)口和回風(fēng)口經(jīng)風(fēng)管影響艙室[3]，為提供艙室噪聲降噪治理依據(jù)，需要對空調(diào)器各出口噪聲進(jìn)行測試和分析，了解其噪聲特性，才能有針對性地提出空調(diào)器降噪優(yōu)化措施，最終達(dá)到降低艙室噪聲的目標(biāo)。

2 測試方案

為對空調(diào)器傳入風(fēng)系統(tǒng)中的噪聲進(jìn)行分析，先對空調(diào)器各個風(fēng)口進(jìn)行噪聲測試。為避免各風(fēng)口在測試時互相影響，測試時空調(diào)器各風(fēng)口都按實際情況安裝風(fēng)管。

2.1 測試臺架

試驗臺架中，空調(diào)箱各送風(fēng)側(cè)接管連至一靜壓箱，靜壓箱內(nèi)采用 50 mm阻燃海綿保溫層隔熱，并用穿孔消音板壓緊。靜壓箱連接一矩形風(fēng)管排風(fēng)至室外，矩形風(fēng)管上布置手動調(diào)風(fēng)門，以調(diào)節(jié)空調(diào)器額定工況。送風(fēng)、新風(fēng)和回風(fēng)皆接管排至室外，風(fēng)口和空調(diào)器由墻壁隔離，避免風(fēng)口噪聲干擾空調(diào)器噪聲測試。各矩形風(fēng)管尺寸按盡量低的風(fēng)速設(shè)計，避免產(chǎn)生氣流噪聲，風(fēng)管采用3 mm鋼板制作，外敷25 mm橡塑海綿保溫材料；圓形風(fēng)管尺寸和空調(diào)箱靜壓箱出風(fēng)口一致，采用預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管。

空調(diào)器測試布置圖如圖2所示。

圖2 空調(diào)器噪聲測試布置圖

選擇夜晚安靜環(huán)境，或環(huán)境噪聲小于機組輻射噪聲15 dB(A)，進(jìn)行測試。調(diào)整送風(fēng)管上手動調(diào)風(fēng)門，使機組的風(fēng)量、機外余壓都達(dá)到額定工況，調(diào)節(jié)新、回風(fēng)調(diào)風(fēng)門，至全開。測試空調(diào)器包括新風(fēng)口側(cè)、回風(fēng)口側(cè)和送風(fēng)口側(cè)噪聲、設(shè)備箱體輻射噪聲。其現(xiàn)場測試情況如圖3所示。

圖3 空調(diào)器噪聲實際測試臺架

輻射噪聲測點依據(jù)GJB 4058要求，在空調(diào)器四周及正上方約1 m遠(yuǎn)處測試。空調(diào)器送風(fēng)、新風(fēng)和回風(fēng)側(cè)噪聲測試點布置在風(fēng)管管道內(nèi)，由于風(fēng)道內(nèi)流速較大，為防止氣流直接作用于傳聲器振膜引起湍流和直接作用振膜而產(chǎn)生噪聲，使用鼻錐（代替?zhèn)髀暺鞅Ｗo(hù)罩），可以大大減低氣流阻力引起的噪聲。鼻錐的流線型外型可以盡可能地降低對空氣的阻力，從而降低因氣流而產(chǎn)生的噪聲影響。使用鼻錐（圖4）可以準(zhǔn)確測量空調(diào)器風(fēng)口的噪聲值。

圖4 試驗用鼻錐

空調(diào)器新風(fēng)、回風(fēng)側(cè)噪聲點應(yīng)盡量布置在靠近空調(diào)器風(fēng)口的位置，保證測試的有效性，具體測點如圖5所示。

圖5 聲學(xué)測點具體布置

2.2 風(fēng)量、風(fēng)壓測試

空調(diào)器額定風(fēng)量、風(fēng)壓測試參照GB/T 14294—2008《組合式空調(diào)機組》中關(guān)于現(xiàn)場風(fēng)量和風(fēng)壓的測試方案。通過測試在新風(fēng)、回風(fēng)側(cè)布置的25個絲網(wǎng)測點的平均風(fēng)速，計算空調(diào)器新風(fēng)量和回風(fēng)量；通過布置在靜壓箱后矩形風(fēng)管上靜壓環(huán)測試空調(diào)器機外余壓。

