黃恩德，楚武利，屈凱東，王燦良

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710072)

0 引 言

離心通風(fēng)機(jī)的噪聲問(wèn)題一直都不容樂(lè)觀，包括世界上用在潛艇、船舶等上面的離心通風(fēng)機(jī)，都因?yàn)樵肼曔^(guò)大而不能滿足船員的正常生活及設(shè)備隱身性等要求。為了降低離心通風(fēng)機(jī)的噪聲，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者在試驗(yàn)和理論上都進(jìn)行了長(zhǎng)期研究。控制通風(fēng)機(jī)噪聲是一項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)交叉的綜合性工程［1］。離心通風(fēng)機(jī)的噪聲來(lái)源于多方面，空氣動(dòng)力噪聲是影響大型離心風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性及工作性能的主要因素，蝸舌噪聲是大型離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源［2］。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原理，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐和理論分析，有很多傳統(tǒng)的降噪方法如吸聲蝸殼或傾斜蝸舌［3］，但對(duì)離心通風(fēng)機(jī)性能影響較大;也有非傳統(tǒng)的方法如階梯蝸舌［4］，但加工工藝復(fù)雜，成本較高。

研究表明，耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)在一定范圍內(nèi)具有顯著的降噪效果［5］。同樣，對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)，可以從貓頭鷹飛行捕食的過(guò)程中得到啟發(fā)。長(zhǎng)耳鸮［6］是貓頭鷹的一種，仿生蝸舌的設(shè)計(jì)主要是從長(zhǎng)耳鸮的羽翼組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，提取其吸聲降噪特征元素，應(yīng)用于蝸舌與氣流接觸的表面。

因此，本文從蝸舌的角度入手，利用仿生學(xué)原理，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)蝸舌的結(jié)構(gòu)來(lái)改善離心通風(fēng)機(jī)蝸舌處的流場(chǎng)，達(dá)到降低離心通風(fēng)機(jī)噪聲的目的。

1 仿生蝸舌降噪試驗(yàn)

1.1 耦合仿生吸聲蝸舌的結(jié)構(gòu)

應(yīng)用長(zhǎng)耳鸮皮膚組織中的吸聲特征元素來(lái)設(shè)計(jì)仿生蝸舌，這種仿生蝸舌的結(jié)構(gòu)主要包括微縫層、穿孔層及空腔［7］3 部分。在蝸舌與氣流接觸面積比較大的那一部分制造出耦合吸聲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 耦合仿生吸聲蝸舌結(jié)構(gòu)Fig.1 The construction of coupling bionics and sound absorption volute tongues

根據(jù)相似原理確定仿生蝸舌的幾何尺寸，將長(zhǎng)耳鸮標(biāo)本對(duì)應(yīng)的尺寸放大得到，微縫板層的主要尺寸有微縫板厚度、微縫寬度及微縫的中心間距，穿孔板層的主要尺寸有穿孔板厚度、孔徑、微孔中心間距，空腔的主要尺寸是深度。本文主要研究仿生結(jié)構(gòu)耦合作用的有效性，因此只取一組幾何數(shù)據(jù)，與原型蝸舌對(duì)比，仿生蝸舌形態(tài)單元的尺寸對(duì)降噪效果有影響，為了獲得最佳降噪效果，尺寸大小與噪聲頻段的對(duì)應(yīng)關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

綜合考慮到加工條件的影響因素，耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌的建模尺寸如圖2和表1所示。

表1 仿生結(jié)構(gòu)形態(tài)尺寸大小Tab.1 The size parameters of bionic construction

根據(jù)以上尺寸，用UG 三維建模軟件設(shè)計(jì)的仿生蝸舌如圖3所示。

圖2 蝸舌尺寸參數(shù)Fig.2 The size parameters of volute tongue

1.2 降噪試驗(yàn)方案及過(guò)程

噪聲測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)航空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置遵循《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試方法》，聲學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)包括聲級(jí)計(jì)和頻譜分析儀。噪聲的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)位置如圖3(c)中的D 點(diǎn)所示，R=1 m。試驗(yàn)方案主要是先安裝原始蝸舌，可以通過(guò)調(diào)節(jié)離心通風(fēng)機(jī)出口的節(jié)流器來(lái)控制通風(fēng)機(jī)的流量，選取7 種不同的流量，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量位置用聲級(jí)計(jì)測(cè)量原始蝸舌在通風(fēng)機(jī)具有不同流量時(shí)噪聲的大小，記錄噪聲數(shù)據(jù)，觀察原始蝸舌的噪聲隨流量的變化。

圖3 結(jié)構(gòu)三維模型及噪聲測(cè)點(diǎn)Fig.3 3D model of the construction and the standard measuring point of noise

同時(shí)，在試驗(yàn)控制臺(tái)上記錄離心通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，如全壓、流量、靜壓和大氣溫度等，畫(huà)出性能曲線。在此基礎(chǔ)之上，安裝耦合仿生吸聲蝸舌，在與原始蝸舌相同的試驗(yàn)條件下，測(cè)量離心通風(fēng)機(jī)在不同工況下的噪聲等級(jí)和性能參數(shù)，用示波器采集信號(hào)，并且記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后集中整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，把仿生蝸舌的噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)和時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)，與原始蝸舌的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作相對(duì)比較，觀察仿生蝸舌的降噪效果。另外，觀察所測(cè)量的通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)數(shù)據(jù)，分析仿生結(jié)構(gòu)蝸舌對(duì)離心通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響。

