礦用軸流通風(fēng)機集流區(qū)域主動降噪試驗

于琦,王海橋,劉剛,張任強,陳方興,陳永平, 4,曠穎侖

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖南 湘潭 411104;3.湖南科技大學(xué) 湖南省礦山通風(fēng)與除塵裝備工程技術(shù)研究中心,湖南 湘潭 411201;4.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院,廣西 桂林 541004;5 湘潭市生態(tài)環(huán)境局,湖南 湘潭 411100)

軸流通風(fēng)機作為輔助通風(fēng)設(shè)備,用途廣泛.在礦井巷道等受限空間中,通風(fēng)機噪聲與反射噪聲混疊,聲場復(fù)雜,噪聲污染嚴(yán)重.近年來,隨著職業(yè)健康教育的普及,工業(yè)噪聲防治措施成為重中之重[1].因此,開展礦井通風(fēng)機的降噪研究,尤其是主動降噪,對通風(fēng)機噪聲治理研究至關(guān)重要.

一般軸流通風(fēng)機降噪通常圍繞著消聲隔聲、葉片等[2-3].對于風(fēng)機的消聲隔聲,2008年,方建華等[4]提出了較詳細(xì)的隔聲罩設(shè)計方案;2019年,王振國[5]闡述了風(fēng)機房的噪聲治理對策;2019年,徐星[6]提出了抗性消聲器的改進(jìn)方案,并有良好的降噪效果;2020年,C Felix等[7]研究微孔板式消聲器的聲學(xué)特性,在消聲器保持相同的效率和壓力時,可以有效規(guī)避高頻噪聲的產(chǎn)生.

關(guān)于葉片鋸齒的研究,2010年,梁桂強[8]得出葉片鋸齒各參數(shù)對噪聲的影響規(guī)律;2017年,為減小尾緣渦脫落對噪聲的影響,唐俊等[9]發(fā)現(xiàn)正弦鋸齒尾緣在提升中小流量風(fēng)機效率的同時,還對低頻噪聲有所改善;2020年,王雷等[10]提出了耦合正弦型鋸齒結(jié)構(gòu)的仿鸮翼葉片尾緣,改善風(fēng)機運轉(zhuǎn)時的中低頻噪聲; 2020年,葉學(xué)民[11]闡述了鋸齒尾緣的流場特性和降噪機理.另一方面,為有效控制氣動噪聲且使風(fēng)機達(dá)到設(shè)計全壓,2016年,通過加彎葉型對風(fēng)機改進(jìn),潘虹宇等[12]發(fā)現(xiàn),升力系數(shù)提高,且氣動噪聲降低1.4 dB;同年,孫揚智等[13]指出風(fēng)機側(cè)面的氣動噪聲值最小.對于不同進(jìn)氣條件下的噪聲研究,2016年,Florian[14]通過試驗研究的方法,分析了畸變進(jìn)氣條件的噪聲特性;2022年,Benedek[15]研究了不同形狀的進(jìn)氣口對噪聲的影響.

從軸流通風(fēng)機的頻譜特性上看,能量譜集中在中低頻[16],且具有強穿透力特性,而被動降噪方式也影響著通風(fēng)機氣動性能.而降噪本質(zhì)上是解決聲音在空間的傳播衰減問題,基于聲波相消干涉原理的主動降噪為通風(fēng)機噪聲治理提供新思路[17].然而,主動降噪技術(shù)多用于車內(nèi)、公路隧道、變壓器[18-20],對于通風(fēng)機降噪的相關(guān)研究較少.因此,本文開展軸流式通風(fēng)機集流區(qū)域在自由空間及受限空間的噪聲特性研究,進(jìn)行主動降噪試驗研究,揭示風(fēng)機集流區(qū)域的噪聲特性并評價降噪潛力.

1 噪聲分布實驗設(shè)計

1.1 通風(fēng)機及噪聲測量儀器

根據(jù)GB/T 2888—2008相關(guān)規(guī)定,搭建通風(fēng)機試驗平臺,首先,為減少地面反射噪聲對試驗的影響,布設(shè)高度為65 cm的通風(fēng)機支架,懸掛放置礦用YBT-5.5型軸流式通風(fēng)機,以測定集流區(qū)域噪聲,集流區(qū)域中心點高度為100 cm.該型通風(fēng)機的幾何參數(shù):軸向長63 cm,徑向長45 cm;其中,集流區(qū)域,內(nèi)徑40 cm,外徑48 cm.通風(fēng)機性能參數(shù)如表1所示.試驗設(shè)備主要包含礦用軸流式通風(fēng)機、噪聲測量設(shè)備,如圖1所示.

