張 浩，馮 濤，劉碧龍，劉 克

（1.中國科學院 噪聲與振動重點實驗室（聲學研究所），北京 100190；2.北京工商大學 機械工程學院，北京 100048）

泵是水管路系統(tǒng)的主要動力元件，同時也是重要的噪聲源。研究水泵流噪聲特性對管路系統(tǒng)降噪具有重要意義。水泵流噪聲是流體介質(zhì)與泵機葉輪、蝸殼等結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的，機理比較復雜，實驗方法則是研究水泵流噪聲特性較為直接和有效的方法。

1995年，Morgenroth[1]建立了離心泵流噪聲測試系統(tǒng)，研究了蝸舌形狀與水泵流噪聲的關(guān)系。2000年，Rzentkowski等人[2]給出了離心泵傳遞矩陣的預測模型。Bardeleben[3]使用雙端口模型[4]測量了離心泵的流噪聲特性。馮濤等人[5―7]建立了離心泵流噪聲測試系統(tǒng)，對離心泵流噪聲與其水力學參數(shù)的關(guān)系進行實驗研究，并指出高傳遞損失情況下雙端口模型可以簡化為單端口模型。2010年，吳瑞[8,9]對基于聲相似律測量旋轉(zhuǎn)機械流噪聲的方法進行了改進，并用這種方法測量了軸流風扇和離心泵的流噪聲。王秋陽[10]、鐘榮等[11,12]分別以泵在不運行狀態(tài)下的散射矩陣為基礎(chǔ)，根據(jù)雙端口模型，得到了離心泵的聲源特性。熊海芳等[13]、蔣愛華等人[14]對國內(nèi)外離心泵流噪聲的產(chǎn)生機理、數(shù)值計算和實驗研究進行了總結(jié)。但是尚未見到有關(guān)水泵上下游聲壓級差與水泵各項參數(shù)的變化關(guān)系的研究。

本文對TQWH40-100型離心泵的流噪聲進行了實驗研究。直接測量了五種不同尺寸葉輪的離心泵在不同轉(zhuǎn)速時上下游的流噪聲，研究了泵的上下游聲壓級差與泵轉(zhuǎn)速以及輪舌間隙的關(guān)系，并分析了其產(chǎn)生的原因。

1 離心泵流噪聲測試系統(tǒng)

圖1、圖2分別是管路實驗系統(tǒng)的原理圖和實物圖。實驗選用上海天泉泵業(yè)TQWH 40-100型離心泵。泵流量12.5 m3/h，揚程32 m，額定功率3 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，進水口和出水口口徑均為0.04 m，閉式葉輪，有5個葉片。額定工況下管道中水的流速為2.76 m/s，遠小于水中的聲速，因此可以忽略水的流動對流噪聲的影響。離心泵的電機由變頻器驅(qū)動，可以穩(wěn)定地調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。管道系統(tǒng)內(nèi)徑為0.04 m。為了抑制流噪聲與管壁振動的耦合作用影響，系統(tǒng)使用厚度為0.02 m的不銹鋼管。水罐用以分隔水泵上游和下游的輻射噪聲。

圖1 管路實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of experiment setup

圖2 管路實驗系統(tǒng)實物圖Fig.2 A photo of experiment setup

圖3 是離心泵流噪聲測試系統(tǒng)示意圖。在離心泵前后各布置兩個水聽器，1#、2#水聽器分別距離離心泵入口1.2 m和0.62 m，3#、4#水聽器分別距離離心泵出口0.62 m和2.51 m。水聽器型號為中科院聲學所研發(fā)的CS-3型水聽器。水聽器信號通過B ＆ K PULSE 3560C采集進入計算機進行分析處理。

