中華鱘保育車間噪聲頻譜特性分析及降噪措施應(yīng)用

姚金忠，曹繼學(xué)

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌， 443100)

三峽水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)中對(duì)洄游性中華鱘的保護(hù)方式為人工增殖放流，目前，三峽集團(tuán)已完成大規(guī)模中華鱘全人工繁殖技術(shù)突破，并采用大型水產(chǎn)車間繁育中華鱘，現(xiàn)已累計(jì)向長(zhǎng)江放流超過(guò)503萬(wàn)尾。環(huán)境噪聲污染一直是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)頑疾，隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，養(yǎng)殖車間的噪聲污染愈發(fā)引起人們的關(guān)注[1]，但養(yǎng)殖噪聲控制的研究并不多見(jiàn)。

1 研究背景

中華鱘保育車間為單層大空間“鋼筋混凝土框架——雙曲拱面鋼桁架屋蓋”結(jié)構(gòu)，建筑尺寸240×150 m，最大層高21.5 m，屋面結(jié)構(gòu)從下到上為壓型鋼板、鋼筋混凝土、覆土。車間內(nèi)魚(yú)池總數(shù)量為105個(gè)，養(yǎng)殖總水體20 000 m3，用水規(guī)模20 000 m3/d，進(jìn)水口高于水面，水流沖擊入池，見(jiàn)圖1所示。

圖1 保育車間室內(nèi)魚(yú)池圖

為提高養(yǎng)殖密度，需增加水中溶氧量，以抑制水中厭氧菌的生長(zhǎng)，改善水質(zhì)條件，故養(yǎng)殖工藝中設(shè)計(jì)了曝氣增氧系統(tǒng)，即通過(guò)機(jī)械鼓氣至水里，高速氣流將水體翻起,加大水和空氣的接觸面積，加快水對(duì)空氣中氧氣的溶解，達(dá)到增氧效果。該系統(tǒng)由7 臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)及曝氣管道組成，風(fēng)機(jī)單臺(tái)功率110 kW，轉(zhuǎn)速1 250 r/min，通風(fēng)量83.3 m3/min；曝氣管主管管徑DN 400，支管管徑DN50，出風(fēng)口沒(méi)入水中，如圖2所示。

2 噪聲頻譜特性及來(lái)源分析

曝氣增氧系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，按圖2 所示的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，5臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)下，室內(nèi)外噪聲情況為：

圖2 中華鱘保育車間曝氣平面布置及測(cè)點(diǎn)位置圖

（1）室外機(jī)組區(qū)平均A 聲級(jí)達(dá)到94 dB(A)～98 dB(A)，機(jī)組噪聲傳遞到養(yǎng)殖區(qū)外墻處為77 dB(A)，見(jiàn)圖3所示。

圖3 降噪措施前室外噪聲頻譜特性曲線

（2）養(yǎng)殖區(qū)室內(nèi)噪聲平均為83 dB(A)，見(jiàn)圖4所示。

因風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成的噪聲，其基頻可由下式計(jì)算：

式中：n—風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速；

Z—葉輪的葉片數(shù)量。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，葉輪共3 個(gè)葉片,其振動(dòng)基頻為62.5 Hz，根據(jù)噪聲頻譜分析可知，室外聲壓級(jí)最大值（達(dá)到98 dB）對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程中心頻率為125 Hz，室內(nèi)聲壓級(jí)最大值（達(dá)到89 dB）對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程中心頻率也是125 Hz，125 Hz為基頻62.5 Hz的2倍頻；其他的次高聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程中心頻率均為基頻62.5 Hz 的整數(shù)倍。隨著曝氣管逐步延伸至養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)部，A聲級(jí)逐漸降低，主要體現(xiàn)在中高頻頻率（500 Hz 以上）的聲級(jí)降低，如圖4所示。根據(jù)上述分析：羅茨鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)及聲輻射是噪聲的主要來(lái)源，振動(dòng)通過(guò)曝氣鋼管進(jìn)入保育車間[2]，并沿著曝氣鋼管傳播到與之相連的每一個(gè)角落。

除了羅茨鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲，空氣動(dòng)力性噪聲也是噪聲之一。設(shè)計(jì)工況下5臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)總送風(fēng)量為416.5 m3/min，主管氣流速度約55 m/s。高速氣流在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于氣流流速和壓力的變化，氣體之間因壓力產(chǎn)生相互作用、氣體和管壁相互作用均會(huì)再生噪聲。從空氣動(dòng)力性噪聲產(chǎn)生機(jī)理看，主要由旋轉(zhuǎn)噪聲(氣壓脈動(dòng))和渦流噪聲(紊流噪聲)組成[3]。此空氣動(dòng)力性噪聲源屬于聲學(xué)基本聲源中的偶極子聲源，主要分布在曝氣管管壁處[4]。