表1 軸流通風(fēng)機性能參數(shù)

圖1 試驗設(shè)備

噪聲測量設(shè)備選用英國科塞樂公司CEL-63X型聲級計,該聲級計包含主機、防風(fēng)球、傳聲器、放大器、數(shù)據(jù)線.具體參數(shù)如下:測量范圍為20～140 dB(A),且頻率為12.5～20 000 Hz,計權(quán)網(wǎng)絡(luò)包括A,C,Z,試驗測量選用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò),滿足試驗現(xiàn)場測量要求.聲級計配套數(shù)據(jù)處理軟件為Casella Insight,主要功能是計算各等效聲級下的聲壓級.

1.2 試驗方案

為驗證通風(fēng)機在自由空間及受限空間下噪聲的區(qū)別,風(fēng)機位置布置條件可分為自由空間,對稱式受限空間,靠壁面受限空間,具體開展以下工作:(1)測量風(fēng)機集流區(qū)域不同測點的噪聲強度;(2)測量不同環(huán)境下的風(fēng)機集流區(qū)域噪聲強度;(3)進(jìn)一步對上述內(nèi)容進(jìn)行主動降噪試驗.

以研究集流區(qū)域為目標(biāo),以風(fēng)機中軸線為中線,環(huán)繞著軸流通風(fēng)集流區(qū)域布設(shè)測點,在自由空間、對稱式受限空間、近壁面受限空間分別布設(shè)5,5,3個測點,此試驗共選取13個測點(如圖2所示),所有測點均位于集流區(qū)域正前方1 m處,左右兩側(cè)各1 m處,左右兩側(cè)斜45°且1 m處.主動降噪的測點與通風(fēng)機噪聲測點相同.

試驗測量時環(huán)境溫度為10 ℃,環(huán)境大氣壓為100.9 kPa,噪聲測量A聲級的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2 dB(A),采樣時間15 s,為保證實驗數(shù)據(jù)可信度,對每個測點連續(xù)測量5次,取平均值以降低誤差,其中測量的聲壓級誤差在0.01 dB(A)內(nèi),試驗場地背景噪聲遠(yuǎn)小于通風(fēng)機噪聲,根據(jù)GB/T 2888—2008相關(guān)規(guī)定,測量結(jié)果可不予修正.

圖2 實驗測點

2 自適應(yīng)主動降噪裝置

2.1 硬件介紹

自適應(yīng)降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,通過使用參考麥克風(fēng)采集原始噪聲,經(jīng)自適應(yīng)濾波器計算后,揚聲器發(fā)出等幅反相的次級聲源抵消原始噪聲,誤差麥克風(fēng)用來采集殘余噪聲.

圖3 自適應(yīng)降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗所用軸流式通風(fēng)機的主動降噪裝置,如圖4所示.主要包括如下,圖4a為核心處理模塊、圖4b為初級聲源采集模塊、圖4c為次級聲源發(fā)出模塊.此外,還配套有TI公司的Code Composer Studio 6.1.3,該軟件具有編碼編譯、調(diào)試、仿真、實時分析、燒錄等功能.為有效減少來自主動降噪設(shè)備體積對通風(fēng)機氣流和噪聲的影響,采集原始噪聲的麥克風(fēng)通過長跳線連接初級聲源采集模塊,同時,連接揚聲器與次級聲源發(fā)出模塊,最后通過支架將揚聲器固定在測點位置.

2.2 算法介紹

主動降噪裝置中,核心處理模塊搭載LMS算法,即一種基于隨機梯度的算法[21],并在平方誤差信號的瞬時梯度的負(fù)方向上,通過對誤差信號均方值,直接估計得到瞬時均方值,采用梯度估計值,來調(diào)整濾波系數(shù).LMS算法的迭代公式為

y(n)=WT(n)X(n);

(1)

e(n)=d(n)-y(n);

(2)

W(n+1)=WT(n)+2μe(n)X(n).

(3)

式中:W(n)為自適應(yīng)濾波器的系數(shù)向量；X(n)為輸入信號；e(n)為誤差信號；μ為步長,分別可表示如下式:

W(n)=[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T;

(4)

X(n)=[x(n),x(n-1),…，x(n-L+1)]T.

(5)

式中:L為濾波器階數(shù),步長取值可參考式(6):

(6)

式中:λmax為R的最大特征值,R為輸入信號自相關(guān)矩陣.為了方便計算,可通過E[x2(n)]求和替代,此時得到:

(7)

式中:E[x2(n)]為輸入信號x(n)的強度.

