一種簡單快速評估壓縮機廠房內(nèi)噪聲的方法

唐佳麗 孫鑫 石翠萍

摘要：大型壓縮機廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空等領(lǐng)域。壓縮機廠房主要有三類噪聲源：壓縮機組、管網(wǎng)、及調(diào)節(jié)閥。但是，一般廠房降噪設(shè)計的輸入僅考慮壓縮機組，這樣可能導(dǎo)致廠房噪聲排放不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致需后期進(jìn)行噪聲治理。廠房建設(shè)前，無法做到通過現(xiàn)場測試得到廠房噪聲。而動則幾千平方的廠房尺寸，且設(shè)置多臺套壓縮機組、大量管網(wǎng)閥門，使得有限元分析計算量巨大，對廠房內(nèi)的噪聲分布進(jìn)行精確計算的成本巨大。本文基于理論及經(jīng)驗提出了一種可簡單快速評估壓縮機廠房內(nèi)噪聲的方法，并通過與某已建壓縮機廠房內(nèi)聲級計測得的A計權(quán)聲壓級進(jìn)行比對證明該方法切實可行。采用本方法考慮了廠房內(nèi)所有聲源后得出的聲壓級頻譜，更有利于指導(dǎo)廠房各方面的噪聲設(shè)計。

Abstract： Large compressors are widely used in petroleum， chemical and aviation industry. There are three major noise sources： compressors， pipe network， and control valves. However， noise reduction design input for plants are usually compressors， which may result in that noise emission does not meet the relevant standard. These plants should take steps to reduce noise emission， such as sound-absorbing dispose for walls， etc. The noise in plant cannot be measured before the plant being constructed. The computation cost for noise distribution in plant with FEM calculation is huge， considering several thousand square meters of plant space and several noise sources. A simple and quick evaluation method for noise in compressor plant， which is based on theory and experience， is presented in this paper. The method is proven with the comparison between the method results and measured A-weighted sound pressure level （SPL） in a compressor plant. The calculated SPL spectrum is beneficial to guide the noise reduction design for plants.

關(guān)鍵詞：聲壓級;噪聲評估;壓縮機廠房;簡單快速

Key words： sound pressure level （SPL）;noise evaluation;compressor plant;simple and quick

中圖分類號：TB535? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0135-03

0? 引言

大型壓縮機廣泛應(yīng)用于石油、化工[1]、航空[2]、天然氣[3]等領(lǐng)域，壓縮機所生產(chǎn)的壓縮氣體通過管網(wǎng)輸送至指定用戶。壓縮機在運行過程中會產(chǎn)生較高的噪聲[3-6]，輸送壓縮氣體的管網(wǎng)上一般布置有調(diào)節(jié)閥，在節(jié)流狀態(tài)下也會產(chǎn)生噪聲[7]，壓縮機及調(diào)節(jié)閥的噪聲均會在管道內(nèi)傳播，通過管壁向外輻射噪聲，管道輻射噪聲具有線聲源特點，衰減慢，產(chǎn)生的噪聲影響不容小覷[8]。

通常，為了使壓縮機廠房的噪聲排放達(dá)到《GB12348-2008 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》，對廠房的屋頂、墻壁、進(jìn)排氣口、門窗等均需根據(jù)降噪基本理論進(jìn)行設(shè)計[3，4]，一般的降噪設(shè)計輸入均取廠房內(nèi)壓縮機的總聲級[3， 4]或聲功率頻譜[9]。然而，壓縮機廠房內(nèi)一般均布置大量管道及調(diào)節(jié)閥，在廠房降噪設(shè)計輸入中忽略管道及調(diào)節(jié)閥輻射噪聲，可能會使廠房降噪設(shè)計偏離預(yù)期。若建成后的廠房噪聲排放不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則需對已建廠房進(jìn)行噪聲治理，有許多已建廠房因不符合相關(guān)噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求而進(jìn)行噪聲治理的案例[10-16]。因此，盡可能的將廠房內(nèi)的噪聲源均考慮在降噪設(shè)計中。

然而，一般的壓縮機廠房均布置多臺壓縮機、大量管網(wǎng)，且動則幾千平方的廠房尺寸使得有限元分析計算量巨大，對廠房內(nèi)的噪聲分布進(jìn)行精確計算顯得非常困難。本文基于理論及經(jīng)驗給出了一種可簡單快速評估壓縮機廠房內(nèi)聲壓級頻譜的方法，并通過與某已建壓縮機廠房內(nèi)聲級計測得的數(shù)值進(jìn)行比對證明該方法切實可行。

