柴德敏，葛正浩，高羨明，譚建軍

(1.陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021; 2.蘇州歐圣電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

目前，空壓機存在噪聲問題，往復活塞式單泵頭空壓機尤為嚴重，采取簡單降噪措施后噪聲仍為85 dB（A），遠超噪音標準[1]，使其應用范圍受限。往復活塞式單泵頭空壓機工作時，活塞連桿在氣缸內做往復直線運動，連桿由于往復不平衡慣性力會產生周期性振動，且在活塞連桿附近構件聯接的部件產生振動。往復活塞式單泵頭空壓機的噪聲激勵源相對較多，如進出氣口處壓力脈動所致的空氣動力性噪聲，曲軸快速旋轉和連桿活塞往復運動而引起機構部件摩擦、沖擊振動產生的機械噪聲，電機的電磁噪聲等，噪聲源情況較為復雜。研究空壓機的噪聲特性及提出有效的噪聲控制手段，具有重要的工程實際意義。而要進行有效的噪聲控制，首先需識別出主要噪聲源。

20世紀70年代，小型往復活塞式單泵頭空壓機最早由美國工程師Thomas提出[2]。1978年，Schefter[3]針對空壓機進行了噪聲分析，發(fā)現主要噪聲因素依次為進氣噪聲、風扇和曲軸箱。近些年，分析噪聲的方法有所進步。Hwang S W等[4]通過統(tǒng)計追蹤壓縮機中的能量流并進行分析，確定了從噪聲源到外部聲場的傳輸路徑。Sun等[5]建立了壓縮機性能分析和噪聲預測的數值方法并提出了優(yōu)化設計的方法。但上述均是針對離心式空壓機的研究，沒有針對小型往復活塞式單泵頭噪聲進行系統(tǒng)的檢測。

國內針對未進行降噪處理的空壓機噪聲檢測包括胡光宇[6]基于低轉速空壓機，通過對其進氣口噪聲和機殼振動信號的頻率進行相干分析，發(fā)現空壓機主要噪聲為低于500 Hz低頻的進氣噪聲，可通過安裝消聲器降低噪聲。張變華[7]發(fā)現分析往復活塞空壓機噪聲特性的分頻界需要考慮缸徑和轉速。馬憲亭等[8]研究L型往復空壓機，發(fā)現主要噪聲來源為低頻性的進氣口噪聲和機械性噪聲，電動機噪聲次之，排氣噪聲所占成分最少。

研究表明，未進行降噪處理的往復活塞式單泵頭空壓機噪聲存在明顯的低頻特性，首要噪聲源是空氣動力性噪聲，主要發(fā)生在進排氣管處。本文所研究空壓機不設置進出氣管道，空壓機通過空濾器進氣，降低進氣噪聲；排氣閥出氣，在進行噪聲試驗時，將排氣閥口的氣體用氣管排出實驗室外，可忽略空氣動力性因素。傳統(tǒng)的測量儀器聲級計只有一個測量通道，測量人員需圍繞噪聲源沿著測試輪廓線逐點測量，不僅測量效率低，過程復雜費時，測量精度還會受測試環(huán)境和測量人員操作習慣影響?；诖爽F象，本文采用多通道噪聲振動測量分析系統(tǒng)HS5660B-X，實現多路信號的并行測量與實時頻譜分析，并將頻譜分析應用至聲功率檢測，極大提高噪聲聲功率級測量分析的準確性與測量效率。聲壓法和聲強法是目前最常用的兩類聲功率測量方法[9]，聲強法精度較高，但測試方法復雜成本高；聲壓法精度較低，測試簡單易行。聲壓法是通過測量聲源包絡表面多個測量點的聲壓值合成而得，測量技術成熟，但是受測試環(huán)境影響較大，一般需要在標準的聲學試驗室內進行測量。本試驗參考實際情況選用聲壓法進行聲功率級測量。

1 試驗對象及設備

1.1 研究對象

本文研究對象為立罐的往復式無油活塞式單泵頭空壓機，其主要工作參數見表1，結構示意圖見圖1。由于該類型空壓機主要用于出口，所有單位均為英制單位。

表1 空壓機工作參數表1)

工作原理：動能由電機提供，先通過軸傳遞給小帶輪，再通過皮帶傳遞給大帶輪，之后通過軸和軸承傳遞到連桿。連桿帶動活塞在氣缸內運動，將旋轉運動轉換為上下往復運動。外界空氣通過空濾器進入泵頭蓋，再通過進氣閥板進入氣缸，經過活塞壓縮后，通過出氣閥板再次進入泵頭蓋，之后通過直角彎頭、金屬軟管和單向閥進入儲氣罐。因空壓機流量較大，其儲氣罐體積較大；因空壓機笨重，為了方便拉行將把手尺寸設計較大。

