基于波束形成技術(shù)的大型空分裝置噪聲源識(shí)別定位

孫 迪，杜 鑫，劉 波，孔 飛

(1.中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071 2.中國(guó)石化金陵分公司，江蘇南京 210033)

0 前言

空分裝置配備了如空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)、汽輪機(jī)以及膨脹機(jī)等眾多動(dòng)設(shè)備，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，許多作業(yè)場(chǎng)所噪聲強(qiáng)度達(dá)到100 dB(A)以上，嚴(yán)重危害作業(yè)人員聽(tīng)力健康。以往的噪聲治理，多是采用聲級(jí)計(jì)，通過(guò)測(cè)量作業(yè)環(huán)境中的聲壓級(jí)來(lái)識(shí)別主要噪聲源，但空分裝置內(nèi)高噪聲設(shè)備多且集中，使用聲級(jí)計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確分辨噪聲來(lái)自哪個(gè)設(shè)備[1]。還有部分學(xué)者采用聲強(qiáng)計(jì)識(shí)別噪聲源，但聲強(qiáng)法多適用于中小型設(shè)備，對(duì)于大型空分裝置，該方法實(shí)施難度很大[2,3]。

基于傳聲器陣列測(cè)量的波束形成聲源識(shí)別方法具有測(cè)量速度快、計(jì)算效率高、成像范圍大、中高頻分辨率好、聲源定位準(zhǔn)確、易于布置等諸多優(yōu)點(diǎn)，且可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況測(cè)量。本研究采用手持式傳聲器陣列，結(jié)合遠(yuǎn)場(chǎng)聲音定位的波束形成算法，對(duì)裝置內(nèi)主要噪聲源進(jìn)行定位，為下一步開(kāi)展噪聲治理提供研究方向。

1 波束形成的基本理論

波束形成是一種聲陣列信號(hào)處理技術(shù)[4]，利用傳聲器陣列的指向性，能夠識(shí)別噪聲源的分布，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)聲源的定位[5]。

每一個(gè)傳聲器陣列連接到一個(gè)延遲求和信號(hào)處理單元。信號(hào)首先到達(dá)第一個(gè)傳聲器，然后是第二個(gè)、第三個(gè),等等。最先到達(dá)的信號(hào)給出最大的延遲，第二個(gè)到達(dá)的信號(hào)給出次等延遲，等等。把經(jīng)過(guò)延遲處理后的信號(hào)進(jìn)行相加，這樣聚焦方向上的信號(hào)因?yàn)槭峭环较颍鼈兿嗉雍笮盘?hào)就得到了加強(qiáng)，形成一個(gè)主波瓣，主波瓣的方向就指向假定聲源的方向；而其他不同方向上的信號(hào)因?yàn)椴皇峭蛳嗉?，則會(huì)減弱。這樣就實(shí)現(xiàn)了空間濾波的作用。

本研究對(duì)象為石化企業(yè)某大型空分裝置，通過(guò)前期噪聲檢測(cè)的1/3頻程頻譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該空分裝置內(nèi)噪聲頻譜主要為中高頻(峰值在800～3 000 Hz)，由于本研究測(cè)試距離大于2倍波長(zhǎng)，因此可以將噪聲信號(hào)假設(shè)為平面波。

2 空分裝置噪聲源識(shí)別檢測(cè)

2.1 空分裝置基本情況

本研究對(duì)象為石化企業(yè)某大型空分裝置，主要包括空氣過(guò)濾系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、壓縮膨脹系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等?？偲矫娌季执篌w可以分為：空壓機(jī)區(qū)域、純化預(yù)冷區(qū)域、液化精餾區(qū)域、氬罐區(qū)、氮罐區(qū)、操作室等。本次測(cè)試在空分裝置典型工況下進(jìn)行(80%負(fù)荷，穩(wěn)態(tài)工作)，蒸汽汽輪機(jī)功率48 320 kW，轉(zhuǎn)速4 058 r/min；離心壓縮機(jī)空氣流量287 900 m3/h，出口壓力0.592 MPa。

