王偉輝，陳思豪，鄭杰元，林桂儀，黃育平

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基于聲源識(shí)別及聲場(chǎng)模擬的工廠通風(fēng)系統(tǒng)降噪研究

王偉輝1，陳思豪2，鄭杰元2，林桂儀3，黃育平3

(1. 臺(tái)灣海洋大學(xué)；2. 翰聲科技股份有限公司；3. 勞動(dòng)及職業(yè)安全衛(wèi)生研究所)

工廠廠房為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、排氣及集塵的目的，需布設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)。由于其分布范圍廣泛，使得通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲成為工廠廠房室內(nèi)噪聲中除機(jī)電設(shè)備之外的另一主要噪聲源，對(duì)廠房?jī)?nèi)員工的作業(yè)聲環(huán)境造成很大的沖擊。通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源主要來(lái)自風(fēng)管的固定支架振動(dòng)、風(fēng)管進(jìn)排氣噪聲、管道壁振動(dòng)以及管道噪聲通過(guò)管壁的透射。文章建立了一套針對(duì)工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的聲源與聲場(chǎng)測(cè)量、頻譜分析、診斷排序與降噪模擬評(píng)估技術(shù)，利用聲場(chǎng)模擬，給出三種降噪方案。應(yīng)用此技術(shù)對(duì)工廠噪聲進(jìn)行治理，可大大提高業(yè)主選擇降噪方案的信心及成效預(yù)期心理。

工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲；聲源識(shí)別；聲場(chǎng)模擬；降噪方案；降噪效果評(píng)估

0 引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)工廠，生產(chǎn)項(xiàng)目種類(lèi)繁多，包括金屬加工、金屬冶煉、食品及飲料生產(chǎn)裝填及包裝、木材加工、化學(xué)及塑料制品、機(jī)械加工及印刷品等。廠房?jī)?nèi)的主要噪聲源除了機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲外，其次為通風(fēng)集塵系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲，其對(duì)工作環(huán)境造成很大影響，是職業(yè)安全衛(wèi)生改善的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

由于各工廠廠房?jī)?nèi)部布置不盡相同，即使生產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品的工廠，其廠房?jī)?nèi)的室內(nèi)聲場(chǎng)也不一樣，如何處理此類(lèi)復(fù)雜的室內(nèi)聲場(chǎng)問(wèn)題，取得各界一致的看法，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)程序，供改善決策時(shí)有所遵循，是本研究的宗旨。

在參考了文獻(xiàn)[1-8]關(guān)于工廠噪聲控制方法理論及實(shí)務(wù)數(shù)據(jù)后，本研究團(tuán)隊(duì)延續(xù)文獻(xiàn)[9]中的計(jì)劃，建立了一套工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源及聲場(chǎng)的測(cè)量、頻譜分析與聲源識(shí)別排序、聲場(chǎng)改善模擬的評(píng)估技術(shù)。本研究成果的特色在于以聲源識(shí)別及聲場(chǎng)模擬為基礎(chǔ)，進(jìn)行工廠廠房?jī)?nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲治理。

1 聲源識(shí)別

在取得廠房布置、尺寸圖及噪聲源與接收者的分布情形后，即可對(duì)聲源聲壓級(jí)與聲強(qiáng)以及接收點(diǎn)處的聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量分析項(xiàng)目包括聲源及接收點(diǎn)的噪聲頻譜與波形圖。逐一比對(duì)接收處與聲源處的噪聲頻譜，即可得出接收處所受聲源相應(yīng)頻率的貢獻(xiàn)量，并加以排序。更進(jìn)一步，可對(duì)單一聲源中各頻率成分的貢獻(xiàn)量加以排序，這樣的排序?qū)罄m(xù)的降噪方案中如何針對(duì)性地選擇降噪材料和設(shè)備非常重要，以節(jié)省成本。

以軌道車(chē)輛的車(chē)輪旋削維修廠為例，該廠房布置如圖1所示，在車(chē)削作業(yè)時(shí)，廠房?jī)?nèi)一組工作人員分別散布于車(chē)削機(jī)的正前方及左、右兩側(cè)，主要聲源即為車(chē)削機(jī)作業(yè)摩擦及振動(dòng)噪聲，以及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲(見(jiàn)圖2)，通風(fēng)系統(tǒng)噪聲又包含風(fēng)機(jī)噪聲、風(fēng)管噪聲及進(jìn)氣口噪聲(見(jiàn)圖3)。車(chē)輪旋削作業(yè)時(shí)，在作業(yè)區(qū)的工作人員處測(cè)得聲壓級(jí)為97 dB(A)，而車(chē)削機(jī)聲源處的聲壓級(jí)為100 dB(A)，如圖4所示。

