代元軍 王建平 李保華 吳柯 何振雄 趙超

(1 新疆農業(yè)大學機電工程學院 烏魯木齊 830052)

(2 上海電機學院機械學院 上海 201306)

(3 新疆工程學院能源高效利用技術重點實驗室 烏魯木齊 830091)

0 引言

如今空調器得到廣泛應用，而空調氣動噪聲問題沒有完美解決，噪聲問題已成為影響空調使用體驗的重要影響因素，降低氣動噪聲成為提高空調質量的方法之一[1-2]。國內外研究人員對空調室內貫流風機的降噪方法展開深入研究，并取得了明顯的降噪成果，但對空調外機的降噪研究不夠深入[3-5]?？照{外機產生的氣動噪聲主要來源于風葉尾緣渦脫落引起的壓力脈動[6]。尾緣鋸齒、尾緣開縫、尾緣微孔、尾緣吹氣等方法都可以達到減小風葉氣動噪聲的目的[7]。Howe[8]從理論上討論了尾緣鋸齒結構優(yōu)化氣動特性的可行性，但是該研究沒有進行試驗驗證。黃琪琪等[9]研究了尾緣鋸齒對通風機尾緣噪聲的影響，該研究通過實驗驗證了尾緣鋸齒對通風機氣動噪聲具有抑制作用，但是該研究沒有確定氣動噪聲的產生位置，且該研究的噪聲測量方法使用平面3 點測量噪聲，沒有使用空間傳聲器陣列測量噪聲。梁鐘等[10]設計了兩種尾緣凹陷結構，研究了尾緣凹陷結構對空調外機內流特性的影響，結果表明尾緣凹陷結構有利于改善葉片尾緣的壓力分布，減弱尾跡紊亂，但是該研究沒有探究尾緣凹陷對噪聲的影響。馬列等[11]發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下的尾緣凹陷結構同樣具有降噪效果，全壓隨缺口尺寸增加而降低，但是該研究僅關注了高轉速下的噪聲與全壓，而且研究對象不是常規(guī)三葉片空調外機風葉。Howe[12]對穿孔表面流體脈動進行理論分析，在理論上證明了多孔尾緣降噪的可行性。Geyer等[13]通過試驗測量，證明多孔滲透葉片滲透性表面可以降低尾緣氣動噪聲，但是該研究只關注了翼型穿孔對尾緣噪聲的影響，沒有考慮風葉的三維旋轉效應的影響。王善彬等[14]利用數(shù)值計算方法，研究孔型和傾斜角對葉片氣動特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)穿孔葉片的指向型分布圖樣幾乎不變，噪聲水平有明顯變化，但是對聲源產生位置沒有進行定位。

綜上所述，尾緣凹陷、尾緣鋸齒、尾緣微孔結構風葉具有降噪效果。本文以三葉片空調外機軸流風葉為研究對象，對相同結構風葉進行鋸齒、微孔、凹陷設計并對比其氣動聲學性能，探索低速軸流風葉尾緣結構變化引起的氣動聲學變化；利用BK Connect系統(tǒng)，采集不同尾緣結構風葉聲壓級、指向性聲場信息，利用波束形成法采集聲源位置信息，得到不同尾緣結構風葉的時間平均聲壓級均值、聲源位置分布規(guī)律和指向性，為優(yōu)化風葉氣動聲學特性提供試驗參考。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗對象

以空調外機軸流風葉為試驗對象，風葉為大展弦比前掠風葉，其幾何結構如圖1 所示，風葉外徑D=40 cm，輪轂比d/D=0.25，葉片數(shù)M=3。

對空調外機軸流風葉尾緣進行凹陷設計可以優(yōu)化風葉表面受力情況，改善內部流動，減弱尾跡，尾緣凹陷結構深入風葉葉片中部對葉輪內部流動改善效果明顯。依據(jù)文獻[15]經驗，設計凹陷直徑d1=55 mm，凹陷圓心位于風葉尾緣中部。采用切割法在風葉尾緣生成凹陷結構，風葉尾緣凹陷結構示意圖如圖2所示。

