一種空間站再生系統(tǒng)用低噪聲離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

簡(jiǎn)曉書 陳 強(qiáng) 吳和遠(yuǎn) 朱志能

（1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心）

0 引言

航天器內(nèi)采用的小型高速高壓小流量離心風(fēng)機(jī)，目前只有美國(guó)、俄羅斯、歐空局等傳統(tǒng)航天強(qiáng)國(guó)有對(duì)其的研究及試驗(yàn)，但該技術(shù)對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。在國(guó)內(nèi)宇航用特種離心風(fēng)機(jī)的研制研究方面，僅對(duì)航天員訓(xùn)練中心用離心風(fēng)機(jī)本身做過(guò)噪聲研究，未對(duì)電機(jī)、消聲器和整機(jī)進(jìn)行降噪研究。由于空間站的特殊環(huán)境要求，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品性能需要在體積、質(zhì)量、效率、噪聲（比A 聲級(jí)艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求）等多重約束條件下取得平衡，而各約束條件之間又存在相互制約的關(guān)系，需同時(shí)滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，所以在滿足體積、質(zhì)量及效率的前提下，對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的研究和設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。需要根據(jù)空間站型號(hào)提出的噪聲頻譜控制要求，針對(duì)性的對(duì)環(huán)控生保分再生系統(tǒng)用小型高速高壓小流量離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 離心風(fēng)機(jī)降噪研究

離心風(fēng)機(jī)噪聲主要包含：1）葉輪和蝸殼與氣體相互作用產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，而氣動(dòng)噪聲又包含旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲；2）電機(jī)、軸承及殼體等輻射的機(jī)械噪聲；3）基礎(chǔ)振動(dòng)輻射的固體聲；4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲等。對(duì)于噪聲要求嚴(yán)苛的再生風(fēng)機(jī)，需要對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行降噪研究和設(shè)計(jì)。根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力性噪聲比其他噪聲高10～25dB(A)，所以降低風(fēng)機(jī)噪聲首先需要控制風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。對(duì)于后向葉輪的離心風(fēng)機(jī)，又以旋轉(zhuǎn)噪聲基頻最為大。

風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲又稱為離散頻率噪聲，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過(guò)較窄的蝸舌處，就會(huì)形成周期性的壓力和速度脈動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲[1]；空氣受到葉片及其壓力場(chǎng)的周期性激勵(lì)而產(chǎn)生的噪聲和氣流在蝸殼中擴(kuò)壓脈動(dòng)的脫落等產(chǎn)生的噪聲都是風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率f可由式（1）確定。

式中，n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；z為葉片數(shù)；i為諧波序號(hào)，i=1,2,3,……；i=1為基頻。

風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)需要降低風(fēng)機(jī)的基頻噪聲，主要通過(guò)優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉片葉型、合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)蝸殼、優(yōu)化蝸舌頂端與葉輪外圓周的間隙、采用異型蝸舌、雙層蝸殼、消聲蝸殼、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器等降低風(fēng)機(jī)噪聲，其中蝸舌頂端與葉輪外圓周的間隙對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲影響較大，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)尤為需要重點(diǎn)關(guān)注。

離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要分布在風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口，蝸殼輻射噪聲所占的權(quán)重較小[2]，降低離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲最有效的辦法是使用消聲器。消聲器是一種在氣流順利通過(guò)的前提下有效地降低其噪聲的設(shè)備[3]，是流體力學(xué)、振動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)和熱力學(xué)等多學(xué)科的交叉產(chǎn)物。按材料分多孔阻尼吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)材料兩大類。多孔材料具有中、高頻吸聲高的特點(diǎn)；板狀和膜狀材料主要吸收低頻噪聲[1]，穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)可以吸收低、中、高頻。風(fēng)機(jī)常用的消聲器一般有阻性消聲器、抗性消聲器、微穿孔板消聲器及阻抗復(fù)合消聲器。阻性消聲器中高頻消聲效果好；抗性消聲器具有中低頻效果好的特點(diǎn)；微穿孔板消聲器具有較好的中頻寬帶消聲性能；阻抗復(fù)合消聲器具有消聲值高，頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際風(fēng)機(jī)噪聲頻譜情況以及艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求，再結(jié)合各種消聲器的特點(diǎn)，同時(shí)考慮空間站艙內(nèi)安裝環(huán)境和空間位置等設(shè)計(jì)消聲器。