(a) 平面圖

(b) 廠房布置

圖1 車(chē)輪旋削維修廠廠房布置

Fig.1 Wheel lathe machine plant layout

圖2 廠房通風(fēng)系統(tǒng)布置

圖3 廠房車(chē)削機(jī)上方進(jìn)氣口

(a) 車(chē)削時(shí)正前方工作人員處的噪聲頻譜及波形圖

在僅通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)而無(wú)車(chē)削作業(yè)時(shí)，廠房?jī)?nèi)的噪聲測(cè)量結(jié)果如圖5及圖6所示。風(fēng)機(jī)聲源處的聲壓級(jí)為78.6 dB(A)，而接收者處的聲壓級(jí)分別為：正前方人員處78 dB(A)、右側(cè)人員處73 dB(A)、左側(cè)人員處72 dB(A)。

(a) 遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)

(b) 靠近風(fēng)機(jī)

圖5 通風(fēng)風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜

Fig.5 The noise spectrum of ventilation fan

圖6 僅通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)接收處的噪聲頻譜

顯然，車(chē)削機(jī)噪聲是最大的噪聲源，其中頻率為1.25 kHz的聲壓級(jí)高達(dá)100 dB(A)，此頻率接近鋼輪輪盤(pán)的固有頻率1 377 Hz。

2 聲場(chǎng)模擬

廠房?jī)?nèi)的聲源一般不只一個(gè)，工作場(chǎng)所人員也不只一位，由聲源至接收者間的傳遞屬于多重輸入與多重輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)問(wèn)題。且廠房?jī)?nèi)聲場(chǎng)還受廠房形狀、材質(zhì)、聲源分布、機(jī)器位置等諸多邊界條件的影響。因此在進(jìn)行廠房室內(nèi)噪聲治理之前，需進(jìn)行聲場(chǎng)的模擬校估。

本文設(shè)計(jì)的聲場(chǎng)模擬與降噪效果評(píng)估程序如圖7所示。

圖7 聲場(chǎng)模擬效果及降噪效果評(píng)估的程序

模擬分析使用的建筑聲學(xué)軟件為EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers)，對(duì)于需要輸入的聲源聲功率，根據(jù)ISO9614-2，利用聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量得到；對(duì)于進(jìn)風(fēng)口的噪聲聲功率級(jí)的計(jì)算是由ASHARE的HVAC算法算得[10]；風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)按照式(1)進(jìn)行估算[11]：

式(1)為低壓風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)估算式；若為中高壓風(fēng)機(jī)，則按式(2)進(jìn)行估算[11]：

式中，為風(fēng)機(jī)全壓(Pa)。

當(dāng)?shù)玫斤L(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)后，可由式(3)近似估算出各頻帶的聲功率級(jí)[11]：

表1 風(fēng)機(jī)各頻帶聲功率級(jí)的修正值Δb(dB)[11]

表2 風(fēng)機(jī)各頻帶的聲功率級(jí)

在推算出風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)后，可使用ASHRAE的HVAC聲學(xué)算法估算出兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口的聲功率級(jí)，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的不同風(fēng)量，經(jīng)過(guò)各種不同長(zhǎng)度和形狀的管道、彎頭分支管及進(jìn)風(fēng)出風(fēng)口估算出其通風(fēng)噪聲聲功率級(jí)。表3為利用ASHRAE的HVAC聲學(xué)算法估算出的結(jié)果與由測(cè)量聲壓級(jí)反推出的進(jìn)風(fēng)口聲功率級(jí)的比較，驗(yàn)證了風(fēng)口噪聲源設(shè)定的準(zhǔn)確性。

風(fēng)管振動(dòng)噪聲源的聲功率測(cè)量，則是根據(jù)ISO9614-2的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件的限制，將通風(fēng)管道理想化為三個(gè)面聲源，即底面與兩個(gè)側(cè)面，如圖8所示，利用聲強(qiáng)計(jì)垂直于理想化平面進(jìn)行掃描(見(jiàn)圖9)，用聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量各平面的聲強(qiáng)值(W/m2)，然后再乘以各平面面積(m2)，即為各平面的聲功率，最后將管道各平面(底面及兩個(gè)側(cè)面)的聲功率相加，即為管道的聲功率(此聲功率將以線(xiàn)聲源的形式輸入EASE)，詳細(xì)數(shù)值如表4所示。

圖8 將通風(fēng)管道理想化為三個(gè)虛擬平面

圖9 利用聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量通風(fēng)管道壁面的聲強(qiáng)

在得到廠房通風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)主要噪聲源(風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)口以及風(fēng)道管壁)各頻段的聲功率級(jí)后，即可利用EASE軟件建構(gòu)廠房的幾何模型，如圖10所示，并標(biāo)示出各噪聲源及機(jī)器位置、工作人員位置。廠房?jī)?nèi)各暴露面的吸聲系數(shù)可根據(jù)材質(zhì)不同而分別設(shè)定，各材料的吸聲系數(shù)如表5所示。

表3 ASHRAE的HVAC算法估算與測(cè)量推算的進(jìn)風(fēng)口聲功率級(jí)比較

表4 風(fēng)管管壁輻射源的聲功率

表5 廠房各材料的吸聲系數(shù)

圖10 EASE軟件建構(gòu)出的廠房幾何模型

表6 全頻帶、1 kHz和250 Hz的模型校估表 (dB(A))

(a) 計(jì)算機(jī)模擬

(b) 實(shí)際測(cè)量

圖11 (a)計(jì)算機(jī)模擬與(b)實(shí)際測(cè)量的聲壓級(jí)分布比較圖

Fig.11 (a) Computer simulation and (b) comparison withactual sound pressure level distribution

若再同時(shí)啟動(dòng)旋削作業(yè)，則廠房?jī)?nèi)的聲壓模擬分析結(jié)果如圖12所示，與實(shí)際測(cè)量得到的聲壓級(jí)比較如表7所示，可看出模擬聲場(chǎng)的誤差也均在±2 dB以?xún)?nèi)。

圖12 同時(shí)開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)及旋削作業(yè)時(shí)的廠房?jī)?nèi)模擬聲場(chǎng)

表7 EASE軟件模擬旋削時(shí)正前方工作人員處聲壓級(jí)與測(cè)量值比較

注：本團(tuán)隊(duì)并未在旋削時(shí)測(cè)量廠房?jī)?nèi)的聲壓級(jí)分布，僅以正前方操作人員接受到的聲壓級(jí)用作校估標(biāo)準(zhǔn)

3 降噪效果評(píng)估

根據(jù)聲場(chǎng)模擬結(jié)果及測(cè)量診斷得知：

(1) 通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口的噪聲源對(duì)正前方工作區(qū)人員有全頻域的噪聲影響；而對(duì)左、右側(cè)工作區(qū)的影響僅在1 kHz以上的頻段較顯著；故有必要加裝管道進(jìn)氣消聲器。

(2) 風(fēng)管管壁振動(dòng)輻射的噪聲對(duì)正前方區(qū)域的影響在低頻段較嚴(yán)重；對(duì)左、右側(cè)工作區(qū)的影響在500 Hz以下較大；因此必須對(duì)管道進(jìn)行隔聲包覆。

按此分析結(jié)果，本文提出A、B、C三種降噪方案(如圖13所示)，并分別評(píng)價(jià)其降噪效果。三種降噪方案均需考慮集塵過(guò)濾措施。

方案A：對(duì)部分管道進(jìn)行隔聲包覆(見(jiàn)圖14)+消聲器(見(jiàn)圖15)；

方案B：對(duì)部分管道進(jìn)行隔聲包覆(見(jiàn)圖14)+管道內(nèi)壁貼25 mm厚玻璃棉(見(jiàn)圖16)；

方案C：部分管道進(jìn)行隔聲包覆(見(jiàn)圖14)+消聲器(見(jiàn)圖15，各型號(hào)消聲器插入損失見(jiàn)表8)+墻面吸聲處理(見(jiàn)圖17)。

(a) 管道隔聲包覆+消聲器

(b) 管道隔聲包覆+管道內(nèi)壁貼25 mm玻璃棉

(c) 與(a)同，但在周?chē)鷫γ婕由衔暟?紅色部分)

圖14 兩片12 mm厚的硅酸鈣板包覆管道

圖15 消聲器

表8 消聲器型號(hào)及插入損失值(dB)

注：H50/120消聲器長(zhǎng)度為1200 mm

同樣利用經(jīng)校估建立的聲場(chǎng)模擬模式，分析上述三種降噪方案下的廠房?jī)?nèi)聲場(chǎng)，如圖18(a)~圖18(c)所示，其接收點(diǎn)的聲壓級(jí)與降噪量比較分別如表9及表10所示。

圖16 管道內(nèi)壁貼25 mm厚的玻璃棉

表9 三種降噪方案下的接收點(diǎn)位置聲壓級(jí)比較

(a) 方案A的模擬聲場(chǎng)

(b) 方案B的模擬聲場(chǎng)

(c) 方案C的模擬聲場(chǎng)

車(chē)削機(jī)噪聲源的降噪，采用在鋼輪盤(pán)加上諧調(diào)質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)的方式以降低噪聲。在旋削作業(yè)時(shí)，可將1.25 kHz頻帶的噪聲降低8 dB。另外在車(chē)削作業(yè)區(qū)上方須加蓋1.5 mm厚的鋼板(計(jì)權(quán)隔聲量為32 dB)；前方操作人員與車(chē)削機(jī)之間使用12 mm厚的強(qiáng)化玻璃屏障(值為32 dB)；分別如圖19(a)、19(b)所示。

車(chē)削機(jī)聲源經(jīng)過(guò)這三項(xiàng)降噪處理后的聲場(chǎng)模擬分析結(jié)果如圖20所示，其降噪效果如表11所示。

表10 三種降噪方案下的接收點(diǎn)位置降噪量比較

(a) 頂部加蓋1.5 mm鋼板

(b) 12 mm厚的玻璃隔聲窗

圖19 車(chē)削機(jī)周邊漏音包覆

Fig.19 The noise reduction proposal of wheel lathe machine

表11 車(chē)削機(jī)聲源治理后的降噪效果

圖20 車(chē)削機(jī)加鋼質(zhì)頂蓋與玻璃屏障后的模擬聲場(chǎng)

4 結(jié)論

(1) 本文建立了一套針對(duì)工廠通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的頻譜測(cè)量分析、診斷與評(píng)估技術(shù)，包括使用聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量管道噪聲的方法；以經(jīng)驗(yàn)公式及ASHRAE的HVAC算法估算進(jìn)風(fēng)口噪聲聲功率級(jí)的技巧；以及應(yīng)用聲學(xué)軟件建立聲場(chǎng)模型評(píng)估工作區(qū)域噪聲分布的程序。

(2) 利用聲場(chǎng)模擬分析可以給出不同治理方案的降噪效果，進(jìn)一步提出成本-成效分析供決策者考慮。

(3) 本文提出的降噪方案，經(jīng)評(píng)估預(yù)測(cè)，可使接收者工作區(qū)的噪聲級(jí)降至70 dB(A)以下。

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Noise reduction methodology of factory ventilation system based on the noise source identification and sound field simulation

WANG Wei-hui, CHEN Si-hao, ZHENG Jie-yuan, LIN Gui-yi, HUANG Yu-ping

(1.Taiwan Ocean University;2.HanSound Technology Co.,Ltd.; 3.Institute of Labor,Occupational Safety and Health)

In factory plants, the ventilation systems must be installed for the purpose of air intake, exhaust and dust collection. Owing to its wide range of distribution, the ventilation noise become another main indoor noise source other than the electro-mechanical equipment, and which have a great impact on the operation acoustic environment of the workers in a factory. The source mechanism of the ventilation noise is mainly from the vibration of the hangers of the ventilation duct, the flow noise generated at the inlet and outlet of the duct, the vibroacoustic noise generated at the duct wall, and the transmission noise of the duct flow noise in the duct. This article established a set of techniques used for the measurement of sound source and sound field, the spectral analysis, noise diagnosis and ranking, and the noise reduction simulation of ventilation noise in factories. As an application example, three proposals of noise reduction configuration for the ventilation system in a factory are provided, simulated and compared. Such kind methodology can greatly raise the confidence of the decision maker for the selection of noise reduction plan and the expectability of noise reduction effects.

factory ventilation system noise; noise source identification; source field simulation; noise reduction proposal; noise reduction effect assessment.

TB551

A

1000-3630(2017)-03-0267-09

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.013

2016-10-11;

2016-12-20

王偉輝(1948－), 男, 臺(tái)灣人, 臺(tái)灣海洋大學(xué)榮譽(yù)教授, 研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、船舶振動(dòng)噪聲。

陳思豪, E-mail: csh26373017@gmail.com