吳和遠(yuǎn) 簡(jiǎn)曉書 陳 強(qiáng) 朱志能

（1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心）

0 引言

隨著我國(guó)載人工程和空間站建設(shè)任務(wù)的不斷推進(jìn)，需要在空間站飛行器中長(zhǎng)期駐人。因此如何讓艙內(nèi)顯得安靜就尤為重要，據(jù)報(bào)道，噪聲對(duì)航天員的影響主要是聽力損傷。隨著噪聲對(duì)航天員的健康和安全的影響越來越明顯，艙內(nèi)的噪聲控制就顯得尤為重要。控制噪聲最有效的措施就是從聲源處進(jìn)行降低。空間站內(nèi)設(shè)備不僅有總A聲級(jí)噪聲要求，且還需滿足穩(wěn)態(tài)噪聲頻譜要求[1]。

對(duì)于采用性能參數(shù)相似設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，其噪聲可以采用已知的比A聲級(jí)參數(shù)進(jìn)行噪聲估算[2]，而對(duì)全新研制風(fēng)機(jī)，則需采用其他方法進(jìn)行噪聲計(jì)算。目前對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的研發(fā)大多還以試驗(yàn)研究為主，試驗(yàn)研究具有真實(shí)可靠等優(yōu)點(diǎn)，但試驗(yàn)成本較高，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求較高[3]；而采用數(shù)值模擬能夠提供的風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)信息和聲場(chǎng)分布信息，有利于減短風(fēng)機(jī)噪聲的研發(fā)周期與成功率。再根據(jù)風(fēng)機(jī)噪聲特性，增加輔助降噪措施，可進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲。

1 風(fēng)機(jī)噪聲特性分析

風(fēng)機(jī)噪聲一般包括風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲[4-6]。當(dāng)風(fēng)機(jī)加工精密時(shí)，可大幅降低風(fēng)機(jī)電磁噪聲和機(jī)械噪聲；這時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)噪聲比機(jī)械噪聲和電磁噪聲高，成為主要噪聲源。

風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲根據(jù)其頻譜特性可以分為離散噪聲和寬頻噪聲。

離散噪聲的特點(diǎn)主要是噪聲的頻譜具有離散峰值特性，它是離心式葉輪機(jī)械的主要噪聲類型。它的形成原因主要包括以下兩個(gè)方面：一是葉輪旋轉(zhuǎn)形成的自身噪聲；二是旋轉(zhuǎn)葉輪尾跡（蝸殼，擴(kuò)壓器等）之間周期性作用形成的干涉噪聲。

一般來講，離散噪聲的基頻即是風(fēng)機(jī)的葉片通過頻率，它的計(jì)算如公式（1）：

其中，f為離散噪聲的基頻，Hz；n為葉輪的轉(zhuǎn)速，r/min；Z為葉片數(shù)目；i為諧波序號(hào)，i=1,2,3,…；i=1為基頻。

旋轉(zhuǎn)噪聲i=1時(shí)的基頻噪聲最強(qiáng)，高次諧波依次遞減。

寬頻噪聲相對(duì)于離散噪聲而言，它無明顯的峰值特性。它的產(chǎn)生機(jī)理更為復(fù)雜，形成的噪聲更難控制。這主要由于氣流紊流和渦聲作用機(jī)理的雙重復(fù)雜性造成，寬頻噪聲的形成原因主要集中在以下幾個(gè)方面：進(jìn)氣畸變、葉頂間隙流動(dòng)、紊流邊界層失穩(wěn)和葉片表面渦脫落。由于寬頻噪聲的機(jī)理比較復(fù)雜，因此，其研究主要依賴于實(shí)驗(yàn)手段。

2 風(fēng)機(jī)方案確定與模型

在同樣氣動(dòng)性能要求下，后彎葉片葉輪較前彎葉片葉輪產(chǎn)生較小的噪聲。確定風(fēng)機(jī)型式時(shí)，應(yīng)滿足流量壓力特性的前提下，同時(shí)考慮A聲級(jí)較小為原則。由于流量和風(fēng)壓大，噪聲也大，因此，參數(shù)裕量不宜過大。由于旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級(jí)大致與圓周速度的5～6次方成正比，當(dāng)圓周速度增大一倍時(shí)，聲壓級(jí)增加近10～15dB；渦流噪聲的聲壓級(jí)與氣流速度的8次方成比例，因此在性能允許條件下，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)[7-8]。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)參數(shù)分別為：葉輪外徑0.27 m，葉輪出口葉片數(shù)為：進(jìn)口12個(gè)、出口24個(gè)，裝配圖與葉輪模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)模型（裝配圖與葉輪）Fig.1 Fan model

