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对旋轴流通风机噪声源的识别与分析

庞 磊 / 北京理工大学 宋瑞祥 / 北京市劳动保护科学研究所    

 

摘要: 根据对旋轴流通风机的结构特点,以一台具有代表性的对旋轴流通风机为例,介绍了与其相适应的声场测量方法。通过对其噪声源进行分析,识别出其噪声源由气动离散噪声、电机的电磁噪声及宽带噪声组成,并指出气动离散噪声是这类通风机最主要的噪声源。最后,给出了对旋轴流通风机降噪的几点创新性建议。

关键词 :对旋轴流通风机;噪声源;气动离散噪声;措施

中图分类号 : TH432.1    文献标识码 : B

Identification and Analysis of Noise Source in Counter-rotating Axia-flow Fan

Abstract: According to the structural characteristics of counter-rotating axia-flow fan , taking a representative counter-rotating axia-flow fan as example, an appropriate measuring method of the sound field is introduced. Through the analysis of noise source, it consists of aerodynamic discrete noise, electromagnetic noise of motor and broadband noise. And the aerodynamic discrete noise is the most main noise source for this kind of fans. Finally, several innovative suggestions of noise control in counter-rotating axia-flow fan are given.

Key words: counter-rotating axia-flow fan ; noise source; aerodynamic discrete noise; measure

0  引言

  近年来,随着社会的发展进步,人们对生活和工作环境的要求日益提高,风机的噪声问题便突显出来,从而带动国内外风机噪声研究的兴起和发展。

  对旋轴流通风机广泛用于矿井、隧道等使用空间小又需要强烈通风的场合。然而,作为轴流通风机的一个特例,对旋轴流通风机将两个相对反向旋转的叶轮、电机和各种支撑结构都安装在一个叶顶间隙很小的筒体中,从而导致其内部流场中存在非常严重的动动干涉与动静干涉,使得这类风机的内部流场比普通轴流通风机更加复杂,同时还伴有严重的噪声污染,不仅给人们的生活和工作带来巨大危害,其噪声测试也比较困难,这就给对旋轴流通风机的噪声研究及控制带来更大的难度 [1-3] 。因此,在研究这类通风机的噪声问题时,首先必须要对其噪声源进行识别,即对其进行声场测量和噪声分析 , 识别出主要声源的位置、性质和频率特征,并分析其发声机制,从而有针对性地进行改进设计,并提出和实施相应的降噪措施 [4]

1  试验方法

  选择一台具有代表性的对旋轴流通风机作为研究对象进行了声学测量。表 1 为该通风机标准工况下的主要设计参数,其叶片采用等厚度薄板,叶型由叶片上 7 个不同截面的双圆弧型线组合而成。

表 1 对旋轴流通风机主要设计参数

符号/单位

意义及说明

参数

Dt/mm

叶轮直径

500

Nf /( r/min )

前级叶轮转速

2900

Nr/( r/min )

后级叶轮转速

2900

Q/(m3/h)

流量

11000

pt /Pa

总压

3000

ν

轮毂比

0.6

Zf

前级叶片数

9

Zr

后级叶片数

7

  由于选用的对旋轴流通风机整机结构和体积比较庞大(所有这类风机基本都具有类似的结构和体积),使得噪声测试很难在消声实验室内进行,而现场测试声功率不仅需要有很大的测试空间,而且风机出口区排气速度大,针对出口区的测量很难测准,所以选择在现场测试声压级,按 GB/T 2888-91 《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》测了一点,其位置为距风机出口 1m 远、 45 °位置,见图 1 。声学信号测量采用 BK 3560C -pulse 多分析仪系统,量程选择 1/24 倍频程。在测量声压级的同时,还进行了相应的进气气动性能试验。

2  测试结果

  试验测试得到的线性声压级频谱见图 2 。当频率超过 1000Hz 时,其线性声压级均在 70Hz 以下;在中低频部分则存在 4 个声压级超过 70 dB 的高峰,分别对应编号① ~ ④,主要针对这 4 个峰进行分析;编号⑤和⑥位置也存在两个小峰,但它们的声压级较低,所以不作探讨;编号⑦为高频位置。表 2 给出了编号① ~ ④对应的频率、线性声压级和 A 计权声压级。

表 2   试验测试得到的编号 ① ~ ④ 对应频率和线性声压级、 A 计权声压级

编号

频率 /

Hz

线性声压级 /dB

A 声级 /dB ( A )