3 通風(fēng)機噪聲分析

3.1 聲壓級分析

依圖2排序采集各測點聲壓級,結(jié)合自由空間及受限空間的通風(fēng)機3種布設(shè)位置進(jìn)行分析,如圖5所示.

在圖5中,橫軸的變化量“測點”,在縱軸上是“聲壓級”,其單位為dB(A),區(qū)域①中均為自由空間下的聲壓級,區(qū)域②表示對稱受限空間下的聲壓級,區(qū)域③表示近壁面受限空間的聲壓級.由圖5可知,通風(fēng)機噪聲集流區(qū)域各位置的噪聲具有的起伏特性呈現(xiàn)出一定的差異.

圖5 實驗測點

對于風(fēng)機兩側(cè)的點,如區(qū)域①中測點4和測點5,區(qū)域②中測點9和測點10,當(dāng)風(fēng)機位置從區(qū)域①變化為區(qū)域②時,對風(fēng)機兩側(cè)的聲壓級影響不大;但是,對于斜向45°的測點,如區(qū)域①中的測點2和測點3,區(qū)域②中的測點7和測點8,當(dāng)風(fēng)機位置從區(qū)域①變化為區(qū)域②時,聲壓級大幅提高,且通風(fēng)機左側(cè)的聲壓級低于右側(cè)聲壓級.

此外,當(dāng)通風(fēng)機位置處于近壁面受限空間,發(fā)現(xiàn)區(qū)域③的測點較區(qū)域①和區(qū)域②測點,聲壓級大幅提升,而造成區(qū)域③的測點聲壓級顯著增大的原因是,噪聲聲波在遇到近壁面后反射,入射波和反射波相互干涉,混疊的聲波振幅增大,故測量的聲壓級增大.進(jìn)一步分析可知,3個區(qū)域中的測點1,6,11的噪聲均為對應(yīng)區(qū)域的最高聲壓級,說明在3種空間位置中,正對通風(fēng)機的集流區(qū)域的測點聲壓級最大,將測點1,6,11稱為“典型點組”.接下來,為明確風(fēng)機處于不同空間位置的噪聲能量變化,以高聲壓級“典型點組”為研究對象,進(jìn)行頻譜分析.

3.2 頻譜分析

首先,明確分析“典型點組”的頻譜特性,結(jié)果如圖6所示,橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為聲壓級.重點研究旋轉(zhuǎn)噪聲,尤其是基頻前的低頻段的噪聲特征.

圖6 典型點組的頻譜

在圖6a與圖6b中,此時兩基頻分別為494.8 Hz和494.9 Hz,可見此時的風(fēng)機位置的變化幾乎不改變基頻位置.由圖6c可知,基頻向橫軸的負(fù)半軸方向發(fā)生遷移,這是由于近壁面的存在,結(jié)合集流區(qū)域負(fù)壓區(qū)和間隙區(qū)域負(fù)壓區(qū),通風(fēng)機周圍會存在嚴(yán)重的回流現(xiàn)象,即通風(fēng)機從出風(fēng)口的風(fēng)流流回集流口,造成風(fēng)流動能損失[22],該回流現(xiàn)象在頻譜中的表現(xiàn)為基頻位置發(fā)生顯著變化,此時變化為445.2 Hz.

當(dāng)通風(fēng)機的位置從自由空間變?yōu)槭芟蘅臻g時,基頻處的聲壓級減小;在受限空間下,通風(fēng)機位置由兩側(cè)對稱分布變?yōu)榻诿鏁r,基頻處的聲壓級有小幅度減小,發(fā)生此變化的主要原因是通風(fēng)機靠近壁面時集流區(qū)域的流場形態(tài)發(fā)生顯著的改變,而通風(fēng)機的主要噪聲分為旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲,此時,在風(fēng)機轉(zhuǎn)速減小的同時,基頻處的旋轉(zhuǎn)噪聲在通風(fēng)機整體噪聲的占比減小.但是,根據(jù)實測的測點1,6,11的聲壓級,發(fā)現(xiàn)聲壓級逐漸增加.而在100～300 Hz,噪聲聲壓級大幅提升;在200～500 Hz,增加多個噪聲峰值,受限空間對聲場的影響表現(xiàn)在該頻段,這是基頻處聲壓級變低而通風(fēng)機整體噪聲聲壓級變高的原因.