圖2 尾緣凹陷結構風葉Fig.2 Trailing edge recessed structure airfoil

尾緣微孔結構可降低吸力面邊界層厚度，通過壓差形成射流，促使分離點向流動方向移動，延遲吸力面分離，使翼型有降噪的潛力[16]。依據(jù)文獻[17]中提出的微孔系數(shù)范圍，取d2=2 mm，c=4 mm，e=4 mm。圖3為尾緣微孔結構風葉的結構示意圖。

圖3 尾緣微孔風葉Fig.3 Trailing edge micro-perforated airfoil

研究表明[18]，貓頭鷹翅膀尾緣鋸齒結構長度L為5～25 mm，鋸齒寬度B為10～20 mm，尾緣鋸齒長度對尾緣鋸齒風葉降低噪聲起到重要作用[19]，依據(jù)文獻[20] 的經驗，選取軸流風葉尾緣鋸齒結構鋸齒長度h=14 mm，鋸齒寬度m=14 mm，齒角a=65°。角度采用切割法在風葉尾緣生成鋸齒結構，尾緣鋸齒結構示意圖如圖4所示。

圖4 尾緣鋸齒結構風葉Fig.4 Trailing edge serrated structure airfoil

1.2 試驗設備及測量環(huán)境

試驗在新疆智能農業(yè)裝備重點實驗室和新疆工程學院能源高效利用技術重點實驗室進行，試驗過程中轉速測量采用B&K 公司type 2981 型光電傳感器。聲源位置和噪聲測量采用BK Connect 系統(tǒng)，包括3660-C-100 型5 模塊LAN-XI 數(shù)據(jù)采集前端、4961型傳聲器和9712-W-FEN型聲學攝像機。

試驗場地為長方體空間，長寬高分別為10 m、10 m、3.5 m，四壁均貼有大量吸聲材料，平均吸聲系數(shù)α=0.3。被測聲源與該場地環(huán)境噪聲聲壓級大于15 dB，場地背景噪聲聲壓級與GB/T 3767–2016《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率和聲能量級反射面上方近似自由場的工程法》表1 規(guī)定的值如圖5所示。試驗場地滿足GB/T 3767–2016 要求的相對值判據(jù)和絕對值判據(jù)[21]，且滿足測試環(huán)境的聲學要求。

表1 傳聲器位置坐標Table 1 Coordinates microphone positions

圖5 規(guī)定頻帶聲壓級對比Fig.5 Comparison of a sound pressure level in a specified frequency band

1.3 試驗方案

參照國標GB/T 3767–2016 噪聲測量方法[21]，搭建傳聲器陣列，測量不同尾緣結構風葉在不同轉速下的聲場信息，并進行修正，分析尾緣結構變化對時間平均聲壓級均值的影響；使用聲學攝像機，采用波束形成技術，定位不同尾緣結構風葉在不同轉速下的聲源位置；探索尾緣結構變化對風葉聲源位置分布特性的影響規(guī)律，對不同風葉進行指向性試驗，探索其聲源指向性。

1.3.1 聲壓級測量

被測聲源輻射的聲功率會受到安裝和運行方式的影響，為使被測聲源發(fā)射影響最小，模擬風葉安裝條件，將安裝風葉的空調室外機放置在地面上，在600 r/min、625 r/min、650 r/min、675 r/min、700 r/min 的轉速下對風葉噪聲展開聲壓級測量。選取測量距離d=70 cm，建立測量面，如圖6所示。以空調外機底面中心點為原點，經過空調外機底面中心點的側垂線、正垂線、鉛垂線，分別設為x軸、y軸、z軸，建立空間直角坐標系，如圖6 所示。傳聲器的安裝位置坐標如表1所示。

圖6 傳聲器陣列位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of microphone array position