49.40

83.22

52.59

98.57

73.76

54.36

339.85

76.04

70.07

440.25

85.15

81.06

3  噪声源分析

3.1  电机的电磁噪声

  图 3 中编号①为电机自身产生的电磁噪声,所配用的电机其固有频率均为 50 Hz ,因此,在 50 Hz 附近存在这样一个较高的峰,其线性声压级达到了 83.22 dB 。然而,在 A 计权声压级频谱中,由于低频段衰减很大,这个峰仅为 52.59 dB ( A ),与③、④的 A 声级相差甚远。编号②也是电机本身产生的电磁噪声,其频率对应电机固有频率 50 Hz 的 2 倍,因此为电机电磁噪声的 2 倍频。与①相似,在 A 计权声压级频谱中,这个峰仅为 54.36dB ( A )。因此,由电机本身产生的电磁噪声不是对旋轴流通风机主要的噪声源。

3.2  气动离散噪声

  编号③和④分别为后级叶轮和前级叶轮旋转产生的气动离散噪声。这两个峰对应的频率分别为 339.85 Hz 和 440.25 Hz ,而根据试验测得的前后叶轮转速值(前后级叶轮转速分别为 2935r/min 和 2913r/min )计算可知,这两个峰所在频率刚好分别对应着两级叶轮的叶片通过频率( BPF )。 BPF 可表示为

f = nz /60

  式中 f 为叶片通过频率, Hz ; n 为叶轮转速 r/min ; z 为叶片数。

  经分析,当后级叶轮和与其相邻的电机支架及电机进线管周期性相对旋转时,后级叶片表面就会产生周期性变化的压力脉动,从而产生了编号③对应的气动离散噪声;同理可知,编号④对应前级叶片表面压力脉动所产生的气动离散噪声。这两个离散噪声的线性声压级均已超过 75dB ,而编号④对应的线性声压级高达 85.15 dB ,同时,它们在 A 计权频谱中衰减都很小。显然,由叶片表面脉动压力形成的 BPF 气动离散噪声是对旋轴流通风机最主要的噪声源。

3.3  宽带噪声

  编号⑦为宽带噪声,该噪声由风机内流动引起,其所在频率位于中高频,各频段的线性声压级均未超过 70 dB ,因此宽带噪声也不属于对旋轴流通风机主要的噪声源。

4  结论

  通过对一台有代表性的对旋轴流通风机的噪声分析,识别出其主要噪声源是风机的气动离散噪声,即由叶片表面压力脉动引起的 BPF 离散噪声。这类噪声在对旋轴流通风机各类噪声中成为最主要的噪声源,其主要原因有二:一方面,这类通风机转速高、压头大,内部流场极其复杂;另一方面,通风机内部存在各种电机支架和导线管,它们与两个高速旋转的动叶轮产生强烈的动静干涉和动动干涉,从而使叶片表面出现周期性变化的脉动压力。而电机本身产生的电磁噪声和中高频的宽带噪声与气动离散噪声相比并不是主要噪声源。

  针对对旋轴流通风机噪声源的特点,提出 4 点非传统而具有创新性的降噪措施。

  (1)在满足工程要求的前提下,尽量减少对旋轴流通风机内部的支架及导线管等结构,以减轻其与动叶轮之间的干涉,降低气动离散噪声。

  (2)在工程上允许并满足气动性能要求的情况下,尽量使各种支架远离动叶轮;同时,尽量增加两级动叶轮的间距。这样,也是为了减轻动静干涉及动动干涉,降低气动离散噪声。

  (3)对叶片型线及叶片安装角进行反复优化,使对旋轴流通风机内部流场尽量简单化。

  (4)使用合理的吸声棉等材料,并结合提出的前三点建议,一定能够使对旋轴流通风机的降噪效果达到最好。

参 考 文 献

[1] 冯毓诚 , 赵秀华 . 对旋轴流风机降噪措施的实验研究 [J]. 航空动力学报 , 1995, 10(2): 113-116.

[2] 史伟 . 多段组合穿孔板声衬降低对旋风机噪声的实验研究 [J]. 航空动力学报 , 1997, 12(4): 401-403.

[3] 史伟 . 新型通气声衬在对旋轴流通风机降噪中的实验研究 [J]. 燃气涡轮试验与研究 , 1998, 11(1): 20-26.

[4] MalcolmJ. Crocker. Identification of noise sources on a residential split-system air-conditioner using sound intensity measurements[J]. Applied Acoustics, 2004 (65): 545 - 558.

 

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  评论人:nsxlzh   打分:85 分  发表时间:2015-8-19 6:51:20
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  评论人:ygqcng   打分:85 分  发表时间:2010-4-28 20:20:15
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