风机噪声的产生与控制

风机噪声的产生与控制

1基于提出风机噪声的途径20世纪70年代以来，污染问题越来越受到重视。在新设计空气输送和通风系统时,常常必须预先估计风机产生的噪声,并提供合适的噪声控制措施。风机噪声就其性质和来源可以分为气动噪声、气体和固体弹性系统相互作用产生的噪声(即耦合噪声)、机械结构噪声和电机噪声四部分,其中气动噪声一般占据主要部分,且最难以治理。降低风机噪声的途径一般有两种:一是利用气动声学原理来设计低噪声风机,二是采用消声、隔声或吸声等措施。前者难度比较大,国内外都已经开展了不少工作,但是尚不够成熟。后者则存在着某些缺陷,首先是低频噪声无法消除,其次增加了系统的附加质量,采用有源降噪方法就能有效地解决这两个问题。有源噪声控制(ActiveNoiseControl)就是人为地利用声场或声波干扰,通过引入二次声源建立一个相消干涉模式,从而实现指定区域内声能降低或消除的目的。由于有源控制技术具有良好的低频特性,使其成为解决风机低频噪声问题极具潜力的降噪方式。2风机噪声机理气动声学理论的研究已有几十年历史,它是空气动力学和声学相互渗透而产生的交叉学科。根据理论分析和试验研究,风机气动声源主要为宽带噪声和离散噪声。宽带噪声,也称涡流噪声,它是叶轮在旋转过程中,叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽频带噪声,包括来流紊流噪声、紊流附面层噪声、尾缘涡流脱落噪声和叶尖涡流噪声;离散噪声,大多数情况下也称旋转噪声,是旋转的叶片周期性地打击空气质点或临近部位(如蜗舌)引起空气的压力脉动所产生的离散频率噪声。很多研究还就轴流风机气流参数(包括转速、流量系数以及进气畸变等)和结构参数(包括叶栅的结构参数、径向与轴向间隙、动静叶数目的匹配等)对风机噪声的影响进行了详细的分析,提出了一些典型的降噪措施(包括旋转围带、锯齿形进气、前倾叶片、不等距叶片、端壁边界层抽吸等)。虽然离心风机在噪声产生机理、结构和气流参数对噪声的影响、降噪措施以及噪声理论评估方法等方面进行了大量的研究,但是其气动声学研究落后于轴流风机。近年来,人们对风机噪声机理的研究越来越多地集中在离心风机方面。陈花玲等对前向多翼离心风机的三种主要噪声成分的产生机理和影响因素进行了系统的研究,认为叶道中的气流状态是该类型风机噪声的治理重点,并采用整流或导流措施来降低风机噪声。K.R.Fehse和W.Neise通过研究认为离心风机低频噪声是由前盖板和叶轮吸力面处的流动分离产生的,所以叶轮设计中,要求叶轮轮盖曲率半径大且叶轮出口宽度小、尽量避免流动分离等。气固耦合噪声产生的因素很多,但噪声发作机理始终与气体的绕流、流动分离和旋涡所引起的压力脉动密切相关。在风机噪声研究中应当把气体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统来研究气固耦合噪声。通过对实验数据的分析,人们对离心风机噪声相似定律进行了大量的研究并取得广泛应用。在此基础上,开始使用数值方法研究管道风扇和离心风机叶轮的空气动力噪声。随着对涡声理论的研究和应用越来越广泛,人们对旋涡与发声的关系也有了一定的了解,开始运用涡声理论求解某些物体绕流时的声辐射问题。涡声理论把辐射的噪声大小与涡量联系起来,主要关心流场中涡量的大小、变化及其运动情况,简化了对流场中细节问题和复杂流动现象的过细研究。国外有人用涡声理论对低马赫数无旋流动中涡绕过圆柱、半无限平板、涡在收缩管道中运动以及低马赫数射流中两个椭圆涡环之间存在相对运动的声场进行了研究;在国内,王智平、朱之墀用涡声理论分析了绕过翼型时声压场的变化及声源的指向性问题;现在人们开始对叶片与涡之间产生噪声的关系进行研究。我们可以利用他们经验,运用涡声理论来研究风机的旋涡噪声、湍流噪声等的发声机理。以往工程界一般采用模态理论分析结构振动问题,用波动理论研究噪声问题,实际上振动与噪声是同一物理过程的两个侧面,即振动在结构内传播,噪声在流体中传播。所以,在以后的研究中应该可以采用模态—波动双重概念来研究风机噪声控制问题。3声激波消声器风机无源噪声控制方法(PassiveNoiseControl)基本上都是从优化风机结构方面入手。对离心风机采用的无源噪声控制方法有增加蜗舌处间隙、增加蜗舌边缘的曲率半径、使叶轮叶片和蜗舌边缘形成斜角、使用圆形风机机壳、蜗舌处安装λ/4共振器降噪、整流和导流等十余种,这些方法都已经趋向成熟。下面介绍一个声激波降噪的例子:声激波是非线性声学中的一个重要物理现象,航空发动机进气管道内喉部气流速度接近声速时,风扇产生的强噪声沿进气道向外逆流传播,会在喉部附近形成声学量间断——声激波,造成声能的很大衰减,达到很好的降噪效果。朱之墀等设想利用管内声激波现象研制一种新型的强噪声用的消声器——声激波消声器。它的原理很简单:在正常的管道上接一段缩放管道,只要进口噪声强度足够大,管内流动马赫数足够高,声源逆流传播,则声波堆积会形成声激波,声波中的能量部分耗散为热能,结果在出口处达到降噪效果。他们的研究发现,对于缩放或收缩喷管,喉部流动马赫数Mt大于0.90~0.95,声源声压级Lp高于130~140dB时的声逆流传播,声波在喉部堆积结果,局部马赫数超过1而形成声激波,使部分声能转化为热能达到降噪效果。随着Mt和Lp增大,声激波强度增大,降噪量也随之增大,声激波降噪的潜力对低频是很大的。目前声激波消声器还没有在工程中应用,随着声激波消声器研制的发展,相信会在风机(主要是高速风机)降噪中得到较为成功的应用。4声场再现理论一般认为有源消声存在三种消声机理:声辐射抑制机理、声能量吸收机理和抗性能量存储机理。二十世纪80年代初,马大猷先生在封闭空间有源消声研究中,综合这三个理论提出了“本征方式相干理论”,认为有界声场总的声能量取决于其本征方式对能量的贡献。与此相近,英国学者P.A.Nelson提出用“声场再现理论”进行噪声控制。该理论从声场角度重新认识有源消声中声场控制机理问题,对三维空间的有源消声具有特殊的指导意义。到目前为止,流体机械领域中,对管道风扇、轴流风机以及离心风机的有源消声研究还比较有限。4.1管道噪声噪声风机在使用时,进、出口已连接了管道。在具有管道噪声的主管道上开一个或多个旁通管,则在旁通管道后声传播下游,噪声可能下降。这完全符合反声(即噪声有源控制)原理:沿声传播方向旁通管道的后连接处就是一个反声源(次级声源),它来自于噪声源(初级声源);它与初级声源的相位差可用旁通管道长度与旁通管连接处的主管道长度之差来调节;它的强度可用旁通管与主管道的面积比来调节。只要这些结构参数选择合适,就可以取得降噪效果。戴根华等人对无流动管道的管道噪声,利用单段旁通并在出口有吸声尖劈的情况下,进行反射声降噪的实验和数值研究;朱之墀等人又研究具有流动的管道中旁通管降噪问题;李嵩等人接着提出了多段旁通管出口有反射波的旁通管反声降噪方法。这些方法预计的降噪效果与实际测量值符合良好,有较好的工程应用前景。4.2风机叶片噪声控制策略风机噪声的有源控制研究目前主要是针对结构辐射声。80年代后期,P.A.Nelson等人提出了一种消声理论,其特点是从能量角度出发,在初级声源附近引入若干次级点声源构成一个声辐射阵,选择该阵总辐射声功率为目标函数,在已知初级声源复强度以及辐射阵空间分布的情况下,确定一组最优次级声源复强度使总辐射声功率最小。本田等人将轴流式风机噪声源简化为二重圆周状线声源进行研究,取得了阶段性成果;任宝生、张克猛则将轴流式风机叶片噪声源视为由动叶气动噪声和静叶干涉噪声构成的多重声源,且将前者简化为强度和位相都随风机转动的旋转声源,将后者简化为点声源群,并在考虑二者之间相互影响的基础上进行了研究,取得了良好的消声效果;对离心风机,降低其叶片气动噪声的有源控制方法的原理是在机壳内的蜗舌部位安装两个次级声源,次级声源由电子信号激励,电子信号与叶轮的转向同步,调节它们的振幅和相位,使风机进出口处的噪声减到最小。