（合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

隨著社會的發(fā)展與科學技術(shù)的進步，人們在生活、工業(yè)、軍工、航空航天等領(lǐng)域?qū)︼L機的需求更加趨向于小型高速、重量輕、振動低、噪聲小等特點，為了滿足國內(nèi)市場的需求，本課題組在國內(nèi)外學者現(xiàn)有研究成果［1-12］的基礎(chǔ)研制出了一種小型高速低噪聲離心風機，并且依據(jù)國家相關(guān)標準對小型高速低噪聲離心風機進行性能測試與試驗研究；對該風機進行試驗研究是為小型離心風機的理論分析與數(shù)值模擬提供一定的參考，并且為后續(xù)更低噪聲的小型高速低噪聲的離心風機的研發(fā)工作提供依據(jù)。

1 低噪聲設計與試驗方法

1.1 低噪聲設計

本文以一臺小型高速低噪聲離心風機為研究對象，設計流量Q=300 m3/h，轉(zhuǎn)速n=6 800 r/min，輸送介質(zhì)為空氣，進氣密度為1.2 kg/m3；風機葉輪葉片數(shù)為18，采用前彎型式、長短葉片設計，因此葉輪葉片進口處的基頻為1 020 Hz，葉片出口處的基頻為2 040 Hz；為了降低葉片出口的不均勻氣流對蝸舌的沖擊而形成的旋轉(zhuǎn)噪聲，風機蝸殼蝸舌采用傾斜蝸舌設計；風機機殼和前蓋內(nèi)側(cè)各設計有結(jié)構(gòu)空腔，并且用3 mm厚的不銹鋼板分割成相等的4部分，在空腔中填充相等體積的顆粒阻尼，用于降低風機機殼的振動噪聲，小型高速低噪聲離心風機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型高速低噪聲離心風機的結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗裝置與試驗方法

本次試驗依據(jù)GB/T 1236-2017工業(yè)通風機用標準化風道性能試驗對風機氣動性能進行試驗研究，試驗裝置采用D型，即風機的進口和出口接有管道，風機試驗裝置如圖2所示。

圖2 風機試驗裝置示意

風機的噪聲試驗依據(jù)GB/T2888-2016 風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法，在蝸殼與電機周圍1 m處均勻布置6個測點，如圖3所示。

圖3 風機噪聲測點布置示意

風機周圍6個測點的平均A聲級計算式：

N ——測點數(shù)；

Lpi——第i點測得的聲壓級，dB；

Lki——第i點測得的背景噪聲，dB。

聲壓級轉(zhuǎn)換成聲壓計算式：

式中 LA——聲壓級，dB；

P0—— 基準聲壓，Pa，P0=2×10-5Pa，該值是對1 000 Hz聲音人耳剛能聽到的最低聲壓；

P ——聲壓，Pa。

應用聲學傳感器與頻譜儀采集各個工況運行的小型高速低噪聲離心風機6個測點的噪聲數(shù)據(jù)，然后利用式（1）對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到的結(jié)果作為該工況運行的風機整機噪聲的評估值，從6個測點的數(shù)據(jù)中選取接近評估值的噪聲數(shù)據(jù)進行頻域分析，研究各個頻段的噪聲分布情況，為了能更直觀地顯示出噪聲在各個頻段的分布情況，運用式（2）將頻域圖中的聲壓級轉(zhuǎn)換成聲壓；頻譜儀采集噪聲頻率范圍為20～20 000 Hz，頻程為1/3倍頻程，計權(quán)類型為A計權(quán)。

2 試驗結(jié)果及分析

風機的噪聲主要分為氣動噪聲、結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的振動噪聲、電機噪聲，本課題組測得電機在不加載荷的情況下電機噪聲為46 dB左右，所以電機噪聲不會對風機整機噪聲產(chǎn)生影響；目前降低風機氣動噪聲與結(jié)構(gòu)振動噪聲的方式有2種：（1）依據(jù)現(xiàn)有的風機噪聲理論，對風機內(nèi)部主要噪聲源的位置、類型、強度等進行分析和識別，然后采取措施降低噪聲源的強度，從而降低整個風機的噪聲；（2）在噪聲傳播過程中對噪聲進行隔離或者削弱，達到降噪的目的，本文主要是通過第2種方法對風機噪聲進行試驗研究。