3 低頻噪聲危害及降噪措施

養(yǎng)殖區(qū)室內(nèi)噪聲平均值雖未超過(guò)工作場(chǎng)所噪聲職業(yè)接觸限值85 dB(A)；但聲壓級(jí)最大值對(duì)應(yīng)的頻率為125 Hz，屬于低頻噪聲(≤200 Hz 以內(nèi))[5]。低頻噪聲由于可直達(dá)人的耳骨，對(duì)人造成的影響，遠(yuǎn)高于同等的等效A 聲級(jí)的其他噪聲[6]。而在此噪聲環(huán)境下，中華鱘也表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)激性：游動(dòng)速度加快、呼吸頻率增加，食欲明顯下降，偶爾發(fā)生魚(yú)跳出水面、撞擊池壁的現(xiàn)象。

低頻噪聲具有波長(zhǎng)較長(zhǎng)，易穿越障礙物，能夠長(zhǎng)距離傳播，衰減緩慢的特點(diǎn)。中華鱘保育車間內(nèi)曝氣鋼管產(chǎn)生的低頻噪聲聲波易穿越綜合管溝傳播至屋面，傳至屋面的聲波被壓型鋼板屋面反射至地面，經(jīng)反復(fù)反射，產(chǎn)生很長(zhǎng)的混響，直達(dá)聲能與混響聲能疊加，也增強(qiáng)了室內(nèi)的低頻噪聲。因此控制低頻噪聲至關(guān)重要。

噪聲控制的手段主要有三種：聲源控制、傳播控制以及個(gè)人防護(hù)?？紤]到曝氣系統(tǒng)已投入使用，從聲源上控制代價(jià)較大，且較難消除曝氣鋼管內(nèi)的空氣動(dòng)力性噪聲。同時(shí)保育車間具有參觀展示功能，不便采用個(gè)人防護(hù)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終采用隔、吸聲措施控制噪聲傳播。

隔聲“質(zhì)量定律”表明，隔聲材料面密度與隔聲量成正比關(guān)系，即質(zhì)量越高的材料隔聲效果越好。吸聲“共振原理”表明：當(dāng)入射噪聲聲波的頻率與吸聲材料的固有頻率一致時(shí)，吸聲材料就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，可高效減少聲能。由于低頻聲波比高頻聲波容易激發(fā)共振，且共振吸聲材料吸聲頻譜以共振頻率為中心出現(xiàn)吸收峰，當(dāng)偏離共振頻率較大時(shí)，吸聲系數(shù)降低，從而導(dǎo)致吸聲頻帶較窄[7]。保育車間噪聲極值主要為62.5 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz，故選用的吸聲材料需對(duì)中低頻噪聲具有較好的吸聲效果。

根據(jù)隔聲量需求及其經(jīng)濟(jì)性，保育車間室外鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行隔吸聲圍合結(jié)構(gòu)，隔聲材料為“200 mm 厚蒸壓加氣混凝土砌塊（Rw+Ctr≥40 dB）+混凝土樓板”，吸聲材料采用“0.8 mm穿孔鍍鋅鋼板+200厚離心玻璃棉”，通風(fēng)窗口采用“1.5 m 深的排風(fēng)消聲器(傳遞損失≥20 dB(A))”。保育車間室內(nèi)管溝鋼格柵采用隔吸聲材料填充，隔聲材料選用“焊接3 mm 厚鋼板（Rw+Ctr≥25 dB）+發(fā)泡混凝土”，吸聲材料為“0.4 mm穿孔鍍鋅鋼板+80厚離心玻璃棉”。為保證隔聲效果，鋼格柵間的縫隙填塞防火泥。

4 降噪效果

降噪措施實(shí)施后，在相同工況下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，結(jié)果為：

（1）保育車間室外風(fēng)機(jī)處平均A聲級(jí)噪聲由95 dB(A)降至70 dB(A)，下降量達(dá)25 dB(A)，見(jiàn)圖5所示；

（2）保育車間室內(nèi)平均A 聲級(jí)噪聲由83 dB(A)降至73 dB(A)，頻率125 Hz 的噪聲由85 dB 降至70 dB，下降量達(dá)15 dB，如圖5所示；

圖5 降噪實(shí)施前后室內(nèi)、外噪聲頻譜曲線圖

（3）經(jīng)對(duì)比5 臺(tái)、2 臺(tái)和0 臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)下，保育車間室內(nèi)平均A 聲級(jí)噪聲分別為73 dB(A)、70 dB(A)、68 dB(A)，說(shuō)明室外羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)保育車間室內(nèi)無(wú)明顯影響，見(jiàn)圖6所示。