上述这些研究都假设次级声源为点声源。应该指出:虽然以点声源作为次级声源形式较为简单,应用时也便于实现,但在实际工程应用中,难以获得理想点声源,因为实际的次级声源都具有指向性。目前解决风机声源分布问题的理论途径是将实际声源看作由一些紧凑的点或线声源封包生成的,这就要求用多个有源降噪子系统来实现分布声源的降噪,此时要对总的有源降噪控制系统进行优化设计。另外,一般都是将次级声源、误差传感器在以风机轴线为对称轴的圆周上作等间距分配。实际上,次级声源的布置决定理论上的最大降噪量,而误差传感器的布置决定实际降噪量的大小。所以,在风机有源降噪中存在着次级声源和误差传感器的最优布置问题,但迄今为止还未能在理论上确定出最优的布置模式。4.3气动声的释放风机的噪声源中,空气动力噪声是主要部分,而且最难治理。现代的涡声理论认为,气动声是由涡旋能量释放以及涡旋破裂引起空气震荡产生的声波。据此可以推测,风机空气动力噪声的有源控制研究可以从有源控制空气动力场内的涡旋破裂入手。例如可以引入控制气流注射来削弱涡旋成长和减少涡旋间的相互碰撞机会。4.4声源的吸声量有源声吸收又叫自适应声吸收,实际上是用自适应方法控制声阻抗,即在次级声源上施加与声场有关的信号,使次级声源前面产生和保持所需的声阻抗。众所周知,在一定条件下,声源可以成为一个吸声体。对于单极子点源,在自由场中吸声量为λ2/4π(λ为声波波长)。因此在低频(例如100Hz),一个理想喇叭大约能提供0.93m2的等效吸声量;而偶极子次级声源的最大吸声量是单极子点声源最大吸声量的3倍。这两种情况下吸声量与频率的平方成反比,可见声吸收方法对风机低频噪声更为有效。4.5既有控制单元比较双层板结构有源控制的应用开始主要是研究飞机螺旋桨噪声传输至飞机壳体内的问题,单就目前的研究情况看,也有可能应用到风机噪声控制的实际应用领域,尤其是对微小型风机。双层板结构有源控制技术包括有源声控制(AAC)和有源声振控制(AVAC)。AAC技术是将小型的扬声器作为次级声源,放置在两层板之间的空气层内;AVAC技术是采用激励器装置,将其安装在辐射的板上作为次级振源。两种技术的控制单元是相同的。由于两层板之间空腔内的声场是主要的声耦合部分,因此这部分声场得到控制,整个结构的隔声量将会明显提高。4.6风机噪声控制理论研究有源控制发展到80年代中期以后,应用领域转向三维空间;尤其是90年代以来,有源噪声控制的研究内容发生了根本性的变化,主要是由于高速微处理器的不断涌现和自适应信号处理理论、技术的进步,推动了三维空间(尤其是封闭空间)声场有源噪声控制的发展。这方面较为成功的例子是船舶舱室、飞机舱室以及汽车驾驶室内的有源消声。CarlH.Gerhold通过采用自适应降噪系统对管道内轴流风扇进口辐射噪声进行了研究。随着研究的进步,相信这一技术在风机降噪中的应用将逐步拓展。随着三维空间内ANC研究的深入开展,一方面ANC系统对自适应技术的要求愈加迫切,另一方面宽频分布声场控制要求采用多个次级声源和多个传感器,即要求采用多通道自适应ANC系统。这种多通道自适应ANC系统对信号处理的硬件和软件提出了更高和更新的技术要求,但控制器技术的提高受到了诸多因素的制约。因此,自适应ANC系统的开发应与智能技术、智能材料以及光纤技术有机结合起来。也就是说,开发风机自适应有源噪声智能控制系统将成为今后研究的必然趋势之一。以上这些消声理论都是从声学角度认识和发展有源降噪控制问题的,具体表现为传统的ANC技术都离不开采用次级声控源,而且对噪声的控制多是采用在远场内对声波进行控制。为了促进ANC技术向前突破,就必须不断向传统的ANC系统提出挑战,树立适合于实际降噪要求的新观念和新思想。5常用的风机噪声控制措施本文分析了风机噪声机理的研究情况,对风机噪声的控制方法进行了分类介绍,并分析了它们存在的问题和应用的前景。但是这