2 離心泵流噪聲測試結(jié)果分析

2.1 額定工況

圖4表示離心泵在額定工況運行時，四個水聽器測量得到的流噪聲自譜。橫軸代表頻率，縱軸代表流噪聲聲壓級。離心泵流噪聲表現(xiàn)為寬帶噪聲和葉頻及其倍頻處的離散噪聲疊加。如圖4中標注所示，頻譜的最高點在第一階葉片通過頻率（BPF）處。離散噪聲的幅值比寬帶噪聲高20～40 dB，集中了流噪聲的大部分能量。

圖3 流噪聲測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Layout for measurement of pump noise

圖4 額定工況下離心泵的流噪聲Fig.4 Flow noise of pump running under standard condition

2.2 流噪聲與轉(zhuǎn)速、葉輪尺寸的關(guān)系

實驗采用了原型葉輪和四種不同半徑的改型葉輪進行流噪聲測試，具體的尺寸在表1中給出。圖5是四種改型葉輪的照片。

表1 葉輪的尺寸Tab.1 Dimensions of impellers

圖5 改型葉輪Fig.5 Modified Impellers

圖6 和圖7表示水泵下游3#水聽器流噪聲總聲壓級和BPF聲壓級與離心泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。橫坐標表示離心泵的轉(zhuǎn)速，縱坐標代表聲壓級。不同標注的線代表不同葉輪半徑的變化情況。圖6和圖7可以看出，離心泵下游的流噪聲BPF聲壓級和總聲壓級均隨離心泵轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是因為水泵流噪聲的一個主要來源是葉輪和蝸舌的干涉作用引發(fā)的偶極子聲源。當葉輪轉(zhuǎn)速增加時，聲源強度也隨之增加。同樣，當葉輪半徑增加導致輪舌間隙減小時，聲源強度也會隨著增加，這一點在圖6和圖7中也有所反應。圖6和圖7中原型葉輪在最高轉(zhuǎn)速均有一個下降，這可能是由于測量誤差引起的。

圖6 離心泵下游3#水聽器總聲壓級Fig.6 Total sound pressure levels of 3#Hydrophone

圖7 離心泵下游3#水聽器BPF聲壓級Fig.7 BPF sound pressure levels of 3#Hydrophone

圖8 和圖9表示水泵上游2#水聽器流噪聲的總聲壓級和BPF聲壓級隨離心泵轉(zhuǎn)速的變化。圖中只給出了四種改型泵的測量結(jié)果。水泵上游的總聲壓級隨泵轉(zhuǎn)速增加而略有增加，并且輪舌間隙的改變對聲壓級的改變很小。當轉(zhuǎn)速在2 000r/min以下時，水泵上游BPF聲壓級隨轉(zhuǎn)速增加改變不大，高于2 000r/min時，BPF聲壓級先明顯下降，然后逐漸上升。產(chǎn)生這種情況的原因可能是因為在離心泵轉(zhuǎn)速較小的條件下，產(chǎn)生BPF流噪聲的偶極子聲源可能并不占絕對的主要地位，總聲壓級還會受到單極子聲源和四極子聲源的影響；因此，才會導致總聲壓級隨轉(zhuǎn)速稍有增加，而BPF聲壓級則沒有類似明顯的規(guī)律。

圖8 離心泵上游2#水聽器總聲壓級Fig.8 Total sound pressure levels of 2#Hydrophone

圖9 離心泵上游2#水聽器BPF聲壓級Fig.9 BPF sound pressure levels of 2#Hydrophone

2.3 水泵上下游流噪聲聲壓級差

從上節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，實驗中水泵下游的流噪聲聲壓級要高于上游，下面具體分析水泵兩側(cè)的聲壓級差的變化規(guī)律及其產(chǎn)生的原因。