1? 噪聲評估方法

壓縮機廠房內(nèi)的噪聲源分為三類：壓縮機、調(diào)節(jié)閥、管道。噪聲評估方法為：首先分別計算各類噪聲源的泄漏聲功率級頻譜;接著計算廠房內(nèi)所有聲源的總聲功率級頻譜;根據(jù)統(tǒng)計聲學(xué)，可以假設(shè)廠房內(nèi)聲場為擴散聲場[18]，計算廠房內(nèi)的總聲壓級頻譜。

1.1 壓縮機泄漏噪聲

壓縮機廠家一般會提供壓縮機的泄漏聲功率級頻譜，同時會提供壓縮機進(jìn)氣管道、出氣管道以及放空管道內(nèi)的聲功率級頻譜。一般地，在廠房建設(shè)前是無法通過現(xiàn)場試驗測得壓縮機泄漏噪聲的。雖然也有文獻(xiàn)報道[17]可通過對設(shè)置在其他現(xiàn)場中的同類設(shè)備進(jìn)行測量并計算得到其聲功率級頻譜，但是需建立在可找到其他現(xiàn)場同類設(shè)備且現(xiàn)場運行條件接近的條件下實施，且也不能證明現(xiàn)場實測即比廠家提供值精確。因此，取廠家提供的聲功率級頻譜作為設(shè)計輸入。

1.2 調(diào)節(jié)閥泄漏噪聲

不同于化工等行業(yè)的單一工況長時間運行，作為航空發(fā)動機零部件試驗配套氣源的壓縮機組，需要供應(yīng)多種不同工況的壓縮氣體給不同試驗器，因此一般配備多根總管，且總管上多配備放空調(diào)節(jié)閥，同時壓縮機本身配備防喘振調(diào)節(jié)閥，這些調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)工況下會產(chǎn)生大的噪聲。調(diào)節(jié)閥噪聲可根據(jù)《IEC6-534-8-3：2010：Noise Considerations- Control valve aerodynamic noise prediction method》計算，需注意的是該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于基于理想氣體定律的單相干燥氣體或蒸汽，僅考慮氣體動力流流經(jīng)控制閥及相連管道所產(chǎn)生的噪聲，僅適用于鋼制或鋼鐵合金制管道。

1.3 管道泄漏噪聲

管道與壓縮機進(jìn)出口、調(diào)節(jié)閥相連，壓縮機進(jìn)出口的氣動噪聲及調(diào)節(jié)閥的氣動噪聲均會在管道內(nèi)傳播，同時沿管道向外輻射，當(dāng)管道直徑超過200mm時，管道表面輻射的噪聲對環(huán)境的干擾就不可忽視，在管道附近區(qū)域，管道輻射出來的聲源具有線聲源的特點，以柱面向外輻射聲能[8]。

雖然根據(jù)截止頻率公式[18]，對于一個直徑為200mm的圓柱形管道，其截止頻率約為1024Hz，即僅頻率低于1024Hz的聲波在該管道內(nèi)可認(rèn)為是以平面波形式傳播（管道內(nèi)各處聲功率相等），而截止頻率與管道直徑成反比。一般地，壓縮機廠房管道直徑高于200mm，對于壓縮機及調(diào)節(jié)閥這種寬頻特點的噪聲源來說，其在管道內(nèi)的聲波傳播已不能簡單以平面波形式處理。但是，高于截止頻率的聲波也可激發(fā)高次波在管道內(nèi)傳播，且當(dāng)頻率遠(yuǎn)高于對應(yīng)的簡正頻率時，高次波的衰減并不嚴(yán)重[18]。因此，可以簡單將每一段管道上的各個噪聲源的聲功率頻譜疊加，從而得到該段管道的聲功率頻譜。然后根據(jù)《HGT20570.10-1995 工藝系統(tǒng)專業(yè)噪聲控制設(shè)計》中通過管道的管厚與管徑對每一段管道隔聲量進(jìn)行估算，同時基于管道最低共振頻率，可以對每個頻率下的隔聲量進(jìn)行修正，最終得到各管道泄漏噪聲聲功率級頻譜。再根據(jù)不同的管道保溫或隔聲結(jié)構(gòu)計算隔聲量，最終得到管道包裹層外的泄漏噪聲聲功率級頻譜。

