（机械工程专业论文）风机房噪声分析与控制.pdf

中文摘要 摘要 本文以环境科学、系统科学和噪声控制学为理论基础，对风机房噪声控制系 统及其综合治理进行研究，通过对风枧房噪声污染调查监测，分析其发生机理、 声学特性和传播过程衰减规律。在此基础上，提出风机房声场模型。 对江川复烤厂风机房车间噪声布点监测，结果表明，利用本文提出的模型计 算车间噪声，预测值和实验值比较吻合，误差较小。把模型运用于复烤厂风机房 噪声污染治理的实际，采用定性分析与定量分析，理论计算与经验决策相结合的 方法，对风机房车间噪声控制，隔声间噪声控制和传播途径噪声控制三方面系统 研究，制定风机房噪声控制优化方案，并编程预测治理效果。这不仅将噪声污染 监测，评价治理，预测的研究有机地结合起来，拓展了研究范围和内容，雨且研 究方法有所创新，对当前工业噪声优化控制有较强的推广和碰用价值。 关键词：噪声，风机房，优化，控制指标，声场 i h 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h et h e o r yo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，s y s t e m a t o l o g ya n d n o i s ec o n t r o le n g i n e e r i n g n o i s ec o n t r o ls y s t e ma n dc o m p r e h e n s i v eh a r n e s so ff a nr o o m h a v e b e e nr e s e a r c h e d b yt h ei n v e s t i g a t e ，a n dm e f l t g u r eo ff a nl o o mn o i s e s o u n d p r o d u c t i o np r i n c i p l e ，a c o u s t i c sc h a r a c t e r i s t i c a n dt h el a wo fa t t e n u a t i o np r o p a g a t i o n h a v eb e e na n a l y z e d t h u s ，t h es o u n df i e l dm o d e lo ff a nr o eh a sb e e np u tf o rp u tf o r w a r d w a r d i ti sp r o v e db ym e a s u r i n gn o i s eo ff a nr o o mo fj c f k , t h a tt h e r ea r ep r e t t yg o o d a g r e e m e n t sb e t w e c ne s t i m a t i o na n de x p e r i m e n t s t h e n ，t h i sm o d e li sa p p l i e df o rt h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n go fn o i s ec o n t r o li nf a nr o o m ，t h ew a y st oc o n n e c t i o nq u a l i t a t i v e w i t hq u a n t i t a t i v e ，a n a l y s i si nt 1 e o r yw i t hp o l i c yd e c i s i o ni np r a o t i c ea r cs u c c e s s f u l l y u s e da n dt h eo p t i m a ls c h e m eo fn o i s ec o n t r o li sa c h i e v e d m o r e o v e r , t h ee f f e c to ft h e o p t i m a ls c h e m ei se s t i m a t e d t h i sp a p e rm a k e sc o n s i d e r a b l eh e a d w a ya b o u t n o to n l yt h e r e s e a r c hr a n g ea n dc o n t e n tb u ta l s ot h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e s e a r c hm e t h o d i th a st h e i m p o r t a n tp r a c t i c a lv a t n o k e yw o r d ：n o i s e ，f a nr o o m ，o p t i m i z a t i o n ，c o n t r o l l i n gt a r g e t ，s o u n df i e l d v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的实际背景和意义 环境问题是当代人类普遍关注的全球性问题，噪声污染更是成为2 l 世纪首要 攻克的环境问题之一。