1.3.2 聲源定位

電機運轉和環(huán)境聲疊加產生的噪聲頻譜圖如圖7 所示，經分析發(fā)現(xiàn)0～256 Hz、480～832 Hz、1000～1280 Hz、1880～2272 Hz、2848～3040 Hz頻段有對聲源位置的測定產生影響的峰值，所述峰值是由支撐電機的機械結構震動、電機的電磁噪聲和摩擦噪聲產生。依據(jù)文獻[22]經驗，為減小對試驗結果的影響，剔除上述頻段，將測量頻段劃分為4個頻段，如表2所示。

表2 頻段分配Table 2 Frequency band assignment

圖7 背景噪聲頻譜圖Fig.7 Background noise spectrum

采用聲學照相機對空間聲場進行測量，如圖8所示，根據(jù)每個傳聲器與聲源的位置關系，對聲學照相機中各傳聲器信號進行延遲，使所有傳聲器對于同一聚焦方向接收的是同一瞬間波前，再進行求和處理，由于聚焦方向上的信號是同相位相加，而其他方向上的信號是不同相位相加，信號會減弱，這種信號處理算法被稱為“波束形成法”[23]。

為探索不同風葉聲源位置分布特性，運用波束形成技術對1.1 節(jié)所述風葉聲源位置精確定位。將聲學照相機固定在1.3.1 節(jié)所述坐標系的(61.5 cm，-11 cm，26 cm)位置處，如圖8 所示。因為轉速影響聲源位置的分布，分別在610 r/min、660 r/min、710 r/min 的轉速下，使用聲學照相機收集風葉聲場信息，通過BK Connect系統(tǒng)處理得到噪聲云圖。

2 結果分析

2.1 聲壓級的修正

將傳聲器陣列收集到的聲場信息進行以下步驟修正。

(1) 以空調外機未啟動狀態(tài)下的環(huán)境聲作為背景噪聲，記錄傳聲器陣列時間平均聲壓級LP(B)，通過式(1)求得背景噪聲時間平均壓級均值

式(1)中，LPi(B)為背景噪聲第i個傳聲器的時間平均聲壓級，單位dB；NM為傳聲器個數(shù)。

(2)在1.3.1節(jié)所述轉速下對不同風葉開展聲場數(shù)據(jù)采集，記錄傳聲器陣列9 個傳聲器時間平均聲壓級LPi(ST)，通過式(2)求得不同風葉的時間平均聲壓級均值。

式(2)中，LPi(ST)為第i個傳聲器時間平均聲壓級，單位dB。

(3) 通過式(3)求得背景噪聲修正值K1。

式(4)中，S為傳聲器陣列布置的長方體表面積，S=15.9472 m2；房間吸聲量A為房間內表面積與平均吸聲系數(shù)的乘積，A=102 m2。

2.2 測量面時間平均聲壓級均值

首先對試驗系統(tǒng)的可靠性和可重復性進行考核，對同一風葉在同一轉速下進行多次測量，最大相對誤差不超過3%，表明該試驗系統(tǒng)可靠性和可重復性良好。

空調外機不同尾緣結構軸流風葉時間平均聲壓級均值如圖9所示，橫坐標表示轉速，縱坐標表示時間平均聲壓級均值。1.1節(jié)所述4種風葉時間平均聲壓級均隨轉增加而增加，由圖9 可見尾緣凹陷結構風葉、尾緣微孔結構風葉、尾緣鋸齒結構風葉均能降低風葉氣動噪聲，尾緣凹陷結構風葉降噪效果最為明顯。在轉速為600～650 r/min 的中低速工況下，尾緣微孔結構風葉氣動噪聲高于尾緣鋸齒結構風葉；在轉速為650～700 r/min的中高速工況下，尾緣微孔結構風葉氣動噪聲低于尾緣鋸齒結構風葉。轉速為650 r/min 時原風葉、尾緣微孔結構風葉和尾緣鋸齒結構風葉噪聲時間平均聲壓級相差不大。在600～700 r/min 轉速區(qū)間，原風葉噪聲的時間平均聲壓級均值最大，尾緣凹陷結構風葉噪聲的時間平均聲壓級均值最小。