1.4 廠房內(nèi)總噪聲

將上述三類噪聲源的聲功率級頻譜疊加得到總的噪聲源聲功率級頻譜。根據(jù)統(tǒng)計聲學(xué)，可以假設(shè)廠房內(nèi)聲場為擴散聲場，并將臨界距離處的總穩(wěn)態(tài)聲壓級頻譜作為廠房的總穩(wěn)態(tài)聲壓級頻譜[18]。

其中，Q為聲源指向性因素的量，r為離聲源距離，R為房間常數(shù)。

關(guān)于聲源指向性因素的量Q根據(jù)廠房實際聲源的情況確定。

房間常數(shù)R的確定過程如式（2）～式（4）所示，

為考慮了媒質(zhì)對聲波的吸收而求的等效平均吸聲系數(shù)，其中m為聲強吸收系數(shù)，與媒質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)有關(guān)同時是頻率的函數(shù)，V為房間的體積，S為公式（2）中的吸聲總面積。

R為房間常數(shù)，單位為m2。

對于具體廠房，因考慮廠房墻壁、門、窗等部位附近的布置，若存在大量聲波反射可能，則適當(dāng)在公式（1）計算結(jié)果基礎(chǔ)上加8～10%的裕度。

2? 某已建壓縮機廠房噪聲

2.1 評估結(jié)果

某已建壓縮機廠房內(nèi)布置三臺套同型號離心壓縮機機組，機組壓比為10。采用第1章所述評估法評估該廠房聲壓級頻譜。

計算后的壓縮機、管道、閥門的泄漏聲功率級頻譜見表1所示。管道泄漏噪聲為考慮了管道外包裹的100mm厚的玻璃絲綿加上0.5mm厚的不銹鋼的。

廠房體積約為50560m3，表面積約為13030m2。

每一頻率下的房間常數(shù)R根據(jù)公式（4）計算，結(jié)果如表2所示。廠房內(nèi)的總聲壓級頻譜根據(jù)公式（1）計算，結(jié)果如表2所示，A計權(quán)聲壓級如表2所示。

廠房內(nèi)的臨界距離處噪聲為96dBA?？紤]到廠房靠近墻壁3m處布置有大量的管網(wǎng)，因此針對廠房墻壁噪聲設(shè)計，墻壁處噪聲取105dBA。

2.2 現(xiàn)場測試結(jié)果

選用TES 1359聲級計，選用A計權(quán)檔，聲級計符合《GB12348-2008工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。測量了廠房靠近墻壁、機組附近、距離機組約30m較空曠位置的總聲壓級，分別為102dBA、106.8dBA及96.8dBA，如圖1～圖3所示。

基本上，距離機組約30m較空曠處的總聲壓級與計算結(jié)果相符，而靠近墻壁處的聲壓級為102dBA，因上方有管道及鋼結(jié)構(gòu)管架等，導(dǎo)致反射聲較強，與預(yù)估情況相符。

3? 結(jié)語

本文基于理論及經(jīng)驗給出了一種簡單快速評估空氣壓縮機廠房噪聲的方法，經(jīng)某已建廠房評估結(jié)果與實測結(jié)果比對證實該方法切實可行。

本方法可擴展應(yīng)用于其他布置大量管網(wǎng)的廠房，如航空發(fā)動機零部件試驗廠房，當(dāng)試驗艙或試驗件的泄漏噪聲以及前傳后傳噪聲已知的情況下，均可使用本文方法進(jìn)行廠房內(nèi)噪聲評估。

當(dāng)然，本方法僅適用于作為廠房的屋頂、墻壁、進(jìn)排氣口、門窗等進(jìn)行降噪設(shè)計的輸入。需說明的是，因本方法評估過程中采用了多處假設(shè)，如假設(shè)廠房為擴散場等，其評估的廠房內(nèi)的總A計權(quán)聲壓級必然存在一個不確定度范圍，但是采用本方法考慮了廠房內(nèi)所有聲源后得出的聲壓級頻譜是具有參考價值的，這個給廠房噪聲設(shè)計提供了一個直觀可參考的頻譜分布，更有利于指導(dǎo)廠房各方面的噪聲設(shè)計。若要對廠房內(nèi)的噪聲分布進(jìn)行精確計算，需對廠房內(nèi)的各個聲源類型、位置等進(jìn)行精確定位，并采用相應(yīng)的有限元計算軟件進(jìn)行計算。

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