翟繼濤 趙 巖 雷 洪

（1.東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院）

AY7-41№56A型離心風(fēng)機(jī)匹配消聲器分析?

翟繼濤1,2趙 巖2雷 洪1,2

（1.東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院）

為了降低離心式風(fēng)機(jī)的噪聲，首先分析了AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲特性，確定了風(fēng)機(jī)的頻率范圍為250～8 000Hz時(shí)的聲能占總聲能的72%，且噪聲的頻率峰值為1 000Hz；接著采用有限元模態(tài)分析確定柱狀殼體結(jié)構(gòu)消聲器不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象；最后采用噪聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)五種阻性消聲器分別進(jìn)行了倍頻程分析和總聲級(jí)比較，分析結(jié)果表明，當(dāng)采用第五種消聲器時(shí)，對(duì)AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪效果最好，在距離消聲器1米處，噪聲總聲級(jí)降低了約8.27dB(A)。此時(shí)風(fēng)機(jī)的主要噪聲頻率為250～8 000Hz，此頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

離心式風(fēng)機(jī)；噪聲；吸聲板；倍頻程；消聲器；共振現(xiàn)象

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，噪聲污染變得越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)與氣體污染，固體廢棄物污染和水污染并列成為世界四大污染問(wèn)題。噪聲對(duì)人的危害很大，尤其對(duì)于長(zhǎng)期作業(yè)在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境的工人，容易引起耳鳴?？紤]到人們的身體健康，必須對(duì)工業(yè)噪聲加以嚴(yán)格控制。

工業(yè)離心風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲，達(dá)到90dB以上，遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定噪聲標(biāo)準(zhǔn)。離心式風(fēng)機(jī)噪聲主要由四部分組成：進(jìn)氣口和排氣口的空氣動(dòng)力噪聲；機(jī)殼、管路、電動(dòng)機(jī)軸承等輻射的機(jī)械噪聲；電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲；氣體和固體彈性系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的氣固耦合噪聲[1]。其中進(jìn)排氣口的空氣動(dòng)力性噪聲最強(qiáng)。

目前，風(fēng)機(jī)減噪的主要手段是在進(jìn)排氣端安裝消聲器來(lái)降低噪聲。根據(jù)消聲原理，消聲器可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器。本文主要研究了阻性消聲器[2]對(duì)AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪的影響，利用ANSYS對(duì)消聲器進(jìn)行了模態(tài)分析，并通過(guò)對(duì)阻性消聲器內(nèi)部吸聲板結(jié)構(gòu)的不同布置方法得出吸聲效果最好的方案。

1 聲音傳播理論分析

對(duì)于消聲器管道而言，可以把聲音的傳播看成一維平面聲波，其波動(dòng)方程為

平面聲波的聲壓表達(dá)式為

聲壓級(jí)的符號(hào)用SPL表示，單位為dB，公式為

式中，pe為待測(cè)聲壓的有效值；pref=2×10-5Pa為參考聲壓。

2 實(shí)驗(yàn)方案分析

2.1 消聲器結(jié)構(gòu)

阻性消聲器具有良好的中高頻消聲性能，對(duì)低頻消聲性能較差[3]。離心式風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率集中在中頻段，所以適合采用阻性消聲器進(jìn)行風(fēng)機(jī)消聲。巖棉是一種很好的吸聲材料[4]，具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、不燃、防蛀、熱導(dǎo)率低、耐溫達(dá)300℃～400℃、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、吸聲性能好等特性[5]。該方案將阻性消聲器安裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)口端來(lái)達(dá)到消聲目的。具體而言，在消聲器內(nèi)壁鋪設(shè)30mm厚的巖棉，所用的吸聲板內(nèi)部填充滿巖棉。

通過(guò)對(duì)消聲筒內(nèi)吸聲板布置方式的改造和布置數(shù)量的差異，設(shè)計(jì)出五種不同結(jié)構(gòu)的消聲器，如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)的消聲器表Tab.1 the different structure of mufflers

圖1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端安裝第五種消聲器結(jié)構(gòu)圖，尺寸單位為mm。

圖1 第五種消聲器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The fifth muffler structure

2.2 風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的離心式風(fēng)機(jī)型號(hào)為AY7-41N056A，流量9 500m3/h，電機(jī)功率22kW。噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)主要由MP201傳聲器、MA231前置放大器、MC302二進(jìn)二出數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件組成。測(cè)量的頻率范圍：0～20 000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為32 768[6]，每次測(cè)量的時(shí)間為1分鐘，測(cè)點(diǎn)有6個(gè)，如圖1所示。具體測(cè)試過(guò)程如下：

1）將消聲器排氣口與風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口安裝固定好，消聲器進(jìn)氣口通向大氣；