圖9 不同風葉時間平均聲壓級均值Fig.9 Mean value of time-averaged SPL of different blade

2.3 聲源定位

為探索尾緣結構變化對風葉聲源位置分布特性的影響規(guī)律，采用波束形成技術對不同風葉聲場進行監(jiān)測，噪聲源分布如圖10～12、圖14～16、圖18～20、圖22～24所示，r為聲源位置到風葉輪轂中心的距離，R為風葉半徑，比值r/R為聲源定位。

圖10 原風葉轉速610 r/min 噪聲云圖Fig.10 Prototype blade speed 610 r/min noise nephogram

原風葉在轉速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖10所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.35、0.59、0.77 處。原風葉在轉速為660 r/min的工況下，聲源分布如圖11 所示，頻段I、II、III、IV聲源分別位于r/R為0.10、0.40、0.64、0.77處。原風葉在轉速為710 r/min的工況下，聲源分布如圖12所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.08、0.43、0.69、0.81處。

圖11 原風葉轉速660 r/min 噪聲云圖Fig.11 Prototype blade speed 660 r/min noise nephogram

圖12 原風葉轉速710 r/min 噪聲云圖Fig.12 Prototype blade speed 710 r/min noise nephogram

原風葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 的轉速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖13 所示，聲源位置隨頻率的增加逐漸遠離旋轉中心。在頻段I中原風葉3 種不同速度的聲源位置同處于輪轂葉根處，在頻段II、III、IV三個頻段下聲源位置隨風葉旋轉速度增大逐漸遠離旋轉中心。

圖13 原風葉聲源位置Fig.13 Prototype blade sound source location

尾緣凹陷結構風葉在轉速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖14 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.52、0.61、0.53 處。尾緣凹陷結構風葉在轉速為660 r/min 的工況下，聲源分布如圖15 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.50、0.67、0.66 處。尾緣凹陷結構風葉在轉速為710 r/min 的工況下，聲源分布如圖16 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.16、0.46、0.65、0.73處。

圖14 尾緣凹陷結構風葉轉速610 r/min 噪聲云圖Fig.14 Trailing edge recessed structure blade speed 610 r/min noise nephogram

尾緣凹陷結構風葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖17所示，頻段I到頻段II位移量較大，尾緣凹陷結構風葉在3 種轉速下，頻段II、頻段III、頻段IV的聲源位置分布在葉片中部凹陷處。

尾緣微孔結構風葉在轉速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖18所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.23、0.39、0.65 處。尾緣微孔結構風葉在轉速為660 r/min 的工況下，聲源分布如圖19 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.16、0.32、0.63、0.68 處。尾緣微孔結構風葉在轉速為710 r/min 的工況下，聲源分布如圖20 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.51、0.67、0.70處。

圖18 尾緣微孔結構風葉轉速610 r/min 噪聲云圖Fig.18 Trailing edge micro-aperture structure blade speed 610 r/min noise nephogram

圖20 尾緣微孔結構風葉轉速710 r/min 噪聲云圖Fig.20 Trailing edge micro-aperture structure blade speed 710 r/min noise nephogram

尾緣微孔結構風葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖21所示，聲源位置隨頻率的增加逐漸遠離旋轉中心。在頻段I 中尾緣微孔結構風葉3 種不同速度的聲源位置同分布于輪轂和葉根附近，在頻段II、頻段III、頻段IV 三個頻段下聲源位置隨速度升高遠離旋轉中心。

圖21 尾緣微孔結構風葉聲源位置Fig.21 Trailing edge micro-perforated structure blade sound source location

在轉速為610 r/min 時尾緣鋸齒結構風葉聲源分布如圖22 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.06、0.34、0.68、0.73 處。在轉速為660 r/min 時尾緣鋸齒結構風葉聲源分布如圖23所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.51、0.70、0.77 處。在轉速為710 r/min 時尾緣鋸齒結構風葉聲源分布如圖24 所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.06、0.58、0.73、0.82處。