對(duì)于高速離心風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，降低電機(jī)振動(dòng)和噪聲對(duì)減小風(fēng)機(jī)噪聲和增加風(fēng)機(jī)壽命可靠性具有不可忽視的貢獻(xiàn)，而電機(jī)振動(dòng)和噪聲包含了電機(jī)電磁噪聲和機(jī)械振動(dòng)噪聲。電磁噪聲是由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生隨空間和時(shí)間變化的徑向力，是定子鐵芯和機(jī)殼隨時(shí)間周期性變化而引起的，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)優(yōu)化極槽配合、適當(dāng)降低電機(jī)的氣隙磁密、增加氣隙以及定子斜槽等方式降低電磁噪聲。機(jī)械振動(dòng)噪聲主要是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量引起的離心力產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲、軸承振動(dòng)噪聲等，可以通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度、選用高精度低噪聲軸承、控制軸承與相關(guān)零部件的配合精度、增加電機(jī)軸向預(yù)緊等方式降低電機(jī)機(jī)械噪聲。除了設(shè)計(jì)因素外，工藝制造水平的提高對(duì)于電機(jī)噪聲抑制同樣起著重要作用。

2 再生系統(tǒng)用風(fēng)機(jī)的降噪設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)于噪聲要求嚴(yán)苛的再生風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)，需要從風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的4個(gè)方面入手進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，使其滿足表1 所示的艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求。再生風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，本文將從電機(jī)降噪、風(fēng)機(jī)降噪和消聲器降噪以及整機(jī)降噪等方面對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)研究。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Fan structure

表1 艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求Tab.1 Medical requirements of steady-state noise in the space station cabin

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的降噪設(shè)計(jì)

雖然電機(jī)噪聲對(duì)風(fēng)機(jī)整機(jī)A聲級(jí)噪聲貢獻(xiàn)非常小，基本可以忽略，但是對(duì)于空間站特殊的要求（表1 艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求）來(lái)說(shuō)，電機(jī)不同頻段的噪聲不可忽視，必須盡最大可能降低每個(gè)頻率點(diǎn)的噪聲，以滿足空間站系統(tǒng)的要求。降低電磁噪聲主要從電機(jī)極槽配合、定子斜槽、減小氣隙磁密等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。電機(jī)極槽配合選用了常規(guī)的4極12槽，并采用定子斜槽的方式，該方案通過(guò)了大量產(chǎn)品驗(yàn)證，具有較低的電磁噪聲和較高的效率。通過(guò)Ansoft電磁仿真優(yōu)化，該電機(jī)轉(zhuǎn)速為18410r/min，單邊氣隙為0.9mm，定子斜1 槽（斜30°），電機(jī)的空載氣隙磁密和斜槽前后齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖2 和圖3 所示。從圖2 可以看到，電機(jī)氣隙磁密為0.6065T，具有小的氣隙磁密，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，在0.65T 以下的氣隙磁密不會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)畸變而產(chǎn)生噪聲。從圖3 可以看出，直槽時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩約為6.8034mN·m，斜1個(gè)槽后，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降低為0.0392mN·m，降低為直槽時(shí)的0.00576倍。所以從電磁方案設(shè)計(jì)上盡量減小了可能產(chǎn)生的電磁噪聲。

圖2 電機(jī)空載氣隙磁密Fig.2 No-load air gap magnetic density of the motor

圖3 斜槽前后齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.3 Comparison of cogging torque before and after chute

對(duì)于高速電機(jī)來(lái)說(shuō)，機(jī)械噪聲占電機(jī)噪聲的絕大部分，在電機(jī)機(jī)械噪聲方面，軸承對(duì)電機(jī)噪聲影響尤為關(guān)鍵。電機(jī)絕大部分噪聲是由于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)以聲波形式經(jīng)過(guò)電機(jī)結(jié)構(gòu)傳播所致，所以振動(dòng)為軸承噪聲的根源。在軸承參數(shù)中軸承徑向游隙、溝道曲率半徑系數(shù)、軸承寬度和保持架兜孔間隙等對(duì)電機(jī)軸承振動(dòng)明顯影響，為此選擇了低噪聲、小游隙、經(jīng)過(guò)壽命驗(yàn)證和飛行經(jīng)歷的軸承，可以盡可能保證電機(jī)的低噪聲和長(zhǎng)壽命要求。