2.1 風機進出口氣動噪聲對風機整機降噪效果的影響

風機的氣動噪聲主要是通過風機進口和出口向周圍空間擴散，為了研究風機進出口氣動噪聲對風機整機噪聲的影響，分別采集風機整機噪聲、風機進口管道沒有安裝隔音箱，出口管道安裝消聲器噪聲、風機進出口管道安裝隔音箱與消聲器的噪聲數(shù)據(jù)，其中風機出口管道上安裝的消聲器為抗性消聲器，它是通過在出口管道上接截面積突變的管段，利用聲阻抗的改變，使低頻和中頻噪聲在聲阻抗突變的截面發(fā)生反射、折射，從而在消聲器外側(cè)達到消聲的目的，將采集的數(shù)據(jù)進行整理得到了風機出口管道安裝消聲器、進口管道安裝隔音箱后風機整機噪聲下降百分比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 屏蔽進出口噪聲風機整機噪聲下降百分比

由圖4可以看出，風機出口管道安裝消聲器，進口管道安裝隔音箱后風機整機噪聲明顯下降，在設計點風機整機噪聲下降最多，

整機噪聲約下降21%，風機在設計工況點的噪聲下降最多主要是因為在設計工況點時，在葉片進口處的氣流沖擊葉片相比其它工況點更加順暢，在葉片進口處形成的噪聲源強度較小；在葉片出口處沿著周向的氣流的速度與壓力的不均勻性相比其它工況點較小，氣流沖擊蝸舌形成的噪聲源的強度小于其它工況點的噪聲強度。

運用式（1）計算設計工況下原風機、出口管道安裝消聲器、進口管道安裝隔音箱時周圍6個測點的平均A聲級。在每組測點中分別選出與上述平均A聲級相近的測點，運用該測點的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，測點分別為 C1，M1，C2；將測點C1，M1，C2的頻譜數(shù)據(jù)采用式（2）進行處理，得到設計工況下原機噪聲與風機出口管道安裝消聲器、進口管道安裝隔音裝置的噪聲頻域如圖5，6所示。

圖5 風機出口管道安裝消聲器與原機噪聲頻域

圖6 風機進口管道安裝隔音裝置前、后噪聲頻域

由圖5可以看出，原風機噪聲頻率主要集中在20～3 000 Hz之間，在1 020，2 040 Hz處噪聲出現(xiàn)峰值，這是由于在葉片進口處葉片對沿軸向流動的氣流做功使得該處的氣流存在速度差與壓力差，從而在葉輪葉片進口處的氣流形成了壓力隨時間的脈動，在葉片進口處形成了噪聲源，該噪聲源為基頻噪聲，噪聲頻率為1 020 Hz；在葉片出口處，沿著周向氣流的速度和壓力是不均的，這種氣流沖擊蝸舌，在蝸舌處形成噪聲源，該噪聲源也是基頻噪聲，噪聲頻率為2 040 Hz，這兩處基頻噪聲通過風機進口和出口向周圍空間擴散，在風機出口管道安裝消聲器后蝸舌處的基頻噪聲得到了很好的屏蔽，使得在頻率為2 040 Hz處的噪聲下降較多。

如圖6所示，風機進口管道安裝隔音裝置后在各個頻率分段噪聲都有一定的下降，在頻率為1 020 Hz處噪聲下降最多，主要原因是風機進口管道安裝隔音裝置后在葉片進口處的基頻噪聲得到很好的屏蔽，使其無法向周圍空間擴散，使得整機噪聲下降較多；在風機進出口的噪聲屏蔽后風機蝸殼振動噪聲為其主要的噪聲類型，噪聲振動的主要頻率分別為1 020，2 040 Hz，這與風機氣動噪聲的基頻噪聲的振動頻率一致。

2.2 蝸殼填充顆粒阻尼對風機降噪效果的影響

本文通過在風機機殼中填充4種不同的顆粒阻尼（1.5 mm塑料球，2.3 mm塑料球，1.2 mm陶瓷球，3.0 mm陶瓷球）來研究降低機殼振動對風機降噪效果的影響，風機機殼填充空腔如圖7所示，機殼填充顆粒阻尼噪聲下降效果如圖8所示。

圖7 風機機殼填充空腔示意

圖8 填充顆粒后整機噪聲下降百分比

由圖8可知，4種有填充顆粒阻尼的方案均取得一定的降噪效果，在小流量區(qū)，塑料球的降噪效果要優(yōu)于陶瓷球，而在大流量區(qū)，4種填充顆粒均能取得較好的降噪效果，并且塑料球的降噪效果優(yōu)于陶瓷球，在設計工況點4種填充顆粒都取得不錯的降噪效果，其中以3.0 mm陶瓷球填充方案降噪效果最佳，在設計工況點填充3 mm陶瓷球后整機噪聲約下降2.8%，在填充3 mm陶瓷球后的噪聲數(shù)據(jù)中測點C1的噪聲值與6個測點的平均A聲級較為接近，所以用測點C1的頻譜數(shù)據(jù)進行頻域分析，填充3 mm陶瓷球前后噪聲頻域如圖9所示。

圖9 填充3 mm陶瓷球前后噪聲頻域

由圖9可知，風機機殼振動噪聲在20～200 Hz之間波動的較為劇烈，在頻率為1 020，2 040 Hz處的噪聲值較大，填充3 mm陶瓷球后在頻率為20～200 Hz之間的噪聲有一定程度的下降，在頻率為2 040 Hz處的噪聲下降的最多，其主要原因是風機蝸舌處的噪聲源作為激勵源誘發(fā)機殼做振動響應，機殼填充3 mm的陶瓷球后機殼的振動傳遞到陶瓷球，陶瓷球經(jīng)過自身阻尼與陶瓷球之間的振動傳遞衰減使得機殼振動降低，機殼振動噪聲下降。

2.3 管道振動噪聲對風機整機降噪效果的影響

風機進出口管道的振動噪聲對風機整機噪聲有一定的影響，本文通過對直徑約為0.1 m，長約10 m的進出口管道用隔音棉進行包扎，研究管道振動噪聲對整機降噪效果的影響，管道包扎前后其噪聲隨流量變化如圖10所示。

圖10 風機進出口管道包扎隔音棉后噪聲降低

由圖10可知，進出口管道包扎隔音棉后風機整機噪聲有所下降，整機噪聲在小流量區(qū)下降較多，在大流量區(qū)下降較少，在設計點下降約4.1%；在包扎隔音棉后的噪聲數(shù)據(jù)中測點C1的噪聲值與6個測點的平均A聲級較為接近，所以用測點C1的頻譜數(shù)據(jù)進行頻域分析，在設計工況點風機進出口管道的包扎隔音棉前后的噪聲頻域如圖11所示。

圖11 管道包扎消音棉前后噪聲頻域

由圖11可知，風機進出口管道包扎隔音棉后頻率在20～200 Hz之間，1 020 Hz處的的噪聲下降較多，整個頻率范圍內(nèi)噪聲波動較為平緩，表明管道包扎隔音棉后風機整機噪聲值達到較低水平。

3 結(jié)論

（1）風機進出管道安裝隔音箱與消聲器、蝸殼填充顆粒阻尼、管道包扎消音棉在設計工況點風機整機噪聲分別降低12.5%，8.5%，2.8%，4.1%，風機整機噪聲達到了較低水平，滿足用戶要求。

（2）風機進出口向外輻射的氣動噪聲為風機最主要的噪聲類型，氣動噪聲主要是基頻噪聲，噪聲源分別位于葉片進口處與蝸殼蝸舌處，在風機設計時可以通過降低這兩處的基頻噪聲來降低風機的整機噪聲。

（3）對風機機殼填充4種不同的顆粒阻尼發(fā)現(xiàn)在小流量區(qū)，塑料球的降噪效果要優(yōu)于陶瓷球，而在大流量區(qū)，4種填充顆粒均能取得較好的降噪效果，在設計工況點4種填充顆粒都取得不錯的降噪效果，其中以3.0 mm陶瓷球填充方案降噪效果最佳。

（4）當風機進出口噪聲被屏蔽后，風機蝸殼振動噪聲為其主要的噪聲類型，風機蝸殼振動是風機內(nèi)部非定常流動誘發(fā)蝸殼結(jié)構(gòu)做振動響應，振動源主要位于葉片進口處與蝸殼蝸舌處，振動頻率與風機基頻一致。