2.3 數(shù)采系統(tǒng)

采用美國國家儀器NI公司的9 234卡，采樣精度 24位，最高采樣頻率 51.2 kHz，動態(tài)范圍102 dB，采用USB2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集系統(tǒng)如圖6所示。傳聲器使用丹麥BK公司的4942型號，聲壓精度在±0.2 dB。

圖6 采樣系統(tǒng)

2.4 測試對象

測試對象為可變風(fēng)量間接式空調(diào)器在8個倍頻帶中心頻率下的送風(fēng)、新風(fēng)和回風(fēng)側(cè)噪聲以及機組箱體輻射噪聲。測量的各間接式空調(diào)器額定風(fēng)量范圍為4 000 m3/h～10 000 m3/h；機外余壓為～1 400 Pa。測試空調(diào)器參數(shù)見表1。

表1 聲測試空調(diào)器型號

3 測試結(jié)果及分析

3.1 回風(fēng)側(cè)聲特性

3.1.1 回風(fēng)側(cè)聲壓級總體特性

通過調(diào)節(jié)送風(fēng)口調(diào)風(fēng)門，使空調(diào)器風(fēng)量在110%、100%、80%和60%流量工況下，分別測試回風(fēng)側(cè)聲壓級。測試結(jié)果：回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速變化較大，100型空調(diào)器從5.5 m/s到1.6 m/s；122型空調(diào)器從4.2 m/s到0.6 m/s，回風(fēng)側(cè)風(fēng)速變化在80%量級。

隨著回風(fēng)側(cè)風(fēng)速的降低，回風(fēng)側(cè)聲壓級有下降的趨勢，但是整體而言，聲壓級變化不大，處于±4 dB之間，以122型號回風(fēng)側(cè)額定風(fēng)量下聲壓級～88 dBA為基準(zhǔn)，回風(fēng)側(cè)聲壓級變化幅度在5%，從工程上可以近似忽略不計。所以，回風(fēng)側(cè)處的氣流噪聲對回風(fēng)側(cè)聲壓級的貢獻(xiàn)比較低，其聲壓級與回風(fēng)側(cè)處的氣流噪聲關(guān)聯(lián)小，主要由空調(diào)設(shè)備內(nèi)部噪聲傳出。

3.1.2 同型空調(diào)器不同工況

圖7為各種風(fēng)量工況下的回風(fēng)側(cè)倍頻程特性。一倍頻程在頻域上呈現(xiàn)近M型分布，隨頻率增加，聲壓級先變高再變低，在中心頻率125 Hz和1 000 Hz左右聲壓級較大。因此，從后期消聲隔聲的角度考慮，消聲器插入損失或者吸聲材料發(fā)生作用的頻段范圍集中在 500 Hz～2 000 Hz內(nèi)，降噪效果較好。

圖7 不同風(fēng)量下空調(diào)器回風(fēng)側(cè)倍頻程特性

同樣地，回風(fēng)側(cè)處的平均速度值對于各頻段的聲壓影響較小，在聲頻范圍內(nèi)無明顯突出的頻率段，中頻段500 Hz～2 000 Hz對聲壓級整體貢獻(xiàn)較大。

3.1.3 不同空調(diào)器

圖8為3種測試型號空調(diào)器的回風(fēng)側(cè)聲壓級倍頻程。由前文可知，三型空調(diào)器的送風(fēng)機型號不同，回風(fēng)側(cè)風(fēng)量亦不一樣，風(fēng)速差別大，但是回風(fēng)側(cè)的倍頻程特性比較接近。所以，在回風(fēng)側(cè)連接管道進(jìn)行聲壓級測試情況下，回風(fēng)側(cè)的聲壓級與回風(fēng)側(cè)速度關(guān)聯(lián)很小，甚至與空調(diào)器無關(guān)。當(dāng)然，這需限制在一定的范圍內(nèi)，如常規(guī)的船用空調(diào)器工況，采用的是常規(guī)的消聲措施方式。