4 通風(fēng)機主動降噪實驗

4.1 降噪后的聲壓級變化

按照通風(fēng)機位置及測點順序進(jìn)行降噪,并對降噪后的聲壓級進(jìn)行測量,得到圖7.圖7顯示,在區(qū)域①和區(qū)域②中,測點5和測點10分別為對應(yīng)區(qū)域的最高聲壓級點,其中,“典型點組”測點1,6,11的聲壓級變化最大,由3個區(qū)域均為最高點變化為僅在③區(qū)域為最高點.測點1由78.9 dB(A)降低為71.7 dB(A),測點6由79.6 dB(A)降低為73.7 dB(A),測點11由81.8 dB(A)降低為79.0 dB(A),“典型點組”的降噪平均值達(dá)5.3 dB(A).

圖7 各測點降噪后聲壓級

由圖7可知,風(fēng)機噪聲降噪量不同,說明受渦流噪聲影響,各個測點的降噪難度亦不相同,例如,從降噪前測點2的聲壓級小于測點3,變?yōu)闇y點2聲壓級大于測點3.為評價各點的降噪難度,對比各測點的降噪量,繪制表2.

表2 各測點降噪量

對于斜向45°的測點,在對測點進(jìn)行降噪后,發(fā)現(xiàn)測點2的降噪量小于測點3的降噪量,測點7的降噪量小于測點8的降噪量,可見,以通風(fēng)機中軸線為中線,通風(fēng)機集流左側(cè)區(qū)域降噪難度大于右側(cè).對于風(fēng)機兩側(cè)的點,例如測點4和測點5,測點9和測點10,降噪后,發(fā)現(xiàn)測點4的降噪量大于測點5的降噪量,測點9的降噪量大于測點10,發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機左側(cè)的降噪難度小于右側(cè).對于近壁面受限空間的測點,比較降噪量發(fā)現(xiàn),測點13的降噪量為3個測點的最大值.對于“典型點組”的測點的降噪量,測點1>測點6>測點11,可見近壁面使測點11的聲場更復(fù)雜,不僅造成測點聲壓級的增大,還提高了該測點的降噪難度.

結(jié)合各測點的降噪難度,為保證降噪效果,自由空間、對稱式受限空間的揚聲器布設(shè)在集流右側(cè)區(qū)域以及風(fēng)機的左側(cè)區(qū)域;對于近壁面的風(fēng)機,揚聲器可布設(shè)在風(fēng)機的側(cè)面.若僅考慮降噪效果,在3種空間位置下,揚聲器可放置在集流區(qū)域正對方向.

4.2 主動降噪后的頻譜變化

對采集的“典型點組”測點進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn),測點1,6,11基頻處的聲壓級分別降低至75.62,66.02,64.52 dB(A).為了清晰觀察降噪前后差異,對頻譜圖進(jìn)行簡化處理,得到圖8.

圖8 典型點組降噪前后頻譜

從圖8可知,各頻段范圍內(nèi)的聲壓級各不相同,0～200 Hz時,聲壓級較小;當(dāng)超過200 Hz時,聲壓級大幅提升;在中頻段的聲壓級中,基頻處聲壓級均為最高.當(dāng)對“典型點組”進(jìn)行降噪后,中低頻段有較好的降噪效果,而部分高頻段出現(xiàn)降噪后的噪聲聲壓級上升的情況,總的來說,“典型點組”的中低頻段的降噪效果好于高頻段,尤其是0～200 Hz,對于自由空間和對稱受限空間的基頻附近范圍聲壓級大幅下降.當(dāng)風(fēng)機位置處于近壁面受限空間時,經(jīng)近壁面作用后的聲場復(fù)雜,導(dǎo)致中頻段的降噪效果減弱,故導(dǎo)致測點11的降噪量遠(yuǎn)低于測點1和測點6.

5 結(jié)論

1)集流區(qū)域正對方向,在自由空間下,降噪量可達(dá)7.2 dB(A);受限空間下,空間對稱分布時降噪量為5.9 dB(A),近壁面處降噪量為2.8 dB(A).

2)在通風(fēng)機集流區(qū)域,對于斜向45°的測點,左側(cè)降噪難度高于右側(cè);對于兩側(cè)的測點,左側(cè)降噪難度低于右側(cè).為達(dá)到較好的降噪效果,揚聲器可布設(shè)在集流右側(cè)區(qū)域以及風(fēng)機的左側(cè)區(qū)域.

3)當(dāng)通風(fēng)機位置從自由空間變?yōu)槭芟蘅臻g時,噪聲能量變化集中在100～500 Hz.