3 風(fēng)機(jī)噪聲分析

3.1 風(fēng)機(jī)流場(chǎng)仿真

風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲仿真分析時(shí)，首先進(jìn)行風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)仿真計(jì)算，確定風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)處于高效狀態(tài)，再將流場(chǎng)仿真結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行噪聲仿真。

簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)模型得到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)模型（圖2），設(shè)置風(fēng)機(jī)流動(dòng)的基本計(jì)算參數(shù)：轉(zhuǎn)速2 400r/min，額定流量10m3/min，出風(fēng)口額定全壓830Pa，環(huán)境參考?jí)毫?atm，進(jìn)風(fēng)口相對(duì)壓力設(shè)為0，葉輪的工作介質(zhì)是空氣，溫度是20℃，風(fēng)機(jī)蝸殼和葉輪均為鋁合金，蝸殼和葉輪內(nèi)腔的表面粗糙度為3.2μm，采用k-Epsilon湍流模型，計(jì)算過程中采用的時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1s。

圖2 風(fēng)機(jī)的流體計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.2 Fluid computing grid model

風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的速度分布如圖3所示，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體壓力如圖4所示，通過流場(chǎng)仿真計(jì)算，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)均勻，無明顯進(jìn)氣畸變、邊界層失穩(wěn)和葉片表面渦脫落情況，說明風(fēng)機(jī)葉輪和葉型較好符合高效低噪風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖3 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的速度分布Fig.3 Inner fluid velocity of fan

圖4 風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力分布Fig.4 Pressure distribution inside the fan

葉輪中大葉片、小葉片上的壓力分布如圖5、圖6所示。

圖5 大葉片上的壓力分布Fig.5 Pressure distribution on the large blade

圖6 小葉片上的壓力分布Fig.6 Pressure distribution on the small blade

3.2 風(fēng)機(jī)噪聲仿真

通過流場(chǎng)計(jì)算，得到不同時(shí)刻下葉片上的壓力值（脈動(dòng)壓力），使用噪聲仿真軟件將風(fēng)機(jī)葉片上的脈動(dòng)壓力時(shí)域信號(hào)作傅立葉變換，即可得到葉片上的聲源頻域分布，再采用邊界元方法，可以計(jì)算風(fēng)機(jī)輻射的噪聲。

建立風(fēng)機(jī)噪聲聲學(xué)仿真模型，如圖7所示，由7 552個(gè)節(jié)點(diǎn)和7 659個(gè)單元構(gòu)成。

圖7 風(fēng)機(jī)聲學(xué)仿真模型Fig.7 Noise simulation model

為了得到風(fēng)機(jī)的輻射聲場(chǎng)，需要特別設(shè)置一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格（場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格），進(jìn)口處和出口處的測(cè)量網(wǎng)格如圖8所示，是一個(gè)1.5×1.5m的正方形，距離為1m，正方形的中心與風(fēng)機(jī)進(jìn)口中心或出口中心重合。

圖8 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口處的測(cè)量網(wǎng)格Fig.8 Noise measure grid of inlet and outlet

根據(jù)該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，可由公式（1）得到葉片的通過頻率為480Hz，風(fēng)機(jī)的噪聲集中在480×n（n=1,2,…）頻率點(diǎn)上比較大。采用噪聲仿真計(jì)算，在距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口1m處風(fēng)機(jī)葉片通過噪聲基頻(480Hz)、2倍基頻(960Hz)、3倍基頻(1 440Hz)、4倍基頻(1 920Hz)的噪聲有效值分布如圖9～圖12，遠(yuǎn)離軸中心位置后，噪聲呈逐漸降低趨勢(shì)，在不同的頻率下，進(jìn)風(fēng)口噪聲強(qiáng)度分布不一致。

圖9 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲分布（基頻480Hz）Fig.9 Noise distribution of air inlet(480Hz)

圖10 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲分布（960Hz）Fig.10 Noise distribution of air inlet(960Hz)

圖11 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲分布（1 440Hz）Fig.11 Noise distribution of air inlet(1 440Hz)

圖12 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲分布（1 920Hz）Fig.12 Noise distribution of air inlet(1 920Hz)

圖13 風(fēng)機(jī)出風(fēng)口噪聲分布（基頻480Hz）Fig.13 Noise distribution of air outlet(480Hz)

圖14 風(fēng)機(jī)出口噪聲分布（960Hz）Fig.14 Noise distribution of air outlet(960Hz)