圖8 不同型號空調(diào)器回風(fēng)側(cè)聲壓級

3.2 新風(fēng)側(cè)聲特性

3.2.1 新風(fēng)側(cè)聲壓級總體特征

新風(fēng)側(cè)噪聲特性與回風(fēng)側(cè)基本一致，這和一般的認(rèn)識相符。這也說明新風(fēng)、回風(fēng)側(cè)的噪聲產(chǎn)生機理一本一致，圖9為65型空調(diào)，新風(fēng)、回風(fēng)側(cè)噪聲特性對比。

圖9 新風(fēng)、回風(fēng)側(cè)噪聲特性對比

3.3 送風(fēng)側(cè)聲特性

3.3.1 送風(fēng)側(cè)聲壓級總體特征

測試結(jié)果表明，在額定工況下，送風(fēng)側(cè)聲壓級在～100 dB左右，隨著總風(fēng)量的降低，送風(fēng)側(cè)流速下降，送風(fēng)側(cè)聲壓級也降低，在60%風(fēng)量工況下，送風(fēng)側(cè)聲壓級在～90 dB左右，比額定工況下降約10 dB，三型空調(diào)器都表明了該特性。

重新整體風(fēng)口聲壓級數(shù)據(jù)，以風(fēng)口流速為橫坐標(biāo)，聲壓級為縱坐標(biāo)，如圖10所示，明顯看出，整體而言，聲壓級送風(fēng)側(cè)>新風(fēng)>回風(fēng)，送風(fēng)側(cè)聲壓級與送風(fēng)速度呈正相關(guān)趨勢。

圖10 新回送風(fēng)側(cè)聲壓級-速度關(guān)系

以對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，送風(fēng)聲壓與送風(fēng)側(cè)速度擬合數(shù)學(xué)關(guān)系為

SPL送=31.63Ln(v)+33.32

式中：v為送風(fēng)平均速度，m/s。

式中：Q為總送風(fēng)量；s為總送風(fēng)量。

當(dāng)然，送風(fēng)聲壓與周邊環(huán)境、風(fēng)機工況、吸聲措施等有較大關(guān)系，上述公式主要適用于此次測試的 VQN型號系列風(fēng)機，以及常規(guī)消聲、隔聲處理的空調(diào)器，并不具有嚴(yán)格意義上的普適性。

3.3.2 同型空調(diào)器不同工況

圖11為各種流量工況下的送風(fēng)側(cè)倍頻程特性。其倍頻程頻率總體呈拋物線分布，主要在中心頻率250 Hz左右的聲壓級較大。從后期消聲隔聲的角度考慮，消聲器插入損失或者吸聲材料發(fā)生作用的頻段范圍集中在100 Hz～500 Hz的頻率段內(nèi)，降噪效果較好。

圖11 不同風(fēng)量下空調(diào)器送風(fēng)側(cè)倍頻程特性

3.3.3 不同空調(diào)器

圖12為3種測試型號空調(diào)器的送風(fēng)側(cè)聲壓級倍頻程。三型空調(diào)器的送風(fēng)側(cè)頻譜特性比較接近，經(jīng)過500 Hz中心頻率后迅速下降，總聲壓級亦隨送風(fēng)速度指數(shù)關(guān)系變化。

圖12 不同型號空調(diào)器送風(fēng)側(cè)聲壓頻譜

3.4 輻射聲特性

3.4.1 輻射聲總體特性

表2為三型空調(diào)器的輻射聲學(xué)特性。

表2 測試空調(diào)器輻射聲學(xué)特性（單位：dB(A)）

每個空調(diào)器共測試上前后左右共計5個點的輻射聲壓，并取平均值。輻射聲壓有隨著空調(diào)器風(fēng)量增大而變大的趨勢。

將三型空調(diào)器各工況的風(fēng)量、聲壓整理成曲線如圖13所示。

圖13 風(fēng)量-輻射聲壓關(guān)系

以空調(diào)器總風(fēng)量為橫坐標(biāo)，聲壓級為縱坐標(biāo)，按照對數(shù)關(guān)系擬合其關(guān)系式得

式中：Q為空調(diào)器總風(fēng)量，m3/h。

3.4.2 同型空調(diào)器不同工況

圖13為各種流量工況下的輻射倍頻程特性。聲壓能量主要集中在500 Hz～2 000 Hz，其高頻段衰減較慢。從后期箱體隔聲的角度考慮，吸音棉發(fā)生作用的頻段范圍集中在500 Hz～2 000 Hz（如果過寬，可選1000 Hz）的頻率段內(nèi)，降噪效果較好。