同時(shí)，電機(jī)的工況參數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)的影響也至關(guān)重要，對(duì)深溝球軸承來(lái)說(shuō)，軸向預(yù)載荷能有效降低軸承振動(dòng)、提高其疲勞壽命[4]，軸向預(yù)載荷在軸承額定動(dòng)負(fù)荷的0.5%～0.89%之間時(shí)，電機(jī)振動(dòng)最小；軸向預(yù)載荷在軸承額定動(dòng)負(fù)荷的0.05%～0.4%之間時(shí)，軸承疲勞壽命最長(zhǎng)。為此，根據(jù)再生風(fēng)機(jī)噪聲和壽命的要求，在電機(jī)軸承與后軸承蓋之間設(shè)計(jì)了軸向定壓預(yù)載荷結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)預(yù)緊力大小將多顆彈簧圓周均置在彈簧擋板的圓孔中，彈簧的壓縮量由電機(jī)整機(jī)裝配控制，通過(guò)調(diào)整電機(jī)前端，可以適當(dāng)調(diào)整彈簧壓縮量，即圖4中的彈簧擋板和彈簧支撐板之間的間隙δ。

圖4 電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.4 Motor structure

設(shè)計(jì)時(shí)首先滿足電機(jī)長(zhǎng)壽命要求，同時(shí)又能進(jìn)一步降低電機(jī)振動(dòng)噪聲，通過(guò)綜合評(píng)估和壽命驗(yàn)證來(lái)確定電機(jī)彈簧的預(yù)緊力。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上還采取了三種措施增加電機(jī)穩(wěn)定性和減小振動(dòng)：1）電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)還采取了電機(jī)前后軸承座通孔結(jié)構(gòu)；2）采用配加工與軸承有關(guān)的零組件尺寸方式，保證尺寸精度及圓柱度以及配合間隙，即提高軸承與軸承座配合的一致性；3）電機(jī)前后軸承座采用同種材料加工，減小因溫度變化引起的軸承狀態(tài)變化。

通過(guò)不同預(yù)緊力與噪聲的試驗(yàn)驗(yàn)證，在未采用彈簧預(yù)緊的情況下，電機(jī)噪聲為33.6dB(A)；在采用彈簧預(yù)緊情況下，隨著彈簧預(yù)緊力的增加，電機(jī)噪聲逐漸減小后又逐漸增加，在預(yù)緊力在9.6～20.1N 范圍內(nèi)，噪聲差異較小，在29.2～31.8dB(A)之間，根據(jù)軸向預(yù)緊力與疲勞壽命之間的關(guān)系，最終選擇軸向彈簧預(yù)緊力為10.2N。

2.3 風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)

離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)受到功耗、噪聲及外形尺寸等因數(shù)限制，且三者之間相互制約，需綜合考慮設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)需要選用高效、高壓力系數(shù)的離心風(fēng)機(jī)模型，可有效降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，亦可有效降低葉輪旋轉(zhuǎn)噪聲。葉輪設(shè)計(jì)為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心，設(shè)計(jì)時(shí)需要首先選擇風(fēng)機(jī)形式，根據(jù)壓力系數(shù)、效率、超載能力、比A聲級(jí)等因素考慮，本設(shè)計(jì)選用了后向型機(jī)翼型葉輪，該種葉輪具有最小比A 聲級(jí)。但風(fēng)機(jī)葉輪機(jī)械的氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)制十分復(fù)雜，這與葉輪機(jī)械內(nèi)流動(dòng)的非定常、粘性以及三維性密切相關(guān)，難以準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)估，只能通過(guò)式（2）對(duì)風(fēng)機(jī)理論噪聲進(jìn)行初步計(jì)算，只具有參考意義。通過(guò)計(jì)算該形式的風(fēng)機(jī)A 聲級(jí)為67.1dB(A)，通過(guò)優(yōu)化葉輪和控制噪聲在最高效率點(diǎn)附近，比A 聲級(jí)還能有所下降。