圖1 空壓機結構示意圖

1.2 試驗儀器

本試驗采用的測試儀器有：HS14412A 聲學傳聲器、ICP前置放大器、聲信號調理儀、高速數據采集器、計算機和電纜等，HS5660B-X型噪聲振動分析系統(tǒng)可自動進行頻譜分析（儀器均經過校準）。設定的分析參數為：采用頻率2 000 Hz，分析頻點為16 384，采用時間為0.819 s，時間平均計權，頻率范圍為20~20 000 Hz，但在12 500~20 000 Hz無試驗數據顯示。

利用HS5660B-X測試儀器及其配套裝備，收集分析噪聲數據，運用數字信號處理技術，在軟件中完成頻率計權，采用A計權和倍頻程分析等核心功能，同時可對噪聲數據實現顯示、存儲和管理等功能。實驗設備布置如圖2所示。半消音實驗室僅地面沒有安裝劈尖。因整體實驗室實驗儀器較多，將實驗室情況用波浪線劃分為2種，左下角為實驗室外部情況，其他均為實驗室內部情況。

傳聲器采用傳聲器夾持架固定，最上方的測試點直接采用線繩懸掛的方式固定，圖中僅表示一個用傳聲器固定架固定傳聲器的情況，其他相同。傳聲器將噪聲轉換為數據，被高速數據采集器收集并傳向PC端進行處理分析。出氣口將排氣閥排出氣體引出實驗室，確保實驗精準度。變頻儀可提供多種電壓與頻率的電源，滿足空壓機運行要求。

圖2 實驗設備布置圖

1.3 試驗方法

GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》對噪聲的劃定范圍為聲壓級，本文所參考的噪聲能量指標為聲功率級。聲功率級常用來評價機械設備輻射噪聲能量的大小，已成為衡量機械設備質量的重要指標。聲功率級因其是一個獨立于環(huán)境，只與聲源本身有關的客觀聲學參量，與聲壓級相比更能全面刻畫機械設備的噪聲輻射強度及特性，而被廣泛應用于機械設備噪聲指標的評價[10]。準確測量聲功率，有助于客觀評價機械設備的噪聲性能，研究噪聲成因及特征，是尋找降低噪聲的有效途徑。

方法思路：在同一環(huán)境下，被測聲源產生的聲壓級測量值與聲功率輸出已知的標準噪聲產生聲壓級測量值的比較，以此計算聲功率級。

在半消音試驗室進行聲壓試驗，一般情況下，測量表面的形狀根據噪聲源的形狀和尺寸選擇，使每個傳聲器與被測聲源的距離大致相當，則傳聲器測點布置如圖3、圖4所示，即可得到需求各點的聲壓級。將待測物放置于地面，尋找包覆空壓機的假象表面所形成的最小平行六面體為參考矩形B，如圖5所示。原點O點是基準參考體的中心，使用特性源尺寸do可確定測量面的尺寸。

圖3 測試點布置主視圖

圖4 測試點俯視圖

圖5 參考矩形B示意圖

由測得的聲壓級LAm可計算聲功率級LWA，由文獻[7]可知平均聲壓級La和合計聲功率級Lb的計算公式為

其中，La1, ···,La10為各通道測得聲壓級值，Lb1, ···,Lb10為各通道測得聲功率級。所有測量值均經過背景噪音和環(huán)境修正。

其測試包絡面表面積S=2πr2，So=1 m2，r≥do，空壓機長l1為422 mm，寬l2為384 mm，高l3為895 mm?？傻肔s為14 dB(A)。

參考測試標準確定測量期間空壓機的工作條件。此空壓機有兩種工作狀態(tài)：一是一次啟動，儲氣罐內壓力為0 psi，充氣至120 psi及以上停止充氣；二是二次啟動，儲氣罐內的壓力不為0并小于120 psi，儲氣罐再次充氣。本試驗的試驗工況選取4種，維持穩(wěn)態(tài)的且相差較大的135，90，60 psi，其中135 psi為儲氣罐再次充氣的二次啟動。設置與二次啟動作為對比的情況為0 psi。在試驗過程中，發(fā)現罐內壓力值越低其維持穩(wěn)態(tài)的能力越小，只有0 psi是空壓機接通電源后盡快測得，壓力不能保持穩(wěn)定，僅作為參考。依次在儲氣罐內壓力值為0，60，90，135 psi 4種工況下運行空壓機，測試空壓機在各個工況下的聲壓級。

2 試驗數據及結果分析

由于噪聲信號的頻率范圍較寬(20~20 000 Hz)，頻譜復雜，一般不需要對每個頻率點進行具體分析，通常采用倍頻程分析方法[11]。倍頻程分析是聲功率檢測中的重要環(huán)節(jié)。在此次噪聲測量中，可使用1/3倍頻程分析將頻段精細劃分獲得準確數據。采集10個通道的時域數據后，通過分析系統(tǒng)進行傅里葉變換如式（7）所示，轉換為頻域數據，可實時對10個通道的數據進行處理分析，所有結果數據均以A計權評定。