距離風(fēng)機(jī)出口1m處風(fēng)機(jī)葉片通過噪聲基頻(480Hz)、2倍基頻(960Hz)、3倍基頻(1 440Hz)、4倍基頻(1 920Hz)的噪聲有效值分布如圖13～圖16。在靠近進(jìn)風(fēng)口側(cè)，風(fēng)機(jī)噪聲明顯逐漸加大；在驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)，噪聲呈逐漸下降趨勢(shì)，在不同的頻率下，進(jìn)風(fēng)口噪聲強(qiáng)度分布不一致。

圖15 風(fēng)機(jī)出口噪聲分布（1 440Hz）Fig.15 Noise distribution of air outlet(1 440Hz)

圖16 風(fēng)機(jī)出口噪聲分布（1 920Hz）Fig.16 Noise distribution of air outlet(1 920Hz)

進(jìn)行1倍～10倍基頻噪聲仿真計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口測(cè)量網(wǎng)格中心位置在諧波頻率上的噪聲值如表1所示。

表1 測(cè)量網(wǎng)格中心位置處的噪聲頻譜值（距離1m）Tab.1 Noise spectrum of the measure grid center

采用軟件對(duì)噪聲值進(jìn)行1倍頻程換算，得出風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口處1倍頻程上噪聲頻譜值，如表2。

表2 進(jìn)口和出口處的倍頻程噪聲值Tab.2 Noise spectrum of the measure grid center

3.3 仿真結(jié)果處理

A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲能較好的反映人耳對(duì)噪聲強(qiáng)度與頻率的主觀感覺[9]，要得到總的A聲級(jí)噪聲，需對(duì)表1的仿真結(jié)果進(jìn)行A聲級(jí)疊加計(jì)算。

在對(duì)多個(gè)聲源進(jìn)行噪聲疊加計(jì)算時(shí)，需先對(duì)各聲源進(jìn)行聲壓計(jì)算，見公式（3）。

式中，pi為各聲源的聲壓，N/m2；Lpi為第i處聲源的聲壓級(jí)，dB；p0為基準(zhǔn)聲壓，p0=2×10-5N/m2。

各聲源聲壓與總聲壓級(jí)的關(guān)系見公式（4）。

式中，Lp為總聲壓級(jí)，dB；p1～pi為各聲源的聲壓，N/m2；p0為基準(zhǔn)聲壓。

結(jié)合表1、公式（3）、公式（4）進(jìn)行風(fēng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口測(cè)量網(wǎng)格中心位置處的噪聲數(shù)值如表3所示。

表3 測(cè)量網(wǎng)格中心位置處的噪聲仿真結(jié)果Tab.3 Noise simulation results

3.4 風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)測(cè)與分析

風(fēng)機(jī)樣機(jī)結(jié)構(gòu)和噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖17。

圖17 風(fēng)機(jī)樣機(jī)噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.17 Noise test site

圖18為該風(fēng)機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口1m處測(cè)量的噪聲頻譜圖，圖中噪聲峰值點(diǎn)頻率為葉片通過頻率。

圖18 風(fēng)機(jī)樣機(jī)實(shí)測(cè)噪聲頻譜Fig.18 Noise spectrum of fan

對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲頻譜進(jìn)行A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)進(jìn)口1m處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲為70.5dB（A），倍頻程噪聲頻譜對(duì)比如圖19所示。

圖19 風(fēng)機(jī)倍頻程A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算測(cè)試對(duì)比圖Fig.19 Noise spectrum contrast

對(duì)比表3可看到，風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)噪聲與仿真計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，風(fēng)機(jī)噪聲仿真值高于實(shí)測(cè)值，且偏差較小，隨距離增加而噪聲降低；通過對(duì)比圖19和表1，在非旋轉(zhuǎn)頻率點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)測(cè)值略大于仿真值，這主要是由于仿真時(shí)主要考慮的是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲；雖然風(fēng)機(jī)的渦流噪聲較小，但其頻譜范圍較寬[10]，因此在高頻時(shí)，其倍頻程聲壓級(jí)疊加聲壓值在實(shí)際中還是需要考慮的。

4 噪聲控制

在確定風(fēng)機(jī)流場(chǎng)后，風(fēng)機(jī)采用消聲蝸殼與進(jìn)口消聲器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲控制。

4.1 消聲蝸殼

當(dāng)蝸殼不做消聲處理時(shí)，蝸殼面板是聲音的強(qiáng)反射面，入射聲能量被吸收得很少，聲波在蝸殼內(nèi)連續(xù)被反射，形成混響聲場(chǎng)，導(dǎo)致聲壓級(jí)很高。