A聲級(jí)：

式中，LSA為通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口（或出風(fēng)口）的比A 聲級(jí)；通常，機(jī)翼型葉片離心通風(fēng)機(jī)比A 聲級(jí)取22dB；Q為通風(fēng)機(jī)測(cè)試工況點(diǎn)流量m3/min；P為通風(fēng)機(jī)測(cè)試工況點(diǎn)壓力，Pa。

除風(fēng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)外，為提高流動(dòng)效率降低噪聲，需對(duì)葉片型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)風(fēng)機(jī)蝸殼進(jìn)行優(yōu)化處理，提高氣流在蝸殼內(nèi)壓力轉(zhuǎn)化效率。

采取機(jī)翼型葉片后，為了進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)本體噪聲主要采取了三方面的優(yōu)化：1）優(yōu)化葉片出口角度；2）在兩個(gè)流道之間增加了機(jī)翼型小葉片，進(jìn)口角度35°，出口角度55°；3）采用不同的蝸舌半徑。通過(guò)流場(chǎng)分析，在出口角度增大后風(fēng)機(jī)壓力升高。同時(shí)，從仿真流場(chǎng)云圖中看到在葉片出口附近和蝸殼內(nèi)渦流尺寸越來(lái)越大，兩個(gè)流道之間也有明顯的渦流，在增加小葉片后，相同出口角度的情況下，風(fēng)機(jī)全壓有一定的提高，兩個(gè)流道之間的渦流明顯減少。采用不同的蝸舌半徑進(jìn)行了仿真分析，隨著蝸舌半徑r的增大，風(fēng)機(jī)出口靠近蝸舌處的回流明顯減少，但當(dāng)蝸殼蝸舌大于9.6mm后，風(fēng)機(jī)全壓明顯降低。

通過(guò)仿真優(yōu)化，風(fēng)機(jī)和葉輪的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示，根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的葉輪三維模型如圖5所示。

表2 葉輪參數(shù)Tab.2 Impeller parameters

圖5 葉輪三維模型Fig.5 Three-dimensional model of impeller

采用CFD分析軟件ANSYS CFX對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)分析，風(fēng)機(jī)的全壓云圖和速度云圖如圖6 和圖7所示，從圖6可以看出，壓力在葉輪內(nèi)分布比較均勻，壓力沿半徑方向逐漸平滑增大，在每個(gè)分流葉片出口處存在一個(gè)高壓區(qū)，說(shuō)明分流葉片能夠承擔(dān)部分負(fù)荷，由于風(fēng)機(jī)蝸殼的寬度較大，氣流進(jìn)入蝸殼后擴(kuò)壓度變大，氣體從葉輪出口到機(jī)殼通道經(jīng)歷了減速擴(kuò)壓過(guò)程。全壓在葉片通道內(nèi)逐漸增加，在葉輪出口處達(dá)到最大。當(dāng)氣流流出葉輪后，在蝸殼通道內(nèi)減速擴(kuò)壓，氣體互相摻混使全壓趨于均勻。從圖7可以看出，流速沿葉輪流道逐漸增大，在葉輪出口流速達(dá)到最大值，流動(dòng)性能好，無(wú)旋渦產(chǎn)生，由于葉輪出口到蝸殼流通面積突然增大，產(chǎn)生旋渦。但總體流動(dòng)比較順暢，有較高的流動(dòng)效率，全壓和速度分布比較合理，性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)合理的流場(chǎng)分布對(duì)減小整機(jī)噪聲有莫大的裨益。

圖6 風(fēng)機(jī)軸向和徑向全壓分布Fig.6 Axial and radial total pressure distribution of fan

圖7 風(fēng)機(jī)軸向和徑向速度分布Fig.7 Axial and radial velocity distribution of fan

為了進(jìn)一步減小風(fēng)機(jī)噪聲，根據(jù)風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子和葉輪以及軸系相關(guān)零件進(jìn)行整體動(dòng)平衡，可以有效避免軸系零部件分別進(jìn)行動(dòng)平衡后，整機(jī)狀態(tài)下由于動(dòng)平衡差而導(dǎo)致的噪聲和振動(dòng)大的問(wèn)題。

3.4 消聲器的降噪設(shè)計(jì)