圖14 不同風(fēng)量下空調(diào)器送風(fēng)側(cè)倍頻程特性

3.4.3 不同空調(diào)器

圖14所示為3種測試型號空調(diào)器的輻射聲壓級倍頻程。三型空調(diào)器的送風(fēng)側(cè)頻譜特征比較接近，經(jīng)過2 000 Hz中心頻率后緩慢下降，總聲壓級亦隨送風(fēng)風(fēng)量呈指數(shù)關(guān)系變化。

圖15 型號空調(diào)器輻射聲壓頻譜

3.5 測試結(jié)論

通過分析噪聲的傳遞特性，艙室噪聲受空調(diào)器風(fēng)口側(cè)的影響更大，較先前普遍著重對空調(diào)器輻射噪聲的降噪消聲，艙室空調(diào)降噪工作應(yīng)著重于空調(diào)器各風(fēng)口側(cè)的噪聲測試和分析。

為后續(xù)針對性的降噪消聲工作提供合理可靠的實際測試數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)論，總結(jié)各風(fēng)口典型頻譜特性如圖16所示，得出以下結(jié)論。

圖16 各風(fēng)口典型聲頻特性

1）回風(fēng)側(cè)處的氣流噪聲對回風(fēng)側(cè)聲壓級的貢獻(xiàn)比較低，主要由空調(diào)設(shè)備內(nèi)部噪聲傳出。從聲頻譜看，中頻段500 Hz～2 000 Hz對聲壓級整體貢獻(xiàn)較大。

2）新風(fēng)側(cè)特性與回風(fēng)側(cè)相似，中頻段500Hz～2 000 Hz對聲壓級整體貢獻(xiàn)較大。

3）送風(fēng)側(cè)聲壓級與送風(fēng)機的關(guān)聯(lián)較大，其倍頻程頻率總體呈拋物線分布，主要在中心頻率250 Hz左右的聲壓級較大，主要聲壓頻段集中在中心頻率100 Hz～500 Hz范圍內(nèi)。

4）輻射聲壓能量主要集中在 500 Hz～2000Hz，其高頻段衰減較慢。輻射聲壓有隨著空調(diào)器風(fēng)量增大而變大的趨勢。

4 結(jié)論

相較以往只是單純測試空調(diào)器輻射噪聲，本次研究著重對各風(fēng)口噪聲進(jìn)行測試和分析，結(jié)合噪聲產(chǎn)生、傳遞和消減的機理，分析影響艙室空調(diào)噪聲的主要因素，主要對如下研究工作提供研究基礎(chǔ)和測試積累。

1）結(jié)合測試結(jié)果與聲頻譜分析，能夠?qū)照{(diào)器本體噪聲進(jìn)行針對性優(yōu)化措施，包括在新風(fēng)、回風(fēng)口設(shè)置回風(fēng)格柵，阻擋噪聲的傳出；在送風(fēng)口配置適當(dāng)?shù)南暺?，消減空調(diào)器傳遞至艙室的噪聲；空調(diào)器箱體針對輻射噪聲頻譜特性配置合適的吸聲材料等。

2）根據(jù)輻射噪聲歸納擬合的空調(diào)器輻射噪聲預(yù)報公式，對空調(diào)器輻射噪聲進(jìn)行預(yù)報和控制，制定相關(guān)設(shè)計指標(biāo)。

3）本研究初步探究了空調(diào)器各風(fēng)口側(cè)噪聲的測試方案，可以為行業(yè)制定更高標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)器測試要求提供借鑒。

4）對艙室空調(diào)噪聲預(yù)報計算提供噪聲源數(shù)據(jù)。由于空調(diào)器是艙室空調(diào)噪聲的主要噪聲源，空調(diào)器送風(fēng)口噪聲是艙室空調(diào)噪聲計算不可或缺的重要部分，先前的研究中艙室空調(diào)噪聲預(yù)報時，都是以與風(fēng)機相關(guān)的理論公式作為預(yù)報計算源頭，結(jié)合本研究測試，能是預(yù)報計算更貼近實際，進(jìn)一步提高預(yù)報準(zhǔn)確度。