圖10表示離心泵兩端總聲壓級之差與離心泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。圖中顯示總聲壓級差隨著離心泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，并且葉輪半徑越大，總聲壓級差也就越大。對比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)，雖然泵的上游和下游的聲壓級均會隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，但是下游的增加速度要大于上游。水泵下游的流噪聲聲壓級會隨著葉輪半徑的增加而增加，而上游的流噪聲聲壓級幾乎與葉輪半徑?jīng)]有明顯的變化關(guān)系。說明離心泵的主要噪聲源更靠近泵的出口位置，更易于向下游傳播，而由于離心泵殼體和旋轉(zhuǎn)葉輪對聲波的阻隔作用，不易于向上游傳播，因此才導致離心泵下游聲壓級要高于上游。

圖10 離心泵3#水聽器與2#水聽器總聲壓級之差Fig.10 Total sound pressure level differences of 3#Hydrophone and 2#Hydrophone

3.結(jié)語

本文在實驗室條件下對TQWH40-100型離心泵的流噪聲特性進行了實驗研究。直接測量了水泵上下游各兩點的聲壓，觀察了流噪聲聲壓級與水泵轉(zhuǎn)速以及葉輪尺寸的變化關(guān)系，探討了水泵上下游聲壓級差產(chǎn)生的原因。

研究結(jié)果表明：離心泵流噪聲表現(xiàn)為寬帶噪聲和離散噪聲的疊加，在葉片通過頻率及其倍數(shù)頻率處，集中了大部分能量；離心泵的流噪聲會隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨著輪舌間隙的減小而增加。由于離心泵流噪聲主要來源于更靠近水泵出口位置的輪舌干涉作用，并且輻射噪聲受到殼體和旋轉(zhuǎn)葉輪的阻隔，因此離心泵下游的聲壓級要高于上游的聲壓級，兩者的聲壓級差大致隨著泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨著輪舌間隙的減小而增加。

[1]Morgenroth.Sound generation by a centrifugal volute pump at blade pass frequency[D].Hamilton,McMaster University,1995.

[2]G. Rzentkowski and S. Zbroja. Experimental characterization of centrifugal pumps as an acoustic source at the blade passing frequency[J].Journal of Fluids and Structures,,2000,14:529-558.

[3]Bardeleben.Acoustic characterization of a centrifugal pump using a two port model[D].Hamilton,McMaster University,2004.

[4]Lavrentjev J,?bom M,Bodén,H.A measurement method for determining the source data of acoustic two-port sources[J].Journal of Sound and Vibration,1995,183(3):517-531.

[5]馮 濤，劉 克，等.離心泵水動力噪聲測試系統(tǒng)的研制[J].流體機械，2005，33(4)：27-30.

[6]王 晶，馮 濤，等.離心泵流動噪聲與其水力學參數(shù)關(guān)系的實驗研究[J].流體機械，2007，35(5)：8-11.

[7]杜 鑫，馮 濤，等.高傳遞損失條件下雙端口模型的簡化[C].2009全國環(huán)境聲學學術(shù)會議論文集，中國北海，2009年12月，93-97.

[8]吳 瑞，馮 濤，耿少娟，劉 克，聶超群.一種基于聲相似律的旋轉(zhuǎn)流體機械噪聲聲源分離方法[J].聲學學報，2010，35(2)：119-125.

[9]吳 瑞.旋轉(zhuǎn)流體機械流動噪聲源特性研究[D].北京，中國科學院聲學研究所，2010.

[0]王秋陽.離心式海水泵流噪聲仿真與實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[1]鐘 榮，等.管路聲源雙端口模型及源參數(shù)提取的測試分析方法[C].第十二屆船舶水下噪聲學術(shù)討論會，中國長沙，2009年10月，290-297.

[2]鐘 榮，等.水泵的水動力噪聲源特性測試[C].第十三屆船舶水下噪聲學術(shù)討論會，中國鷹潭，2011年8月，302-307.

[3]熊海芳，等.離心泵內(nèi)部流動誘導噪聲的研究[J].水泵技術(shù)，2007，3：7-9.

[4]蔣愛華，等.離心泵噪聲研究的綜述和展望[J].振動與沖擊，2011，30(2)：77-84.