穿孔板結(jié)構(gòu)是在金屬或者非金屬的硬質(zhì)板上穿孔，在其背后設(shè)置空腔形成[5]，并在空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料（例如三聚氰胺泡棉），穿孔板結(jié)構(gòu)可以看成有無(wú)數(shù)個(gè)單獨(dú)的共振腔并聯(lián)而成。當(dāng)聲波傳到共振器時(shí)，氣體在聲波壓力下在小孔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，聲波頻率與共振器固有頻率相同時(shí)發(fā)生共振，吸收聲波能量，達(dá)到消聲效果。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)消聲的共振頻率f r按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中，c為空氣速度，m/s；p為穿孔板穿孔率，%；δ1為穿孔板后空腔厚度，m；δe為穿孔板有效厚度，m。

當(dāng)孔徑d大于孔板厚度δ時(shí)，δe=δ+0.8d;當(dāng)空腔內(nèi)貼多孔吸聲材料時(shí)，δe=δ+1.2d。

選用不同的孔徑和穿孔率可以得到不同的共振器。微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)是一種板厚和孔徑為1mm 以下，穿孔率為1%～3%的金屬微穿孔板和空腔形成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)[5]，共振頻率計(jì)算方法與穿孔板結(jié)構(gòu)一致，主要吸收中頻噪聲和高頻（＞1000 Hz）噪聲。多孔吸聲材料的吸聲性能及吸聲下限截止頻率與吸聲材料、密度和厚度有關(guān)，理論上吸收材料越厚，其降噪效果越明顯。

多孔吸聲材料的下限截止頻率f下限：

式中，b1為吸聲材料厚度，m；β為與吸聲材料類型、密度有關(guān)的吸聲。

通過(guò)前期工程樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)的噪聲主要集中在高頻段，同時(shí)在頻率250～500Hz 之間時(shí)對(duì)噪聲貢獻(xiàn)也比較大，同時(shí)設(shè)計(jì)消聲器時(shí)需要同時(shí)考慮空間站環(huán)境頻譜要求。結(jié)合穿孔板吸聲、多孔材料吸聲和微穿孔板吸聲原理，采用三級(jí)微穿孔板結(jié)構(gòu)和穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，安裝于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，如圖8所示，在微穿孔結(jié)構(gòu)中增加了錐形穩(wěn)流段可使氣流均勻通過(guò)減小消聲器進(jìn)、出口端內(nèi)的渦流，提高消聲效果。穿孔板結(jié)構(gòu)如圖9 所示，穿孔板的穿孔率和孔徑d以及空腔后的多孔吸聲材料的選擇需要根據(jù)被吸收噪聲頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣流經(jīng)過(guò)穿孔板結(jié)構(gòu)，能吸收大部分低頻噪聲和部分中頻噪聲。微穿孔結(jié)構(gòu)的穿孔板厚δe、空腔厚度δ1、孔徑d以及穿孔率的選擇決定需要吸收噪聲的頻率，微穿孔結(jié)構(gòu)如圖10所示，三級(jí)微穿孔消聲器通過(guò)3級(jí)微穿孔板的孔徑、板厚和穿孔率設(shè)計(jì)和分配，可以吸收風(fēng)機(jī)多個(gè)頻率區(qū)域噪聲，達(dá)到吸收寬頻噪聲的效果。噪聲通過(guò)三級(jí)微穿孔結(jié)構(gòu)、穿孔結(jié)構(gòu)以及消音棉后，絕大部分高頻噪聲和部分中頻噪聲將被能吸收，其余少量中頻噪聲和低頻噪聲反射出去，穿孔板和微穿孔板消聲器的設(shè)計(jì)參數(shù)及共振消聲頻率如表4所示。

圖8 消聲器結(jié)構(gòu)Fig.8 Muffler structure

圖9 穿孔板結(jié)構(gòu)Fig.9 Perforated plate structure

圖10 微穿孔結(jié)構(gòu)Fig.10 Micro-perforation structure

根據(jù)風(fēng)機(jī)的重量、體積、多孔吸聲材料的有毒有害阻燃試驗(yàn)驗(yàn)證以及相關(guān)材料消聲器效果，多孔吸聲材料選用三聚氰胺泡沫，該材料的平均厚度為30mm,查閱資料β為0.023，該材料的下限截止頻率為263.7Hz。