工业噪声、城市交通噪声和生活噪声构成了环境噪声的三 个主要来源。工业噪声首当其冲成为最大的环境噪声污染。 风机房噪声不仅是工业噪声中主要噪声源之一，也是扰民环境噪声的主要污 染源，因此，风机房噪声控制是企业噪声治理的重要环节。 本课题以江川复烤厂除尘风机房噪声治理为背景，旨在通过对风机房噪声源 及致声机理，声学特性，传播规律诸方面的系统分析，深入研究噪声控制系统， 建立风机房声场模型，拟定噪声控制的优化方案，并预测该方案的实施效果。根 据声场模型制定控制方案，是噪声控制工程中合理的设计手段，它不仅能保证工 程的质量和效果，而且防患于未然，杜绝由于不合理措施实施而造成的资金、资 源、时间的浪费，因而可取得环境、社会、经济等多方面效益。 本课题的研究不仅有实际工程应用价值，而且有理论研究的意义，对于各类 型风机房噪声控制和其它发声件多，分布面广，污染影响大的工业噪声控制均有 一定的参考价值。同时为烟草行业的风机房噪声控制作一个示范。从而带动烟草 行业的环境噪声控制工作。 1 2 国内外现状1 1 旧3 我国在上个世纪七十年代开始对工业噪声的控制。八十年代环境保护作为基 本国策确立下来，有力地促进了工业噪声的治理，取得了初步成效。近几年来， 在噪声污染控制领域，无论是在技术上，还是政策管理方面都有长足的进步。目 前世界上用的噪声控制技术有消声、吸声、隔声、隔振阻尼，主要是在噪声源， 噪声传播途径及接受点上进行控制和处理。从噪声源和振动源上进行噪声控制， 既是最积极主动，有效合理的措施，也是工业生产中噪声控制的努力方向之一。 1 9 4 7 年，美h f 奥尔森等人又提出了“电子吸声器”并付之实用。1 9 8 0 年，法 国将配有微处理器的有源消声器装置应用于2 2 k w 的实验室柴油，在2 0 2 5 0 h ： 范围内可降低噪声2 0 d b ( a ) 。 近年来，国内不少大专院校，科研设计单位及工厂企业开展了产品低噪化研 究、实践，深入分析研究各种噪声源的发声机理及其传播途径，研究成功，并批 重庆大学硕士论文 量生产了2 0 余种低噪声产品，例如低噪声轴流风机、低噪声离心同机、低噪声罗 茨鼓风机等。现实情况看，与国外同类产品相比，我国机电产品噪声平均高约5 l o d b ( a ) 。 在如何降低离心风机噪声的问题上，国内外学者作了大量的这方面的理论探 讨和试验研究工作，总的来说，均是集中在对噪声源进行根治，特别是控制离心 风机叶片通过频率噪声上。对总噪声频谱中这特殊部分感兴趣的理由是显而易 见的，从主观上讲，基频一般被认为是最令人心烦的部分，而且在总噪声频谱特 性中往往较为突出，因此降低基频处的噪声级就显得尤为重要。 l e i d e l 和s m i t h 等通过增加蜗舌间隙对后弯叶片离心风机进行试验研究，发 现叶片通过频率声压级随着蜗舌间隙增加而单调减少，而风机效率并没有因此而 降低，增加蜗舌间隙的缺点是需要较大的风机蜗壳。 倾斜的蜗舌对降低离心风机噪声也十分有效，p o n e r 和h e r z 通过实验研究表 明，倾斜蜗舌引起了蜗舌处压力的相位差，导致局部压力的抵消，并以较低的噪 声向噪声场的远场辐射，但蜗舌的倾斜必须能同时跨越两个叶片，且降噪效果强烈 地依赖于叶轮与蜗舌之间的距离。 w n e i s e 和g hk o o pm a t l n 于8 0 年代首次的用彤共振器来降低离心风机噪 ，_r 声，共振器是由一系统穿孔板构成的，且有与原蜗舌相同的率，通过适当的调节 可以使叶片通过频率声级降低2 9 d b 。同时，相当于总声压级降低7 d b ( a ) ，用共 振器来降低噪声的方法的优点是它没有显著地增加风机的体积，后来w n e i s e 和 g h k o o pm a n n 又试验研究了共振器头部不同位置穿孔对其性能的影响。共振器 头部简图如图1 1 所示，发现进口噪声降低对穿孑l 区域1 3 敏感，而出口噪声降 低对区域4 8 敏感。 。j 图1 1 共振器头部简图 f i g u r e l 1h e a do f ar e s o n a t o r 国内外对离心风机噪声控制的最新方法是采用主动声源控制技术来抑制离心 风机的基频及谐频噪声，方法是在声场中安放一个话筒接收噪声，通过电路放大 反馈回噪声声场，由源场波与反馈声波叠加达到降噪的目的。这类系统很有前途， j。；、?一 1 一 一 一 一 1 绪论 只是结构比较复杂，信号处理过程复杂而且有一定的专用性，目前价格很昂贵， 现阶段一般适用于大型风机，例如在电站的大型风机，大型鼓风机上效果比较明 显。 1 3 风机及其噪声控制 1 3 1 离，b 风机与噪声 风机是一种量大面广的通用机械设备，几乎所有的行业都有使用，风机在运 转中产生的噪声常常成为影响工人健康和干扰环境的祸源。 风机的种类很多，形式多样，由于风机的种类和型号不同，所生产的噪声强 度及其频率特性是有所区别的，但从噪声产生的机理和机组向外辐射噪声的部位 来看，各种类型的风机却有着共同点。风机与辐射噪声的部分主要有：进气口 和出气口辐射的空气动力性噪声；机壳管壁以及电动机轴承等辐射的机械噪声； 基础振动辐射固体声。图1 2 是风机噪声辐射部位的示意图。 盛飙辩转 播的声 由熏传攮辅摹蠢 的蹦搏声 口持 幅 图1 2 风机噪声的辐射部位 f i g u r e l 2r a d i o a c t i v ep a r t so f n o i s e 在这几部分噪声中，以由迸、出气口部位辐射的空气动力性噪声为最强。据 调查实测，一般风机的空气动力性噪声往往比风机其它部位要高出l o 2 0 d b ( a ) ， 因此在对风机采取噪声控制措施时，首先应考虑对这一部分噪声的控制。 1 3 2 风机房噪声控制 对于新建成或与总体项目同时设计的风机房，目前一般按照有关的设计规范 及标准，分别采取消声、吸声、隔声、隔振等综合措施，由于这些措施与整个项 目同时设计，同时施工，同时投入运行，规划得当，布局合理，施工安装容易， 收效很大，可达到工业企业噪声卫生标准和城市区域环境噪声标准。 对于现有的风机房噪声振动治理，由于生产、技术、经济方面的原因，只是 因地制宜，根据环境标准要求及企业具体情况采取有关控制措施。江川复烤厂除 尘风机房内噪声源多分布面广，应采取综合的治理措施。 重庆大学硕士论文 出气噪声 由于除尘风机进气口来自车间内的许多个分散点，不易治理，即使治理效果 也不明显，而风机空气动力性噪声比机组其它部位噪声一般要高出l o 2 0 d b ( a ) 所以在风机出口管道上安装消声器以降低空气动力性噪声是必须实旌的措施之 一。依据消声原理的不同，可分为抗性消声器，阻抗复合型消声器，微穿孔板消 声器，国际国内对消声器的研究近年来取得很大进展，我国目前市场上已有许多 不同种类的定型产品可供选择，技术日臻完善。 气动阀门噪声 由于风机房内采用的脉冲反吹除尘器，风机房内有1 0 0 多个二位四通气动电 磁阀，脉冲反吹时的气流噪声很大，达到l o o d b ( a ) ，它是在阀门减压时发生的， 目前还没有可以完全避免空气动力性噪声的方法，根据消声原理不同有小孔喷注 消声器，节流降压消声器，多孔扩散消声器等可采用，但是复烤厂风机房内，1 2 个阀成为一组比较集中，应以组为单位进行消声处理。 车间吸声降噪 车间墙壁和顶棚安装吸声结构，增大吸声系数，降低因混响引起的噪声，使 风机房声级达到控制目标和减少对外环境的影响。 1 3 3 目前噪声控制中存在的不足4 1 嘲2 5 1 5 2 3 5 9 1 ”3 作为研究对象的风机是一个噪声源多，多布面广，噪声多次折辐、反射， 叠加的十分复杂的动态系统。尽管目前在某些方面降噪的研究不断深入，但只是 基于局部的降噪研究，没有强调运用环境系统工程的思想分析噪声控制问题，运 用多学科的知识理顺动态系统中各因素的内在联系，从而给自身的研究增加了难 度。 片面强调治理，忽略对噪声的发声机理，声源特性和衰减规律的研究，不 能主动正确分析降噪指标和降噪效果，容易造成工程失败，浪费时间，物力和财 力。 为达到降噪指标可能采取不同的技术措施，技术方案和技术路线，研究不 仅要考虑其实施难易程度和技术效果，而且应对其经济效果进行计算、分析、比 较和评价，得到优化方案。 1 4 本课题的研究方法和价值 任何一项技术工程都是一个系统，或者是一个复杂的大系统，或是较简单的 小系统，本文吸取前人对环境系统学研究的成果，运用系统思想分析风机房噪声 控制问题，综合多学科的知识理顺系统内错综复杂现象中的各种内在联系，从而 清理出解决问题的思路，然后定量刻画各种因素之间的联系，并由此建立综合性 4 l 绪论 运筹学模型，借助计算机寻找解决复杂问题的最优方案。 基本研究方法是系统化、模型化、优化和决策科学化 目前，系统学的原理和方法已经广泛应用在很多环境问题中，如环境预测， 城市规划，水资源综合利用等。 赵国君在基于绿色制造的风机结构的优化方法一文中运用运筹原理，建 立风机绿色制造的优化模型，解决风机多目标优化( 包括噪声) 的问题，云南工 业大学李孜军在灰色关联分析在噪声评价中的应用一文中探讨了应用灰色系 统理论中的关联法对环境噪声进行综合比较评价，并通过实例验证了该方法的可 行性和有效性，从而为噪声评价提供了一种简单实用的新方法。 总之，环境系统工程学在噪声方面的运用有如下特点：应用较晚，国内外 从最近十多年才开始有研究文献记录；数量不多：大部分局限于噪声预测， 评价和衰减规律的研究。 用系统思想将问题系统化，正在为越来越多的人所接受并对社会发展生产了 巨大的推动力。在科学技术高度发达的今天，自然科学，工程技术向社会科学渗 透，用定量化系统思想来研究社会、经济、资源、环境是不可阻挡的历史潮流。 本课题研究的直接目的是实施风机房噪声控制优化方案，对风机房噪声进行 综合治理，形成一个技术合理，经济合算，实施简便，满足有关降噪指标并能协 调运转的噪声控制系统。本文的研究把噪声污染控制工程与环境系统学相结合， 是对工程项目的系统决策优化的尝试，对各企业风机房噪声和其它大型声源的评 价，预测及治理均有一定的参考价值。 2 风机噪声产生机理及特性 2 风机噪声产生机理及特性 2 1 前言 声是一种在弹性介质中以一定特征速度传播的压力波，它是运用能量的分子 传递，为使这种波动存在，介质必须具有惯性和弹性。振动说明结构文件中的这 种波动，而噪声则说明流体( 气体和液体) 中的这种波动。引起发声的两种基本 机理是： 固体的振动导致声能的产生与辐射，这类声波通常称为结构声。 气体流动诱导噪声是由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的，这类声波 称为气动声。 离心风机所产生的噪声是由1 ) 进、出口辐射的空气动力性噪声；2 ) 机壳、 电机、轴承座等辐射的机械性噪声；3 ) 基础振动辐射的固体声所组成。在噪声频 谱上，表现为离散的旋转噪声与宽带的涡流噪声的叠加。其中气动噪声占据了风 机噪声中的主要部分。控制风桃噪声首先要控制气动噪声，而控制气动噪声必须 明确其气动声的致声机理。 2 2 离心风机气动噪声机理 研究离心风机动噪声的最近进展主要依赖于m j l i g h t h i l l ( 1 9 5 0 年) n g u r l e ( 1 9 5 5 年) j e f l o w e s ( 1 9 6 9 年) 等发展的声学模型。刚 气动声学l i g h t h i n 基本方程： 波动方程 丢孚一鲁：譬一罢+ 堕 ) c 2a 2 a 姘2aa “ o x i & 、7 ( 7 0 = 印i q 七p o c 2 p 6 i 3 式中 硝= p 嘻+ 秆筹一面a j + j 2 蕊a r k 磊) 。f 丁均 l 0 ( i j ) r 空气压强 重庆大学硕士论文 c 空气中声音传播的速度 t 时间变量 x i ，i = 1 2 3 笛卡尔坐标系 q 一表示在( x i ，t ) 处每个单位流体体积每秒钟增加的流体质量，即 点声源强度 f i 为流动力在x i 方向之分量 p 空气密度 r l 空气粘滞系数 该方程式右边有三项，各代表不同的噪声起因。其中o 为单极子声源即质 量脉动源，声场中有变化的质量产生源，表示建立了声场，第二项是a 眵乞f ， 为偶极子源，是由作用力f i ( x ，t ) 引起的声源，表明在流体运动中某方向上 存在着外力分量的梯度，因而产生扰动，如流体介质与固体表面相互运动时产生 的涡流噪声。第三项是a 2 哆磊柳为四极子声源。包含了流体内部的非线性，湍流， 粘性及热传导等复杂因素的影响，是流体介质内部应力张量变化引起了声扰动， 物理上为相互抵消的力对流体的作用的产生的噪声。图2 i 表示了风机气动噪声 产生机理的分类。 风机噪声( 离散+ 宽频) 单极( 叶片厚噪偶极( 叶片力)四极( 紊流噪声) 声离散)离散+ 宽频宽频 稳定旋转力( g u t i n 噪不稳定旋转力 声) ( 离散)( 宽频+ 离散) j 均匀稳 不均 不均匀 二次 旋转脱 紊流附 定流匀稳不稳定 流 流 面层 定流流 ( 离散 ( 窄、宽 ( 离散】( 离 + 宽 频)( 宽 散)( 离散) 频) 频) 图2 1 离心风机噪声产生的机理分类 f i g u r e 2 1m e c h a n i c sc l a s s i f i c a t i o no f ac e n t r i f u g a lf a n 8 2 风机噪声产生机理及特性 2 3 离心风机单偶四极子噪声源 单极子可以认为是一个脉动质量流的点源，如果个小气球的中心被安置在 这个点源上，我们便会观察到，该气球随着质量的加入或排出而膨胀或收缩。这 个方向总是纯径向的，而周围的流体则应该压缩以适应其运动。这样来，一个 球对称的声场便会形成。离心风机动叶片周期地置换流体并使邻近场产生周期性 的压力脉动，即单极噪声。这种被称为叶片厚度噪声的频谱图因为叶间有距离而 呈离散型。在低速和中速离心风机中，压力脉动的方位角相速度低于声速，其声 辐射效率很低，所以叶片厚度引起的单极噪声在工业风机中不起重要作用。 偶极子可以认为是两个相互十分接近，而相位相差1 8 0 。的单极子。如果我们 沿整个球形边界进行积分，流体的净流量总为0 ，因为流入的能量总等于流出的能 量。但是，因为流入流动与流出流动的方向一致，它们的动量是相加的，所以该系 统存在一个净增量。根据牛顿定律一定可望找到一个与偶极有关的力。由于沿着 动量变化或作用的轴向存在着径向流动，我们可以推断那里压缩运动或声学运动 最大。在与该轴相差9 0 。的方向上，没有径向运动存在。于是该声场有一个最大 值的占据方向，而与轴垂直的方向上应该为0 值。该声场的每个声瓣相差1 8 0 。， 正象在声源处流入流动与流出流动的相位一样。离心风机的偶极噪声源主要是动 叶片，机壳等固体表面与紊流相干涉产生的所谓叶片力，它在离心风机气动噪声 源中起主导作用。 鼻i l 矬螺，蝻 j 、7 0 4 羊坐 。习傺 烨耩蹙比 碡r - i v _ 坤匀 e 照 基奠 ：o 。m 戈董卜 g 杈 嚣中心的童也 一幢一糟置糟值 嗣囊 飘辩 毋鲁耄毋 多- q e 帮 一= 婚 e 学鬻 期辩 f 。： 船e 图2 2 表示了单、偶及四极子噪声源 f i g u r e 2 2n o i s es o u r c eo f ao d d ，c o u p l e ，a n df o u rp o l a r 9 重庆大学硕士论文 四极子可以认为是由两个具有相反相位的偶极子，因而也就是由四个单极子 所组成。因为偶极有一个轴，所以偶极的组合可以是侧向的，也可以是纵向的， 侧向四极代表剪切应力，纵向四极则表示纵向应力。对于进气畸变与离心风机叶 片附近流动干涉产生的紊流剪切应力噪声，即四极子噪声，仅在叶片顶部马赫数 大于0 8 时才显重要。图2 2 表示了单、偶及四极子噪声源。旧3 2 4 离心风机的空气动力性噪声及频率特性 风机的空气动力性噪声是气体流动过程中所产生的噪声，整个风机噪声中以 空气动力性噪声为最强，它主要是由于气体的非稳定流动，也就是气流的扰动， 气体与气体及气体与物体相互作用产生的风机噪声属于偶极子源，如不平衡的转 予以及机翼和风扇叶片尾部涡流脱落等。 按产生机理风机的空气动力性噪声主要由两部分组成，即旋转噪声和涡流噪 声。 旋转噪声 旋转噪声是由于风机叶片在旋转时与气体相对运动，产生压力脉动而形成的。 对于给定的空间某点来说，每当一个叶片通过时，气体的压力便迅速起伏次。 产生一个压强脉冲，旋转的叶片不断地逐个通过，相应地就不断产生一个压强脉 冲，从而向周围辐射噪声。 旋转噪声具有确定的频率，其基频可由下式计算 _ = 等( f t z ) ( 2 2 ) 式中 n 叶轮转数转分 z 叶片数 此外，还有为基频f 1 正整数倍的谐波频率f 。= 2 f 。，f 。= 3f 。从旋转噪声 强度看，基频最强，其次是二次谐波，三次谐波总的趋势是逐渐减弱的。 涡流噪声 涡流噪声又称为紊流噪声。气体在旋转的叶片界面上分裂时由于气体具有粘 性，便滑脱成一系列的涡流，从而辐射一种非稳定的流动噪声。这种噪声是气体 流经叶片时，产生紊流附面层及旋涡与旋涡分裂脱落，引起叶片上的压力脉动所 造成的。 涡流噪声的频率为： z = k 茜 ( 2 _ 3 ) 式中 1 0 2 风机噪声产生机理及特性 卜斯特劳哈尔数在0 1 5 o 2 2 之间，一般取0 1 8 5 v 气体与叶片的相对速度米秒 d 一气体入射方向的物体厚度米 由于涡流噪声频率取决于叶片与气体的相对速度，而旋转叶片的周围速度是 随着于圆心的距离而变化的，从圆心到最大圆周，速度连续变化，因此，风机产 生的涡流噪声具有随机的特性，呈现为连续的宽带频。 风机的空气动力性噪声就是由上述旋转噪声与涡流噪声相互混杂的结果。图 2 3 是5 - 4 8 型离心风机的噪声频谱。该风机的叶片数z = 1 2 ，转数n = 2 9 0 0 转分， 所以，旋转噪声的基频为石= 1 2 x 2 9 0 n = 5 8 0 赫。 s 1 1 0 寻 1 0 0 董 9 0 晷8 0 詈 7 0 曩 6 0 一 。 、 、 3 16 31 2 52 5 05 0 01 k2 k4 k f r e q u e n c y ( h z ) 图2 ，35 - 4 型风机噪声频谱 f i g u r e 2 3n o i s ef r e q u e n c ys p e c t r u mo f m o d e l5 - 4 8f a n 由图2 3 的噪声频谱曲线上看出，在倍频程的中心频率5 0 0 也处出现有噪声峰 值，这就是旋转噪声基频造成的。其他噪声能量则是由涡流辐射的。 其中，离心风机工作轮叶片向后弯的长于向前弯的，叶片流道长，气体流动 不易产生涡流，故涡流噪声较小；由于前弯叶片通道短，气体流过叶片槽道时容 易产生涡流现象，因此它的涡流噪声较大。 2 5 离心风机机械噪声与振动 2 5 1 机械噪声 离心风机的机械噪声一般要比气动噪声的声压级低1 0 2 0 d b ( a ) ，所以往往 不被引起人们的重视，但当风机的气动噪声得到大幅度降低时，我们也不应该忽 略机械噪声的作用。 机械噪声主要来源于机壳的振动，尤其是离心风机机壳两侧的平板结构发生 振动，机壳壳板存在固有振动频率，当壳板受到外界激励力的作用时，若激励频 率与机壳壳板的固有频率一致时，这些频率上的噪声就会加强，使总噪声级提高。 重庆大学硕士论文 使机壳发生振动的可能原因主要是三个：叶轮的转动不平衡力，对机壳产 生周期性的激励，其频率相当于叶轮的旋转频率。因此，对于高速旋转的叶轮做 好叶轮的动平衡是减少由此种激励而产生的噪声的一个重要措施。机壳内的压 力脉动，它是由机壳内的涡流强度所决定。这个压力脉动常与叶片的基频( 即叶 片通过频率) 有联系，风机的风压越高，这一激励源越不能忽视。轴承的影响， 通常均出现在大型离心风机中。 由于机壳表面的振动，相邻的空气亦就被迫振动，这种振动向外传播便使壳 体的振动能量以声能的形成辐射出去。当壳体稳态振动时，单位时间内被激发的 振动能力，等于这段时间内被壳体吸收的能量与辐射的能量之和。如果壳体内旋 涡脱落频率与腔体的声学固有频率接近，噪声就会被大大加强，风机壳体稳态振 动时辐射的声功率w r a d 可表示为： = p o c s ( v 。2 ) c r ( 2 4 ) 式中 p0 _ 一空气的密度 s 辐射面面积 c 声速 f v 。辐射面法向振动速度的平方对时间及振动面的平均值 w r a d 辐射效率 2 5 2 管道噪声与振动 空气分布系统中主要的噪声源是风机，通常通风道系统会降低风机的声级， 然而气流经过弯头，调节风门，分支管，混合箱及其它通风道部件时，所产生的 声级将大于风机机组。对于工业系统和生产过程的空气处理系统，高速气流与通 风道部件的相互作用，可能是产生噪声的主要过程。 噪音沿风管的传播，是以风管系统的机械振动的形式出现的。然而，采用优 良的机械设计，可将机械振动减到最小的程度。为了防止振动的传递，在风机机 组和风管系统之问，采用商品化的柔性接头，同时采用专门的隔振吊杆使风管与 建筑物脱离开。 采取的措施一般为： 合理的管道走向布置：避免“z ”及“u ”字形布置，也可改变管箍的位置。 控制流速：需对流速加以控制时，一般可通过加大管的直径来降低流速， 可按表2 1 的建议值选取，对于截面与流向急剧变化的管道，其流速应进一步降 低。 管道的连接：要尽可能减少连接，避免发生湍流，便之不发声或较小地发 生声音。 2 风机噪声产生机理及特性 表2 1 防止管道噪声的流速限制 t a b l e 2 1l i m i t a t i o no f d u e tn o i s e sv e l o c i t yo f f l o w 黼隘厩) 管道周围的声级三乡么 3 3 6 0 4 58 0 5 7 9 0 管道隔声、隔振：管道包扎隔声层可使管道辐射的噪声降低1 0 2 0 d b ( a ) ； 支承管道的支架，应衬垫橡胶层或以弹簧悬挂，以降低振动和噪声的传递，一般 可有1 5 2 0 d b ( a ) 的降噪效果。 2 6 电动机噪声 2 6 1 电动机噪声 电动机噪声主要有电磁噪声，机械性噪声和空气动力性噪声三部分，电磁噪 声是由于电机空隙中磁场脉动使定子与转子之间产生交变电磁引力、磁滞伸缩而 引发的；机械噪声包括轴承噪声及电机转子不平衡，转子受“沟槽谐波力”作用 而引起的振动激发的噪声；空气动力性噪声是由电机冷却风扇引起的气流噪声。 电机噪声中以空气动力性噪声为最强，它比电磁噪声和机械噪声二者之和高 出l o d b ( a ) 之多，机械噪声居第二，电磁噪声最小。 2 6 2 电动机噪声的特征 电动机的型式除极少数大型电动机为水冷式外，绝大多数电动机是采用通风 冷却的，电动机噪声取决于功率p 和转数n ，其关系式如下 l w = k p l g p h + k n l g n h ( 单位：d b ) ( 2 5 ) 式中： l w 一电动机a 声功率级d b ； p h 一电动机额定功率k w ； n h 一电动机额定转速r i m i n 。 不同的电动机，其k p 及k n 值是不相同的，可从表2 2 中查出，对于部分其 它类型电动机的k p 及k n 值，可根据类似结构估计选取。 由于风机房采用的电机为y 系列，所以电动机a 声功率级为： l w = 1 6 5 1 9 p h + 1 9 5 1 9 n h ( 单位：d b ) ( 2 6 ) 电动机噪声，其声级大约在7 0 l o o d b 左右，而轻载与重载的声压级相差不 大，即使在1 4 7 x 1 0 6 w 以上，其差别仅在6 d b 左右。 重庆大学硕士论文 表2 2 电动机k p 和k n 数值表 电动机j o 。系列y 系列厶系列1 l o k w 以上中型直l l o k w 以上中型交流 类型流机异步机 k p 1 81 6 52 21 52 3 k n 2 0 51 9 52 2 5 2 1 61 4 电机噪声的频率特性主要与电机的极数( 或转速) 和冷却风扇的叶片数有关， 根据理论分析，和实测数据证明，电机噪声峰值频率可以用下式估算： ， n z 彦2 丽 式中 ( 2 7 ) f p 一电机噪声峰值频率； z 一冷却风扇的叶片数； n 一电机主轴转数； 2 6 3 电动机噪声的成因 电动机噪声主要有空气动力性噪声，电磁噪声和机械性噪声 空气动力性噪声 它在电动机噪声中占主要成分，是电动机的冷却风扇弓i 起的气流噪声，通常 称为风扇噪声。此外，对于大型电动机，不论有无冷却风扇，由于旋转的转子与 定子中径向通风道或转子绕组端部形成旋转噪声，这些统称为空气动力性噪声。 机械性噪声 1 ) 转子不平衡噪声：一般为低频声，但直接对噪声影响不大。它是由转子和 轴不同心或动平衡不好造成的。 2 ) 机件的共振影响：电动机内电磁力激起的振动，通过转子和定子分别传递 到电机的各部，从而引起共振而增大噪声。振动还以固体声的形式由底座传出。 由于后端盖和轴承挡油盖的刚度不够，个别情况下，可使噪声增加l o d b 左右。 3 ) 电刷噪声：换向器或滑环的表面粗糙度和形位精度不良或电刷伸出较长， 电刷与刷扼间配合不好，弹簧压力过小或过大，刷扼刚度不够等均能引起电刷装 置的振动和噪声。 4 ) 轴承噪声：这是由于轴承本身精度较差而产生的噪声，一般在2 0 0 0 5 0 0 0 h ： 范围内。 电磁噪声 电磁噪声是由定子与转子之间交变的电磁引力和磁致伸缩引起的。由于机壳 的柔性及定转子偏心而产生的径向脉动磁拉力，引起低频声。另一种是电磁力谐 1 4 2 风机噪声产生机理及特性 频的噪声以及与定转子齿槽数和电网频率有关的噪声。 图2 4 表示一电动机实测噪声频谱，从图中频谱经分析可以分别看出不平衡噪 声，轴承噪声，风扇噪声及电磁噪声的频率，据此可以查明电动机噪声发生的主 要声源。 芝 ，jr 5 丐 妒 - r 、j 、0 r k u汗 - f 一1 、 1 1 1 0 0 0 l 、h 图2 4 典型电动机噪声频谱 f i g u r e2 4n o i s ef r e q u e n c ys p e c t r u mb ya c t u a lm o t o rm e a s u r e m e n t 2 6 4 电动机的噪声控制 降低电磁噪声采取的措施 1 ) 选择合适的定子，转子槽配合比z 1 z 2 ，使之既符合一定的噪声要求，又 要兼顾电机的起动性。因此，在选择时要从理论和实践中反复探索经过综合求取。 2 ) 加大气隙，减少磁密度，这可使径向力减少，定子变形减小，从而降低噪 声。但若气隙加大过度，会导致功率降低，损失增大，因此这仅在电机功率有裕 量时方能采取。 3 ) 仔细做好转子动平衡。安装时，也要尽量减小机械偏心的影响。 降低机械性噪声 1 ) 采用高质量的轴承。采用适量高级润滑脂或二硫化钼润滑脂； 2 ) 法兰式直接安装的电动机，应注意安装正确，保证法兰面与电机轴线的垂 直度。因为安装不妥会使电机噪声增加2 0 d b ( a ) ； 3 ) 当电机构件产生共振时，应更换有关的端盖等零件，加强刚性避开共振区。 也可对电动机的机座采用弹性安装，以降低振动的传递； 4 ) 改善电刷材料和刷扼的表面粗糙度。 降低空气动力性噪声 1 ) 改善冷却风扇的形状和尺寸 2 ) 加装隔声罩，这是对电机噪声过大的一种消极措施，但却是经济有效的。 这种措施可产生5 1 0 d b ( a ) 的降噪效果。 3 射流噪声 3 射流噪声 3 1 射流噪声的成因 出于风机房的风机是作为除尘抽风用，每台风机对应一台脉冲反吹除尘器， 每一台除尘器上有2 4 个气动电磁阀，每个气动电磁阀控制一根轴向有等间距孔的 喷管，进行反吹除尘袋进行除尘，因此风机房脉动射流噪声也很大。 喷嘴喷射出的气流，由于高速气流离开喷口后，会产生卷吸作用，沿气流喷 射方向的一定距离内大量气体被喷射气流卷吸进去，从而喷射气流体积越来越大， 速度逐渐降低。但在喷口附近，仍保留着体积逐渐缩小的一小股高速气流，其速 度仍保持喷口处气流速度，常被称为喷射流的势核。势核的长度约为喷口直径的5 倍。在势核周围，高速气流与被吸进的气体激烈混合，这是一段湍流化程度极高 的定向气流。在这段区域内由势核到混合边界的速度梯度大，气流间存在着复杂 多变的应力，涡流强度高，气流内各处的压强和流速迅速变化，从而辐射较强的 噪声。 对于亚声速射流，大致可分为三个区域，混合区，过渡区，和充分扩散区， 如图3 1 所示。 ，匕 哇 扩 饿 蓝 图3 1 射流影响区域的划分 f i g u r e 3 1d i v i d e dz o n e so f e f f l u xn o i s e 射流与周围气体分界面不太明显，大致与其顶角呈2 5 3 0 。锥面，与混合区 相比，过渡区的射流宽度较大而流速较低，噪声的频率也较低，强度则随之减弱。 到了充分扩散区，则频率更低，噪声强度也相应减弱。射流噪声是一种连续宽带 噪声，在近场其峰值频率f p 为： = s 。妥( 单位：h z ) ( 3 1 ) 重庆大学硕士论文 式中： s 厂一斯特劳哈尔数( s t r o u h a ln u m b e r ) s a g o 2 v 一排气口气流速度，m s d 一排气管口直径，m 射流噪声具有明显的指向性。在离喷口相同距离的不同方向的声压级不相同， 声压级最大方向不是在气流方向，最大噪声分布在喷口轴向3 0 。4 5 。范围内。 喷射气流速度达到声速时，其典型喷射噪声指向性如图3 2 所示 一礴邕潜藏臆属 图3 2 射流噪声指向图 f i b r e 3 2d i r e c t i o n so f e f f i u xn o i s e 射流噪声产生的声压在近场与流速v 的平方成正比而与距离r 的三次方成反 比，在远场则与流速v 的四次方成正比而与距离r 成反比。因此，射流噪声的声 功率1 i r 与流速v 的八次方成正比，射流噪声的声功率为； ：足婴：足_ m 5 s p v 3 ( 3 2 ) 2 c 2 式中 s 一喷口截面积m 2 ； p 一介质密度k g m 3 v 一喷射气流出口速度m s c 一介质中的声速度m s 卜马赫数m ：罢 鱼娑! 一喷射的机械功率 k 一无量纲比例系数，称为莱特希尔参数，k 实验值约为3 1 8 1 0 4 由理论结合实验结果，对于一般亚声速射流，近似的声功率级为 l = l o l g s + 8 0 i g v - 4 5 ( 单位：d b ) ( 3 3 ) 1 8 3 射流噪声 式中： s 一喷口截面积群； v 一喷射气流出口速度m s 3 。2 射流噪声的控制 射流本身是个噪声源，往往不适宜直接采用，阻性或抗性消声器加以消除。 因为装置这种消声器后，只是把噪声源由原来的管口移到消声器的出口。并不能 起到消声效果。 控制高速气流噪声，原则上可采取下列几项措施： 降低气流流速：这是一种直接而有效的方法，由( 3 3 ) 式可见，流速降低一 半，h 得下降2 4 d b ( a ) ，方法是如图3 3 将大喷管射流分散至多个小喷管。因小喷 管的总咬日面积大于单个大喷管，加之增大了气流与管壁之闯的内摩擦，噪声将 大幅度下降。 