圖22 尾緣鋸齒結構風葉轉速610 r/min 噪聲云圖Fig.22 Trailing edge sawtooth structure blade speed 610 r/min noise nephogram

圖23 尾緣鋸齒結構風葉轉速660 r/min 噪聲云圖Fig.23 Trailing edge serrated structure blade speed 660 r/min noise nephogram

圖24 尾緣鋸齒結構風葉轉速710 r/min 噪聲云圖Fig.24 Trailing edge serrated structure blade speed 710 r/min noise nephogram

尾緣鋸齒結構風葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖25 所示，聲源位置隨頻率的增加遠離旋轉中心。在頻段I 中尾緣鋸齒結構風葉3 種不同轉速的聲源位置同分布于輪轂和葉根附近，在頻段II、頻段III、頻段IV 三個頻段下聲源位置隨速度升高向遠離旋轉中心。

圖25 尾緣鋸齒結構風葉聲源位置Fig.25 Trailing edge sawtooth structure blade sound source location

2.4 指向性

通過指向性試驗得到聲輻射數(shù)據(jù)如圖26 所示，3 種改型風葉在75°和105°方向時間平均聲壓級降低明顯，其他方向不明顯。風葉輪轂區(qū)域不壓縮空氣，尾緣靠近葉尖區(qū)域旋轉線速度大做功能力強，導致75°和105°方向上聲壓級高于90°方向上的平均聲壓級。頻率相同，相位差恒定的聲波相疊加，雖然振動方向不一致，也能發(fā)生干涉[24]。由于風葉旋轉，3個葉尖和3個尾緣部位產生的同頻率、固定相位差的聲波發(fā)生干涉現(xiàn)象，可能導致90°方向上的時間平均聲壓級進一步降低。

3 結論

設計不同尾緣結構的空調外機軸流風葉，統(tǒng)計不同尾緣結構風葉聲場信息，經分析得出下列結論：

(1) 3種改型風葉在600～700 r/min 轉速區(qū)間內氣動噪聲的時間平均聲壓級均值低于原風葉，尾緣凹陷結構風葉氣動噪聲低于原風葉、尾緣微孔結構風葉和尾緣鋸齒結構風葉，尾緣凹陷結構風葉氣動噪聲最大降低了1.93～2.78 dB。在600～650 r/min中低速區(qū)間，尾緣微孔結構風葉氣動噪聲高于尾緣鋸齒結構風葉，650～700 r/min中高速區(qū)間尾緣微孔結構風葉氣動噪聲低于尾緣鋸齒結構風葉。

(2) 對比原風葉、尾緣凹陷結構風葉、尾緣微孔結構風葉、尾緣鋸齒結構風葉噪聲云圖，發(fā)現(xiàn)頻段I噪聲由輪轂和葉根產生；原風葉、尾緣微孔結構風葉、尾緣鋸齒結構風葉在3 種轉速下聲源分布隨頻率的增加逐漸遠離旋轉中心，尾緣凹陷結構風葉頻段II、III、IV聲源位置分布在尾緣凹陷結構處。

(3) 通過指向性試驗發(fā)現(xiàn)尾緣凹陷結構風葉、尾緣微孔結構風葉、尾緣鋸齒結構風葉在75°和105°方向聲壓級降低明顯，其他方向不明顯；發(fā)現(xiàn)90°位置時間平均聲壓級低于75°和105°方向，可能因為3 個葉尖和3 個尾緣部位產生的同頻率、固定相位差的聲波發(fā)生干涉現(xiàn)象，導致90°方向上的時間平均聲壓級進一步降低?？梢岳寐暡ǜ缮娆F(xiàn)象設計制造噪聲更低的風葉。本文未能從結構動力學角度分析尾緣凹陷、尾緣鋸齒、尾緣微孔結構風葉和原風葉，后續(xù)工作將從將從結構動力學角度研究4種風葉性能。