雙層消聲蝸殼采用穿孔板和吸聲材料構(gòu)成，穿孔板與蝸殼殼體之間形成空腔，由于聲波穿過穿孔板后在蝸殼與穿孔板間形成的空腔內(nèi)反復(fù)震蕩被吸聲材料消耗吸聲，降低被測(cè)聲場(chǎng)的聲壓級(jí)，單層消聲蝸殼的簡(jiǎn)化示意圖如圖20所示。

圖20 單層吸聲蝸殼原理示意圖Fig.20 Noise absorption volute principle

通過雙層吸聲蝸殼的吸聲量計(jì)算（計(jì)算過程省略），再根據(jù)產(chǎn)品所處安裝位置的體積限制，選取穿孔板厚度1×10-3m，開孔率15%，吸聲材料（三聚氰胺泡棉）厚度0.9×10-2m，消聲蝸殼結(jié)構(gòu)如圖21所示。

圖21 消聲蝸殼結(jié)構(gòu)圖Fig.21 Noise absorption volute structure

4.2 進(jìn)風(fēng)口消聲器

消聲器是利用多孔吸聲材料來吸收聲能，當(dāng)聲波通過襯貼多孔吸聲材料的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口時(shí)，聲波將激發(fā)多孔吸聲材料中的無數(shù)小孔中的空氣分子產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，其中大部分聲能用于克服摩擦阻力和粘滯阻力并轉(zhuǎn)變成熱能而消耗掉，從而降低風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。

一般而言，消聲器的消聲量與消聲器的結(jié)構(gòu)形式、長(zhǎng)度、通道面積和吸聲材料的性能有關(guān)。

對(duì)于直筒消聲器，其消聲量△L可按公式（5）進(jìn)行計(jì)算[11]。

式中,φ(α0)為材料吸聲系數(shù)；α0為消聲系數(shù)；P為通道截面周長(zhǎng)，m；S為通道截面積，m2；L為消聲器的長(zhǎng)度，m。

由公式(5)可知，當(dāng)消聲器結(jié)構(gòu)確定好后，其消聲量與吸聲材料的吸聲性能成正比。由于該風(fēng)機(jī)為特殊用途，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量有著非常嚴(yán)格的限制，同時(shí)由圖18可知風(fēng)機(jī)噪聲頻率較寬，因此需要設(shè)計(jì)吸聲性能良好，并且密度輕，厚度薄的吸聲材料用于本風(fēng)機(jī)消聲[12]。

根據(jù)風(fēng)機(jī)本體的噪聲頻譜特性和三聚氰胺泡棉的吸聲特性，設(shè)計(jì)消聲器穿孔板厚度1×10-3m，開孔率15%，吸聲材料平均厚度2.5×10-2m，并折彎流道增加吸聲面積，消聲結(jié)構(gòu)如圖22。

圖22 進(jìn)風(fēng)口消聲器Fig.22 Air inlet muffler

4.3 降噪方案實(shí)施與效果評(píng)價(jià)

在采用消聲蝸殼、進(jìn)風(fēng)口消聲器技術(shù)措施后，風(fēng)機(jī)工作在額定工況時(shí)，進(jìn)風(fēng)口噪聲測(cè)試值為58.2dB（A），小于要求值60dB（A），風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲相比原來降低12.3dB（A）。風(fēng)機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖23、噪聲頻譜如圖24，實(shí)測(cè)噪聲頻譜與噪聲評(píng)價(jià)NR指數(shù)的對(duì)比如圖25，滿足艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲醫(yī)學(xué)要求。

圖23 風(fēng)機(jī)產(chǎn)品噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.23 Noise test on site

圖24 風(fēng)機(jī)降噪前后噪聲頻譜對(duì)比Fig.24 Noise spectrum of fan

圖25 風(fēng)機(jī)倍頻程聲壓級(jí)與NR指數(shù)對(duì)比圖Fig.25 Noise spectrum contrast

5 結(jié)論

本文通過對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲特性、風(fēng)機(jī)選型、并進(jìn)行流場(chǎng)和噪聲仿真分析，得到風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜特性，并據(jù)此采用消聲蝸殼和進(jìn)風(fēng)口消聲器的噪聲控制方法，降低了風(fēng)機(jī)額定點(diǎn)噪聲12.3dB(A)，并得出以下結(jié)論：

a）風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)與聲場(chǎng)的聯(lián)合仿真，可以模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣流和輻射聲場(chǎng)，噪聲仿真值與實(shí)際值較為接近，有一定的參考價(jià)值；

b）風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口噪聲，隨距離增加呈逐漸下降趨勢(shì)，在不同的頻率下，進(jìn)風(fēng)口噪聲強(qiáng)度分布不一致；

c）采用消聲蝸殼、進(jìn)風(fēng)口消聲器，可以全頻段大幅度降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲。