對旋軸流通風機噪聲源的識別與分析
0 引言
近年來，隨著社會的發展進步，人們對生活和工作環境的要求日益提高，風機的噪聲問題便突顯出來，從而帶動國內外風機噪聲研究的興起和發展。
對旋軸流通風機廣泛用于礦井、隧道等使用空間小又需要強烈通風的場合。然而，作為軸流通風機的一個特例，對旋軸流通風機將兩個相對反向旋轉的葉輪、電機和各種支撐結構都安裝在一個葉頂間隙很小的筒體中，從而導致其內部流場中存在非常嚴重的動動干涉與動靜干涉，使得這類風機的內部流場比普通軸流通風機更加復雜，同時還伴有嚴重的噪聲污染，不僅給人們的生活和工作帶來巨大危害，其噪聲測試也比較困難，這就給對旋軸流通風機的噪聲研究及控制帶來更大的難度[1-3]。因此，在研究這類通風機的噪聲問題時，首先必須要對其噪聲源進行識別，即對其進行聲場測量和噪聲分析，識別出主要聲源的位置、性質和頻率特征，并分析其發聲機制，從而有針對性地進行改進設計，并提出和實施相應的降噪措施[4]。
1 試驗方法
選擇一臺具有代表性的對旋軸流通風機作為研究對象進行了聲學測量。表1為該通風機標準工況下的主要設計參數，其葉片采用等厚度薄板，葉型由葉片上7個不同截面的雙圓弧型線組合而成。
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表1對旋軸流通風機主要設計參數
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由于選用的對旋軸流通風機整機結構和體積比較龐大（所有這類風機基本都具有類似的結構和體積），使得噪聲測試很難在消聲實驗室內進行，而現場測試聲功率不僅需要有很大的測試空間，而且風機出口區排氣速度大，針對出口區的測量很難測準，所以選擇在現場測試聲壓級，按GB/T2888-91《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》測了一點，其位置為距風機出口1m遠、45°位置。聲學信號測量采用BK3560C-pulse多分析儀系統，量程選擇1/24倍頻程。在測量聲壓級的同時，還進行了相應的進氣氣動性能試驗。
2 測試結果
試驗測試得到的線性聲壓級頻譜見圖1。當頻率超過1000Hz時，其線性聲壓級均在70Hz以下；在中低頻部分則存在4個聲壓級超過70dB的高峰，分別對應編號①~④，主要針對這4個峰進行分析；編號⑤和⑥位置也存在兩個小峰，但它們的聲壓級較低，所以不作探討；編號⑦為高頻位置。表2給出了編號①~④對應的頻率、線性聲壓級和A計權聲壓級。
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3 噪聲源分析
3.1 電機的電磁噪聲
圖2中編號①為電機自身產生的電磁噪聲，所配用的電機其固有頻率均為50Hz，因此，在50Hz附近存在這樣一個較高的峰，其線性聲壓級達到了83.22dB。然而，在A計權聲壓級頻譜中，由于低頻段衰減很大，這個峰僅為52.59dB（A），與③、④的A聲級相差甚遠。編號②也是電機本身產生的電磁噪聲，其頻率對應電機固有頻率50Hz的2倍，因此為電機電磁噪聲的2倍頻。與①相似，在A計權聲壓級頻譜中，這個峰僅為54.36dB（A）。因此，由電機本身產生的電磁噪聲不是對旋軸流通風機主要的噪聲源。
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表 2 試驗測試得到的編號
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3.2 氣動離散噪聲
編號③和④分別為后級葉輪和前級葉輪旋轉產生的氣動離散噪聲。這兩個峰對應的頻率分別為339.85Hz和440.25Hz，而根據試驗測得的前后葉輪轉速值（前后級葉輪轉速分別為2935r/min和2913r/min）計算可知，這兩個峰所在頻率剛好分別對應著兩級葉輪的葉片通過頻率（BPF）。BPF可表示為
f=nz/60
式中f為葉片通過頻率，Hz；n為葉輪轉速r/min；z為葉片數。
經分析，當后級葉輪和與其相鄰的電機支架及電機進線管周期性相對旋轉時，后級葉片表面就會產生周期性變化的壓力脈動，從而產生了編號③對應的氣動離散噪聲；同理可知，編號④對應前級葉片表面壓力脈動所產生的氣動離散噪聲。這兩個離散噪聲的線性聲壓級均已超過75dB，而編號④對應的線性聲壓級高達85.15dB，同時，它們在A計權頻譜中衰減都很小。顯然，由葉片表面脈動壓力形成的BPF氣動離散噪聲是對旋軸流通風機最主要的噪聲源。
3.3 寬帶噪聲
編號⑦為寬帶噪聲，該噪聲由風機內流動引起，其所在頻率位于中高頻，各頻段的線性聲壓級均未超過70dB，因此寬帶噪聲也不屬于對旋軸流通風機主要的噪聲源。
4 結論
通過對一臺有代表性的對旋軸流通風機的噪聲分析，識別出其主要噪聲源是風機的氣動離散噪聲，即由葉片表面壓力脈動引起的BPF離散噪聲。這類噪聲在對旋軸流通風機各類噪聲中成為最主要的噪聲源，其主要原因有二：一方面，這類通風機轉速高、壓頭大，內部流場極其復雜；另一方面，通風機內部存在各種電機支架和導線管，它們與兩個高速旋轉的動葉輪產生強烈的動靜干涉和動動干涉，從而使葉片表面出現周期性變化的脈動壓力。而電機本身產生的電磁噪聲和中高頻的寬帶噪聲與氣動離散噪聲相比并不是主要噪聲源。
針對對旋軸流通風機噪聲源的特點，提出4點非傳統而具有創新性的降噪措施。
（1）在滿足工程要求的前提下，盡量減少對旋軸流通風機內部的支架及導線管等結構，以減輕其與動葉輪之間的干涉，降低氣動離散噪聲。
（2）在工程上允許并滿足氣動性能要求的情況下，盡量使各種支架遠離動葉輪；同時，盡量增加兩級動葉輪的間距。這樣，也是為了減輕動靜干涉及動動干涉，降低氣動離散噪聲。
（3）對葉片型線及葉片安裝角進行反復優化，使對旋軸流通風機內部流場盡量簡單化。
（4）使用合理的吸聲棉等材料，并結合提出的前三點建議，一定能夠使對旋軸流通風機的降噪效果達到最好。
參考文獻
[1]馮毓誠,趙秀華.對旋軸流風機降噪措施的實驗研究[J].航空動力學報,1995,10(2):113-116.
[2]史偉.多段組合穿孔板聲襯降低對旋風機噪聲的實驗研究[J].航空動力學報,1997,12(4):401-403.
[3]史偉.新型通氣聲襯在對旋軸流通風機降噪中的實驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究,1998,11(1):20-26.
[4]MalcolmJ.Crocker.Identificationofnoisesourcesonaresidentialsplit-systemair-conditionerusingsoundintensitymeasurements[J].AppliedAcoustics,2004(65):545-558.
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