2.2 噪聲源識(shí)別系統(tǒng)組成

測(cè)試設(shè)備由30通道手持式傳聲器陣列、數(shù)據(jù)采集前端和筆記本電腦(測(cè)試分析軟件)組成。

2.3 測(cè)試結(jié)果

噪聲源分析主要以聲功率頻譜和噪聲分布云圖為主。首先，查看“計(jì)算面”全頻段的總聲功率級(jí)，并與主要尖峰(本文選擇2個(gè)最大的峰值進(jìn)行研究)所在頻帶的聲功率級(jí)進(jìn)行比較，兩者之差越小，說(shuō)明尖峰所在頻帶的貢獻(xiàn)越大[6]。其次，在尖峰所在的頻帶，分析噪聲源位置，在“噪聲分布云圖”中顯示噪聲分布。如果在“噪聲分布云圖”中該頻帶存在多個(gè)聲源位置，則分別單獨(dú)計(jì)算各個(gè)聲源位置的聲功率，對(duì)比不同聲源的輻射噪聲能量。本次測(cè)試中并沒(méi)有出現(xiàn)同一頻率并存在多個(gè)聲源位置的情況。

本次共計(jì)測(cè)試了21個(gè)點(diǎn)位，通過(guò)分析定位，噪聲源主要位于空壓機(jī)區(qū)域以及液化精餾的部分區(qū)域內(nèi)。

2.3.1空壓機(jī)區(qū)域主要噪聲源識(shí)別定位

空壓機(jī)區(qū)域設(shè)備主要包括空氣過(guò)濾器、空壓機(jī)組及進(jìn)出氣管線等。

空氣過(guò)濾器區(qū)域，最大峰值位于1 220 Hz，其聲功率貢獻(xiàn)量最大，但噪聲源位置不在空氣過(guò)濾器區(qū)域內(nèi)，為輸入外部噪聲，第二大峰值752 Hz，噪聲源位置為空氣過(guò)濾器右上部，進(jìn)一步定位顯示， 752 Hz的噪聲源位于空氣過(guò)濾器濾筒處。聲功率級(jí)頻譜如圖1所示，噪聲源定位如圖2所示。

圖1 空氣過(guò)濾器區(qū)域聲功率頻譜

圖2 空氣過(guò)濾器區(qū)域噪聲源定位

空壓機(jī)組區(qū)域，噪聲最大峰值同樣為1 220 Hz，貢獻(xiàn)量最大，因?yàn)楸卷?xiàng)目空壓機(jī)組整體設(shè)置了隔聲罩(離心壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、增壓機(jī)等主要高噪聲設(shè)備均位于隔聲罩內(nèi))，因此噪聲源位于裸露的壓縮機(jī)出氣管線處，第二大峰值為1 660 Hz，噪聲源位于壓縮空氣出口管線膨脹節(jié)上部，見(jiàn)圖3、圖4。隔聲罩內(nèi)噪聲識(shí)別結(jié)果顯示，離心機(jī)進(jìn)氣口區(qū)域，噪聲最大峰值在752 Hz(單一尖峰)，與空氣過(guò)濾器濾筒位置峰值相同，是最主要的貢獻(xiàn)，噪聲源分布在離心空壓機(jī)的進(jìn)氣端。離心壓塑機(jī)及汽輪機(jī)連接區(qū)域，1 230/1 220 Hz的尖峰最高，貢獻(xiàn)量最大，噪聲源位置為傳動(dòng)軸區(qū)域。2 430 Hz的尖峰為第二大峰值，具有第二大貢獻(xiàn)量。噪聲源分別位于離心機(jī)上部及汽輪機(jī)下部，見(jiàn)圖5、圖6。離心壓塑機(jī)及汽輪機(jī)連接區(qū)域的最大峰值與出氣管線的最大峰值基本一致。

圖3 空壓機(jī)組區(qū)域聲功率頻譜(隔聲罩外)