其中|F(w)|為幅頻率，反映所測得數據聲壓級隨頻率變化規(guī)律；φ(w)為相頻，為所測得數據相位隨頻率變換規(guī)律；f(t)為時間函數。

參考文獻[12-16]可得處理實驗數據思路，由圖6、圖7可以看出4種工況下空壓機的噪聲變化規(guī)律基本一致。頻率由20 H至40 Hz，噪聲逐漸增大，在50~63 Hz處有一個突變的小高峰，之后下降，再在125 Hz處迎來一個小高峰，再下降后逐步上升，在800 Hz處噪聲達到最高峰約為100 dB，之后基本維持不變。從整體上看，500~1 000 Hz頻率的聲功率級較大且穩(wěn)定，為主要噪聲來源。

圖6 4種工況下整體的1/3倍頻譜分析圖

圖7 4種工況下局部的1/3倍頻譜分析圖

對0，60，90，135 psi 4種工況進行傅里葉變換和頻譜分析所得合計聲功率級和合計聲壓級如表2所示。不同工況下兩者數值均隨著壓力值增大而減小，研究噪聲情況可從最穩(wěn)定的135 psi著手進行分析。

表2 4種工況下的噪聲值

工作壓力為135 psi時，整個頻率段下的10個通道測得數據如圖8所示，圖9為前面頻率段密集區(qū)域。平均聲壓級與各個通道的變化趨勢基本相同，僅考慮聲壓級較高的頻率，在500~1 000 Hz平均聲壓級處于75.1~86.3 dB之間，均小于合計聲壓級89.7 dB。因此平均聲壓級可作為衡量整機的聲壓級的數據。與圖6對比可知，聲壓級和聲功率級的變化規(guī)律是基本一致的。

由式（6）可計算4種工況各個頻率對聲功率影響所占的百分比，統(tǒng)計情況如表3所示（僅展示前6項數據）。

由表可知，135 psi和90 psi主要頻率重合性很高，均包含800，630，2 000，1 000，1 600 Hz；60 psi與前兩者重合的頻率為800，630，1 000 Hz；0 psi重合的頻率為800 Hz和1 000 Hz。在0 psi工況中630 Hz所占百分比是4.67%，比重不小。135，90，60，0 psi工況下占比最高的頻率均為800 Hz。0 psi時，各個頻率所占比例較其他3種更小，且由于空壓機在0 psi時維持時間短，工作不穩(wěn)定，導致其參考性較小?？諌簷C一般使用壓力均接近其工作壓力，135 psi和90 psi為主要參考依據，60 psi僅作為參照。綜上可得，空壓機的主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。

空壓機的主要噪聲來源可以分為進排口噪聲、機械噪聲、電磁噪聲。因為空濾器的存在，使得進氣噪聲的頻率主要為泵頭氣缸內氣體脈動；機械噪聲為主要零部件泵頭連桿處的運行及共振的噪聲，電機部分的零部件也會受到電機驅動產生相關振動噪聲?？捎没l與分析所得頻率進行比較確定噪聲源。

圖8 整個頻率段下的10個通道及整個測試狀況下頻率與聲壓級關系

圖9 部分頻率段下的10個通道及整個測試狀況下頻率與聲壓級關系

基頻與空壓機中零部件轉速的關系為

式中i為氣缸個數，為1個；n為零部件轉速，r/min；n1為連桿的轉速，r/min；n'為電機轉速，工作時一直在14 680~15 026 r/min之間變化；η為電機轉速到曲軸連桿上的傳動比，查《機械設計手冊》可知聯軸器無傳動的損失，應為同步帶的傳動比4.61。則可得，244.67~250.43 Hz為電機的基頻f1取值范圍，53.07~54.32 Hz為泵頭連桿附近部件及氣體的基頻f2取值范圍。

結合實驗結果：空壓機的主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。計算可知800 Hz，630 Hz和1 600 Hz約為f2的整數倍，噪聲來源為泵頭連桿附近部件及氣體；1 000 Hz和2 000 Hz為f1的整數倍，噪聲來源為電機。

3 結束語

往復活塞式單泵頭空壓機成本低廉，容易維修，用途廣泛，但因高噪聲限制了發(fā)展。為解決噪聲問題，需要進行試驗識別空壓機的主要噪聲源。本文通過聲壓法利并設定0，60，90，135 psi 4種不同的工況，進行了噪聲測試，得到結論如下：

表3 4種工況下噪聲主要頻率百分比

1）排除主要的空氣動力聲噪聲，往復活塞式單泵頭空壓機所產生的噪音呈現中頻為主，高頻為輔的特點。實驗得到的結果與以往的噪聲以低頻為主的空壓機噪聲研究結果截然不同。

2）往復活塞式單泵頭空壓機所產生的噪音主要噪聲頻率有800，630，1 000，2 000，1 600 Hz。其中，800 Hz占比重最大，可作為解決噪聲問題的主要著手點。

3）往復活塞式單泵頭空壓機所產生的噪音主要噪聲源為泵頭氣缸蓋、空氣濾清器和曲軸附近的機體和電機運行過程中零部件的振動。在對空壓機進行降噪結構優(yōu)化時，首先要考慮泵頭處的部件設計及組合。