炳丹纛几十小l 膏 图3 3 将大喷管射流分散至多个小喷管 f i g u r e 3 3t u r b u l e n c eb e c o m e sm o r ev i o l e n ti nt h ea l r e a d yd i s t u r b e ds t r e a m 分散压降：在实际问题中，射流上游的压力通常是给定的，即总的压降保 持不变。如果把总的压降分散到若干个局部结构，即从多级射流来代替单级喷流， 可以有效降低射流噪声。因为在多级射流中，对周围环境的噪声，污染往往主要 由最外面一级射流所产生。 使噪声频谱向超声谱方向移动：在噪声声功率保持相同的条件下，适当改 变噪声频谱特性，也可以达到控制噪声的目的，根据式( 3 1 ) ，采用多个小面积 喷口代替一个较大面积的喷口，因为小孔的特征长度小，则相应的峰值频率高， 由于小孔移频作用产生的a 声级降低量d 为： 厂1y a d = 一1 0 1 9 i 昙( 喀。x 。一_ 知) i 3 4 ) 重庆大学硕士论文 式中： x = 0 1 5 5 d d _ 小孔直径岫 小孔喷注的a 声功率级大致与小孔直径的三次方成正比，例如孔径成半，a 声 功率级大约降9 d b 。为了保证小孔喷注的移频作用，小孔的直径宜尽可能小一些， 相邻小孔间的距离宜尽可能大一些，在实际设计中，小孔直径宜取2 m m 以下，孔 距宜取3 倍直径以上，在通常情况下，借助移频作用，使a 声级获得l o 1 5 d b ( a ) 的降低量是不难实现的。 改变射流的流场：射流噪声主要在喷口附近的混合区产生。如果改变喷注 的流场，使沿射流的轴向流速在垂直方向的梯度减小，可使湍流发声的声源强度 减弱，从而使射流噪声降低。 适当改变喷口形状，用十字形或梅花形喷口代替圆形喷口，可使声功率级降 低达l o d b ( a ) 以上的数量级。 以上是几条在噪声源处控制射流噪声的一般措施。除此之外，在噪声传播的 途径中还可以采取诸如隔声，吸声、装置消声器等措施。 4 风机房噪声监测、特性分析及传播规律研究 4 风机房噪声监测、特性分析及传播规律研究 制定课题实施方案，确定研究对象范 围，标准及技术路线 基础 调查 资料收集，背景噪声 系统分折准备工作j ，现场布点测量 上 士 气象参数，地面状况参数 噪声污染现状分析 及声源参数模式化 叫风机房声场模型j 一 图4 1 课题研究程序 f i g u r e4 1r o u t i n eo f t h es u b j e c tr e s e a r c h 如图4 1 ，为江川复烤厂风机房噪声控制系统及综合治理研究程序框图。 由上述研究程序，首先进行噪声污染调查及系统分析准备工作，通过布点测 2 l 重庆大学硕士论文 量和数据资料分析探讨风机房噪声特性，声场分布及传播规律，确定声源参数和 传播过程参数，分析污染现状和存在的主要问题。然后根据噪声控制系统分析建 立有关数学模型，进行系统动态分析和多目标优化，由此提出风机房噪声综合治 理方案。按照控制系统的原理编制软件，预测方案实施效果，以控制指标决定是 否进行再次优化，最终得到一个技术合理，经济合算，实施方便，满足各项治理 目标并能协调运转的风机房噪声控制系统。 4 1 风机房噪声监测量与特性分析 4 1 1 风机房概况 江川复烤厂打叶复烤线是1 9 9 5 年建成投产的，设计生产能力是每条线1 2 吨 小时，生产线物料输送和环境除尘都大量使用风机，我所针对的是除尘风机房的 噪声控制，由于职工生活区紧靠风机房，据测量居民区噪声夜间为6 2 d b ( a ) ，车间 内各测点平均值为8 8 5 d b ( a ) ，职工对风机房夜间运行噪声影响睡眠反映强烈，上 班职工对车间高强度噪声危害提出意见。车间噪声和生活区噪声分别超过工业 企业噪声卫生标准和城市区域环境噪声标准，治理这噪声问题已成为干 部职工关注的焦点。 生 产 线 图4 2 风机房与居民楼位置关系图 f i g u r e 4 2p o s i t i o no f t h ef a nr o o ma n dr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s 江) i 复烤厂生活区旁风枫房内有5 4 8 、5 8 a 型风枫1 2 台。4 7 2 、5 a 型风 机4 台，集中除尘房内有9 1 9 、6 3 a 型风机5 台。各机组性能参数见表4 1 ，另 4 风机房噪声监测、特性分析及传播规律研究 还有3 4 8 个加9 6 个：4 4 4 个二位四通电磁阀，供脉冲反吹除尘用，压力为0 0 8 m p a ， 该风机房座落于一座四层框架结构楼的底层，风机房为6 3 1 1 m 长方形，高度为 1 3 m ，集中除尘房为1 8 m l l m ，高为6 5 m 两个风机房之间为一楼梯通道，抹灰砖 墙，顶面为混凝土浇注。风机房狭长面的一侧是车间内生产线，另一狭长面面对 职工生活区，由于规划的问题，及无噪声控制的针对性措施，风机房发出的高强 度噪声通过门窗孔洞，缝隙辐射出去，使风机房和附近区域声学环境恶劣，噪声 污染严重，风机房与居民楼的位置关系如图4 2 。 表4 1 风机性