圖4 空壓機(jī)組區(qū)域噪聲源定位(隔聲罩外)

圖5 空壓機(jī)組區(qū)域聲功率頻譜(隔聲罩內(nèi))

圖6 空壓機(jī)組區(qū)域噪聲源定位(隔聲罩內(nèi))

2.3.2液化精餾區(qū)域主要噪聲源識(shí)別定位

液化精餾區(qū)噪聲主要來(lái)自透平膨脹機(jī)組，此外還包括液體汽化器等。

膨脹機(jī)組同樣設(shè)置了隔聲罩，增壓透平膨脹機(jī)位于隔聲罩內(nèi)，1 340 Hz的尖峰最高，是最主要的貢獻(xiàn)，噪聲源位于增壓膨脹機(jī)出口管線變徑處。隔聲罩外區(qū)域，同樣是1 340 Hz的尖峰最高，噪聲源位于增壓機(jī)后冷卻器區(qū)域，1 220 Hz的尖峰為第二大峰值，具有第二大貢獻(xiàn)量。見(jiàn)圖7、圖8。

圖8 膨脹機(jī)組區(qū)域噪聲源定位

圖7 膨脹機(jī)組區(qū)域聲功率頻譜

液體汽化器區(qū)域，無(wú)明顯尖峰，噪聲屬于寬頻信號(hào)，其中536～3 210 Hz的聲功率，是最主要的貢獻(xiàn)。噪聲源分布在排液蒸發(fā)器及放空管線處。見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 液體氣化區(qū)聲功率頻譜

圖10 液體氣化區(qū)噪聲源定位

3 討論與建議

本研究從空分裝置4個(gè)邊緣，面向裝置進(jìn)行聲源定位測(cè)試，結(jié)果顯示，裝置南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)聲頻峰值均為1 220/1 230 Hz，提示1 220/1 230 Hz對(duì)空分裝置的噪聲起最主要的貢獻(xiàn)。峰值為1 220 Hz或1 230 Hz，可能由于是實(shí)時(shí)測(cè)量分析造成的測(cè)量誤差。

空氣過(guò)濾器、離心壓縮機(jī)進(jìn)氣端噪聲主要峰值均為752 Hz，離心壓縮機(jī)組及出氣管線噪聲主要峰值均為1 220/1 230 Hz的尖峰最高，表現(xiàn)明顯的噪聲沿著管線傳播的特點(diǎn)。因此空分裝置雖然在空壓機(jī)組、膨脹機(jī)組等局部裝置設(shè)置了隔聲罩，但由于進(jìn)出氣管線未進(jìn)行降噪處理，雖然表面上主要聲源得到了控制，但噪聲仍可通過(guò)進(jìn)出氣管線傳播出來(lái)，污染整個(gè)作業(yè)環(huán)境，應(yīng)針對(duì)管道傳播的噪聲開(kāi)展對(duì)應(yīng)治理。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，離心壓塑機(jī)及汽輪機(jī)連接區(qū)域，噪聲頻譜有兩個(gè)明顯峰值，而且第二大峰值2 430 Hz與最大峰值1 220/1 230 Hz有近2倍的關(guān)系，這與旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲在頻域內(nèi)形成的窄帶噪聲(階次)類(lèi)似，提示這兩個(gè)峰值可能與旋轉(zhuǎn)機(jī)械有關(guān)，下一步建議使用階次分析技術(shù)，結(jié)合設(shè)備參數(shù)，分析空分裝置的噪聲成分與形成原因，爭(zhēng)取從源頭對(duì)噪聲進(jìn)行控制。

綜上，波束形成技術(shù)，可以提高噪聲源識(shí)別、定位的準(zhǔn)確度及效率，對(duì)復(fù)雜聲場(chǎng)內(nèi)的噪聲源實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，有的放矢，結(jié)合聲成像技術(shù)還可以將結(jié)果“可視化”，令觀測(cè)者直觀觀測(cè)噪聲最高的區(qū)域、位置，有效幫助石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)職業(yè)健康管理及噪聲治理工作。