3 風(fēng)機(jī)降噪驗(yàn)證及分析

圖11為風(fēng)機(jī)的實(shí)物，對(duì)該風(fēng)機(jī)電機(jī)噪聲、未安裝進(jìn)風(fēng)口消聲器噪聲和安裝進(jìn)風(fēng)口消聲器的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4和圖12所示。通過(guò)比較表1和表4 可以看到，未安裝消聲器前，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口在4000～8000Hz 范圍內(nèi)不滿足艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求，出風(fēng)口噪聲不滿足小于60 dB(A）的要求；安裝消聲器后所有頻段的噪聲及比A 聲級(jí)噪聲均能滿足艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求。

圖11 風(fēng)機(jī)實(shí)物Fig.11 The actual fan

從表4可以看到，未安裝消聲器時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口噪聲為58.2 dB(A）和62.2 dB(A）,均優(yōu)于理論計(jì)算值，說(shuō)明風(fēng)機(jī)優(yōu)化和低噪聲電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)降低風(fēng)機(jī)噪聲有效。安裝消聲器后進(jìn)風(fēng)口噪聲降低8.3dB(A），出風(fēng)口噪聲降低14.5dB(A），具有非常明顯的降噪效果；除出風(fēng)口31.5Hz外，基本在全頻段噪聲都具有降噪效果。從表4數(shù)據(jù)可以看出風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口噪聲在倍頻程中心頻率2000～80000Hz 范圍內(nèi)具有優(yōu)異的降噪效果，與表3 設(shè)計(jì)的共振頻率范圍重合，達(dá)到消聲器降低中高頻噪聲的設(shè)計(jì)目的。在倍頻程中心頻率63～1000Hz范圍內(nèi)也具有明顯的降噪效果，說(shuō)明穿孔板、微穿孔板以及多孔吸聲材料在該頻段起著降噪作用。而低頻31.5Hz的降噪效果差，與多孔吸聲材料的吸聲下限截止頻率以及消聲器的再生噪聲有關(guān)系，同時(shí)采用消聲器后風(fēng)機(jī)壓力降低量不大于2%。

表3 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)及共振頻率Tab.3 Muffler structure parameters and resonance frequency

表4 風(fēng)機(jī)噪聲降噪對(duì)比表Tab.4 Comparison of fan noise reduction

風(fēng)機(jī)電機(jī)的噪聲為28.6dB(A),比常規(guī)高速電機(jī)噪聲低3～4dB(A),說(shuō)明電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及采取的彈簧軸向預(yù)緊等相關(guān)措施對(duì)降低電機(jī)噪聲具有明顯的效果，可以對(duì)降低不同頻率點(diǎn)的噪聲有不可忽略的貢獻(xiàn)。圖12中電機(jī)在低頻31.5Hz 噪聲值較大，是由該風(fēng)機(jī)改變了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)電機(jī)中軸系零部件單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡的方法，將葉輪和轉(zhuǎn)子等軸系零部件進(jìn)行整體動(dòng)平衡，而單電機(jī)狀態(tài)下動(dòng)平衡較差導(dǎo)致該電機(jī)低頻振動(dòng)噪聲增大。

圖12 風(fēng)機(jī)噪聲與要求對(duì)比Fig.12 Comparison of fan noise and requirements

4 結(jié)論

對(duì)空間站再生風(fēng)機(jī)降噪理論和設(shè)計(jì)研究，通過(guò)樣機(jī)研制并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使得所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)滿足要求的性能指標(biāo)和噪聲，并優(yōu)于艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求。通過(guò)對(duì)該風(fēng)機(jī)的研究得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)設(shè)計(jì)合適的軸向彈簧預(yù)載荷力可以降低電機(jī)軸承振動(dòng)，減小電機(jī)噪聲，目前該結(jié)構(gòu)已通過(guò)應(yīng)用于多款宇航產(chǎn)品。

2）通過(guò)對(duì)穿孔板和微穿孔板結(jié)構(gòu)以及多孔材料參數(shù)選擇的研究和設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的消聲器基本對(duì)全頻段都具有明顯的降噪效果。該組合形式的消聲器具有較小的壓力損失，通過(guò)改變微穿孔級(jí)數(shù)、穿孔率、孔徑，穿孔板穿孔率和孔徑以及選擇合適的多孔材料等參數(shù)，得到一系列消聲器，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)噪聲要求較高的特殊環(huán)境民用風(fēng)機(jī)上，也可以應(yīng)用于其它需要降噪的領(lǐng)域。