1.3 降噪試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，畫(huà)出3 種情況下噪聲與流量的特性曲線，以及效率與流量的特性曲線，如圖4所示。

圖4 離心通風(fēng)機(jī)噪聲特性曲線與效率特性曲線(大氣溫度293 K，大氣壓力97 275 Pa)Fig.4 The noise character diagram and efficiency character diagram of a centrifugal fan(atmospheric temperature 293 K，Atmospheric press97 275 Pa)

圖中original 代表通風(fēng)機(jī)上安裝有原始蝸舌，仿生蝸舌設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，中間層的穿孔板可拆卸，在相同的降噪效果下，仿生蝸舌的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好，因此，將仿生蝸舌分為2 組，case1和case2 分別代表通風(fēng)機(jī)上安裝有帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌和不帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌。從圖4 中可以看出，對(duì)于原始蝸舌，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)噪聲最小。在小流量和大流量的情況下，噪聲會(huì)逐漸增加;通風(fēng)機(jī)的效率隨著流量的增大會(huì)先增大后減小，在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，有一個(gè)最高效率點(diǎn)。

在小流量時(shí)，2 種仿生蝸舌的噪聲都比原始蝸舌低，其中，case1 即帶穿孔板的耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌的降噪效果最明顯，在小流量時(shí)最大能降低2.5 dB，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，噪聲等級(jí)能降低0.5 dB。

在大流量時(shí)，通風(fēng)機(jī)內(nèi)由于只有小部分氣流通過(guò)蝸舌表面的仿生區(qū)域，原始蝸舌與2 種仿生蝸舌的噪聲特性曲線相互交替，降噪效果不明顯。

通過(guò)3 種情況下的噪聲特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，case1 的降噪效果優(yōu)于case2，這說(shuō)明帶穿孔板的耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌的降噪效果更為明顯。從效率特性曲線中可以看出，在小流量時(shí)，裝有仿生蝸舌的離心通風(fēng)機(jī)的效率略低于裝有原始蝸舌的離心通風(fēng)機(jī)效率，這說(shuō)明仿生蝸舌對(duì)通風(fēng)機(jī)性能影響不大;當(dāng)流量超過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)，逐漸增大時(shí)，3 種情況下通風(fēng)機(jī)的效率曲線相互交替，但變化不大。圖5 表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)離心通風(fēng)機(jī)的全壓基本不變，只是在流量偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，全壓會(huì)略有升高或降低。因此，仿生蝸舌對(duì)離心風(fēng)機(jī)的性能影響很小。

圖5 離心通風(fēng)機(jī)全壓特性曲線(大氣溫度293 K，大氣壓力97 275 Pa)Fig.5 The total pressure character diagram of a centrifugal fan(atmospheric temperature 293 K，atmospheric press 97 275 Pa)

2 仿生蝸舌降噪機(jī)理分析

通風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的噪聲視為偶極子源。它主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成［8］，葉片與蝸舌的耦合對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲也有影響［9］。氣流流經(jīng)蝸舌時(shí)，蝸舌表面的附面層發(fā)展到一定程度會(huì)在蝸舌的尾緣發(fā)生渦流脫落，增大了氣流出口處的噪聲;另外，蝸舌附近還會(huì)有壓力脈動(dòng)，這也將導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生［10］。仿生降噪蝸舌可以改善蝸舌繞流附面層參數(shù)，使附面層分離推遲，噪聲得到有效控制。

對(duì)于耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌，其微縫可以減緩葉輪排出的氣流與蝸舌的相互作用，氣流流過(guò)微縫時(shí)，氣流和微縫之間會(huì)有摩擦和阻尼，這種摩擦和阻尼的作用將氣體的聲能轉(zhuǎn)化為熱能。另外，微孔中的空氣在一定頻率的聲波下發(fā)生共振，氣體的能量被吸收，起到消聲降噪的作用，內(nèi)部空腔能加強(qiáng)這一效果，從而減緩氣流對(duì)蝸舌的沖擊及蝸舌表面的氣流分離，使氣流的流動(dòng)更加均勻，同時(shí)壓力脈動(dòng)的程度降低，于是旋轉(zhuǎn)噪聲隨之減小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用仿生學(xué)原理和對(duì)比試驗(yàn)的方法，對(duì)降低離心風(fēng)機(jī)蝸舌處的噪聲進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和降噪機(jī)理的分析，得到如下結(jié)論:

1)耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌在小于設(shè)計(jì)點(diǎn)流量及設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，能降低離心通風(fēng)機(jī)的噪聲，最大能降低噪聲2.5 dB，在設(shè)計(jì)點(diǎn)能降低0.5 dB。

2)帶穿孔板的仿生蝸舌的降噪效果要優(yōu)于不帶穿孔板仿生蝸舌的降噪效果，說(shuō)明穿孔板的耦合作用能加強(qiáng)仿生蝸舌的吸聲降噪效果。

3)仿生蝸舌在小于設(shè)計(jì)點(diǎn)流量時(shí)，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的效率、全壓等性能參數(shù)影響不大，因此，將生物學(xué)的特征應(yīng)用于離心通風(fēng)機(jī)蝸舌處進(jìn)行降噪是一種有效的方法。

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