對(duì)比降噪措施實(shí)施前后保育車間內(nèi)噪聲頻譜曲線可以發(fā)現(xiàn)：

（1）由于室外隔聲結(jié)構(gòu)和綜合管溝封閉后出現(xiàn)耦合共振，100 Hz以下特別是62.5 Hz及以下頻率的噪聲雖有所升高，但聲壓級(jí)不高；

（2）降噪后噪聲頻譜曲線整體下降，且線型較平滑，原風(fēng)機(jī)噪聲特性頻率得到有效抑制，降噪措施效果顯著，如圖6所示。

圖6 三種工況下室內(nèi)噪聲頻譜曲線

改造后，中華鱘的應(yīng)激行為顯著降低，游動(dòng)速度、呼吸頻率及攝食均恢復(fù)正常，2歲以下中華鱘攝食量由0.5%～0.7%（攝食量占體重比值）恢復(fù)至正常值1%～1.5%，呼吸頻率由平均90次/min，恢復(fù)至正常的70次/min。

5 背景噪聲理論分析及降噪討論

養(yǎng)殖車間背景噪聲（風(fēng)機(jī)停機(jī)）頻率小于100 Hz時(shí)，聲壓級(jí)隨著頻率增加而增加；大于100 Hz后，聲壓級(jí)隨著頻率增加而減少，見(jiàn)圖6 所示。根據(jù)背景噪聲頻率特性及現(xiàn)場(chǎng)勘察可判斷：背景噪聲主要是由養(yǎng)殖落水與池水，以及曝氣氣流與池水相互作用而產(chǎn)生的。

單個(gè)水滴撞擊空氣-水界面產(chǎn)生聲波循環(huán)擴(kuò)散的聲能公式[7]為：

式中：R——風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速；

v——葉輪的葉片數(shù)量。

理論分析可知：水滴撞擊聲能與水滴半徑的4次方，與水滴落水速度2 次方呈正比。因養(yǎng)殖用水量受養(yǎng)殖規(guī)模限制，降低流速不可取。減小水滴半徑對(duì)減少擊水噪聲貢獻(xiàn)較大，也不影響總用水量，故可在養(yǎng)殖水沖擊入池前增加柔性多孔降噪網(wǎng)，如圖7所示。養(yǎng)殖水經(jīng)降噪網(wǎng)后半徑減小，不僅可以減少噪聲，且水滴分散后再跌入池中可帶入更多空氣。

圖7 柔性多孔降噪網(wǎng)和多排多孔曝氣柵示意圖

曝氣管直接入水，氣流產(chǎn)生氣泡，氣泡升至水面破裂而產(chǎn)生噪聲。為降低噪聲聲能，可在曝氣管出口接多排多孔曝氣柵，如圖7 所示。從能量守恒的角度分析，氣流與氣柵小孔之間的摩擦?xí)a(chǎn)生能量消耗，聲能會(huì)削減。而且氣流通過(guò)小孔后，氣泡體積變小、數(shù)量增多，增加了水與空氣的接觸面積，有利于溶氧。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）大型水產(chǎn)養(yǎng)殖車間曝氣風(fēng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)及管道空氣動(dòng)力性噪聲特征明顯，通過(guò)采用隔吸聲措施處理，降噪量可達(dá)15 dB（A），降噪后的噪聲值與車間背景噪聲接近，達(dá)到預(yù)期效果。

（2）大型水產(chǎn)養(yǎng)殖車間的背景噪聲由氣液兩相互相作用產(chǎn)生，落水水滴直徑、速度和氣流速度、氣泡直徑是主要影響因子。水滴和氣泡直徑越小、水流和氣流速度越低，噪聲越??；水滴和氣泡直徑相較于速度對(duì)噪聲貢獻(xiàn)更大。

（3）風(fēng)機(jī)關(guān)停瞬間，因氣流慣性，曝氣管道短時(shí)內(nèi)會(huì)有負(fù)壓，為防止水體倒吸，水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)通常將曝氣管道布置高于魚(yú)池水面，但此設(shè)計(jì)對(duì)降噪不利，應(yīng)關(guān)注。

（4）噪聲對(duì)中華鱘攝食、呼吸頻率等行為指標(biāo)有明顯的影響，降噪后均可恢復(fù)正常。后期可通過(guò)血液等生化指標(biāo)、體重增長(zhǎng)率等生長(zhǎng)性指標(biāo)，定量評(píng)估中華鱘對(duì)噪聲的應(yīng)激反應(yīng)，其研究方法和成果對(duì)水產(chǎn)增殖將有十分積極作用，具有推廣價(jià)值。