2）風(fēng)機(jī)閥門處于全開(kāi)位置，在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；

3）利用噪聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)圖1所示的消聲器的6個(gè)位置進(jìn)行噪聲測(cè)量，記錄時(shí)間—聲壓數(shù)據(jù)[7]；

4）利用快速傅里葉變換[8]，對(duì)時(shí)間—聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行倍頻程分析，算出總聲壓級(jí)。

為了準(zhǔn)確分析風(fēng)機(jī)的頻率范圍，在0～20 000Hz范圍內(nèi)取11個(gè)頻率值進(jìn)行倍頻程分析[9]。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)機(jī)進(jìn)氣端無(wú)消聲器的聲級(jí)特征

在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口端沒(méi)有安裝消聲器的情況下，應(yīng)用噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)分別對(duì)6個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行噪聲測(cè)量，計(jì)算出6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處噪聲的倍頻程圖和總聲級(jí)。

圖2表明了風(fēng)機(jī)在沒(méi)有安裝消聲器的情況下不同測(cè)量點(diǎn)的噪聲特性。隨著測(cè)量點(diǎn)距風(fēng)機(jī)距離的逐漸增大，各個(gè)頻率的聲壓級(jí)逐漸減小。不同測(cè)量點(diǎn)處的聲壓級(jí)都隨頻率的增加先增加而后減?。划?dāng)頻率約為500Hz時(shí)，聲壓達(dá)到峰值，約為95dB(A)。風(fēng)機(jī)噪聲主要分布在中高頻，其中頻率范圍在250～8 000Hz的聲能約占總聲能的72%。

圖2 無(wú)消聲器的風(fēng)機(jī)分別在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的倍頻程圖Fig.2 The octave of fan without muffler at six points

圖3表明，在無(wú)消聲器的情況下，從點(diǎn)1到點(diǎn)4的總聲級(jí)呈線性下降，下降幅度為2.28dB(A)/m；而點(diǎn)4到點(diǎn)6線性下降幅度有所下降，下降幅度約為0.98dB(A)/m。

圖3 無(wú)消聲器的風(fēng)機(jī)分別在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的總聲級(jí)圖Fig.3 The total sound level of fan without muffler at six points

3.2 消聲器共振分析

消聲器為柱狀殼體結(jié)構(gòu)，殼體選用鋼板，厚度為4mm，材料為Q235牌號(hào)鋼，密度為7 800kg/m3，泊松比為0.27，彈性模量為210GPa[10]。利用有限元軟件ANSYS對(duì)消聲器進(jìn)行模態(tài)分析。

ANSYS包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映象劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。本次采用自由劃分網(wǎng)格的方法，得到消聲器網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 消聲器網(wǎng)格劃分圖Fig.4 The grid of the muffler

在計(jì)算過(guò)程中，模態(tài)提取方法為縮減法[11]，模態(tài)數(shù)為10，模態(tài)的最小頻率為0Hz，最大頻率為10000Hz。求解后得到消聲器有限元模型的前10階模態(tài)頻率如表2所示。由圖2得出AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的峰值頻率是500Hz，而前10階消聲器的固有頻率范圍為0.163 24～21.068Hz，因此不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表2 消聲器的固有頻率表Tab.2 The inherant frequencies of the muffler

3.3 風(fēng)機(jī)進(jìn)口端有消聲器的聲級(jí)特征

圖5為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端分別安裝五種消聲器在點(diǎn)4處的噪聲倍頻程分析圖。安裝消聲器后，頻率范圍處在500Hz、1 000Hz、2 000Hz、4 000Hz時(shí)的聲壓級(jí)分別降低了大約5.27dB(A)、8.10dB(A)、8.77dB(A)、6.77dB(A)。此頻段的吸聲效果比較好，而在16Hz、31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz的低頻段聲壓級(jí)反而升高了18.64dB(A)、18.46dB(A)、4.44dB(A)、4.47dB(A)、1.50dB(A)。吸聲效果較差。這是因?yàn)閹r棉對(duì)中高頻噪聲有好的吸聲效果，而對(duì)低頻吸聲效果較差。

圖5 五種不同結(jié)構(gòu)消聲器在點(diǎn)4處的倍頻程分析圖Fig.5 The octave analysis of five different structural mufflers at point 4

圖6給出了表1列出的五種結(jié)構(gòu)消聲器分別在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的噪聲總聲級(jí)。圖6表明，有前遮罩的消聲器比沒(méi)有前遮罩的消聲器在測(cè)量點(diǎn)4、測(cè)量點(diǎn)5和測(cè)量點(diǎn)6的總聲級(jí)分別大約下降了3.24dB(A)、3.78dB(A)、3.99dB(A)。因此，有前遮罩的消聲器比無(wú)前遮罩的消聲器的吸聲效果要好。這是因?yàn)槁暡ㄔ诠艿纻鞑サ倪^(guò)程中，如果管道橫截面積發(fā)生突變，聲波產(chǎn)生反射、干涉而衰減，降低了噪聲的聲壓級(jí)。

圖6 五種不同結(jié)構(gòu)消聲器分別在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的總聲級(jí)圖Fig.6 The total sound level of five different structural mufflers at six points

圖6還表明，當(dāng)采用第五種消聲器時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)的降噪效果是最好的。此消聲器在第3、4、5和6測(cè)量點(diǎn)處比無(wú)消聲器時(shí)的總聲級(jí)分別降低了3.84dB(A)、7.12dB (A)、8.27dB(A)和8.77dB(A)。但在測(cè)量點(diǎn)1的總聲級(jí)低于測(cè)量點(diǎn)2的總聲級(jí)；然后隨著測(cè)量點(diǎn)與風(fēng)機(jī)距離的逐漸增加，總聲級(jí)逐漸降低。這是因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)2位于消聲器的進(jìn)口端截面中心，此處進(jìn)氣口截面面積最小，且橫截面積發(fā)生突變，導(dǎo)致有限振幅無(wú)規(guī)聲波的反射疊加，使總聲級(jí)變大。采用此消聲器后，從圖5中得出風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率范圍為250～8 000Hz，此頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

圖7為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端安裝吸聲效果最好的第五種消聲器在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的噪聲倍頻程。圖7表明，當(dāng)噪聲頻率處于0～125Hz時(shí)，隨著測(cè)量點(diǎn)從點(diǎn)1逐漸增加到點(diǎn)6的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)逐漸降低；當(dāng)噪聲頻率處于250～500Hz時(shí)，測(cè)量點(diǎn)2處的風(fēng)機(jī)噪聲聲壓級(jí)最高，其它測(cè)量點(diǎn)隨著距離的增加聲壓級(jí)降低；當(dāng)噪聲頻率處于1 000～8 000時(shí)，距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口最近的測(cè)量點(diǎn)1處的對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)最低。

圖7 第五種消聲器在6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的倍頻程圖Fig.7 The fifth muffler’s octave at six points

4 結(jié)論

1）AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲頻率范圍為250～8 000Hz，此頻率范圍內(nèi)的聲能占總聲能的72%，頻率峰值為1 000Hz。

2）有前遮罩的阻性消聲器比無(wú)前遮罩的阻性消聲器的吸聲效果好。

3）巖棉對(duì)處在中高頻率段的噪聲有降噪作用，而對(duì)低頻和高頻段沒(méi)有降噪作用。

4）AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲隨著測(cè)量點(diǎn)距風(fēng)機(jī)距離的逐漸增大，各個(gè)頻率的聲壓級(jí)逐漸減小。

5）有限元模態(tài)分析表明，在風(fēng)機(jī)安裝正常運(yùn)行時(shí)，柱狀殼體結(jié)構(gòu)消聲器前10階的固有頻率范圍為0.163 24～21.068Hz，因此不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

6）當(dāng)采用第5種消聲器時(shí)，對(duì)AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪效果最好，在距離消聲器1米處，噪聲總聲級(jí)降低了約8.27dB(A)。此時(shí)風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率范圍為250～8 000Hz，這個(gè)頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

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Analysis of a Muffler Matching Case for the AY7-41№56A Centrifugal Fan

Ji-tao Zhai1，2Yan Zhao2Hong Lei1，2
（1.Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials,Ministry of Education,Northeastern University 2.School of Material，Northeastern University）

In this paper the noise characteristic of the AY7-41No56A centrifugal fan is measured.The sound spectrum of the fan ranging from 250～8000Hz takes up 72%of the total sound pressure,and the sound peak frequency is 1000Hz.Five different mufflers are then used in the noise measurement setup and the octave characteristics and the total sound pressure level was analyzed.The result shows one of the the muffler with three vertical and horizontal plates of rock wool without front sound cover to be the best choice to reduce the fan noise.At a distance of 1 meter from the muffler,the total sound pressure level is reduced by about 8.27dB(A)while the sound energy is reduce to 66.2%of the total sound energy where the main noise frequency are in the range of 250～8000Hz.

centrifugal fan;noise;noise barrier;octave spectra;muffler;resonance

O422.8；TK05

：1006-8155-(2017)01-0071-05

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0009

國(guó)家自然科學(xué)基金和上海寶鋼集團(tuán)聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1460108)；遼寧省百千萬(wàn)人才工程培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)（2013921073）和鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(KF13-10)

2016-10-08 遼寧 沈陽(yáng) 110819