三葉羅茨鼓風機噪聲源測試分析

張 哲 趙永瑞 楊繼峰

（中國石油大學（華東）化學工程學院)

0 前言

羅茨鼓風機是一種典型的氣體增壓與輸送機械，廣泛應用于冶金、煤炭、石油化工等行業。與往復式和離心式風機比較，其具有結構簡單、壓力改變時風量變化小、流量受阻力影響小、供風穩定等優點，但其在工程應用中存在絕熱效率較低、噪聲較大等缺點。

風機正常運行時，車間噪聲一般在70 dB以上，長期處于這樣的環境下作業人員的健康水平會受到影響，嚴重的還會引發噪聲性職業病。因此，有必要對風機進行噪聲信號測試分析，識別其主要噪聲源及其特征，以便于下一步進行降噪處理。

1 羅茨鼓風機噪聲測試

1.1 噪聲測試儀器和噪聲測點布置

TES-1350噪音計、TES-1370噪音計、AWA6221B型聲校準器、INV3018盒式采集儀。

根據GB/T 2888—2008《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》確定測點布置，如圖1所示。各個測點距離地面高度均為1 m，其中M1、M2、M3三點由于距離電動機一側，受電動機噪聲影響很大，故其測量值作為參考，不列入分析計算中[1]。

1.2 測試對象及其參數

測試風機為3HD-125型三葉羅茨鼓風機，其有關參數如表1所示。

圖1 羅茨鼓風機噪聲測點位置

表1 3HD-125型三葉羅茨鼓風機額定參數及測量值

2 測試結果及分析

2.1 羅茨鼓風機噪聲源分析

噪聲源是指一切向周圍輻射噪聲的振動物體及其產生的噪聲。噪聲包括固體的機械噪聲、流體的動力性噪聲以及電磁噪聲等。羅茨鼓風機含有多種噪聲源，其噪聲主要包括下述幾種。

2.1.1 旋轉噪聲

旋轉噪聲是指由于風機葉輪 （轉子）旋轉引起的周期性壓力脈動所產生的噪聲。因為風機旋轉過程中，進氣腔和排氣腔的體積是周期性變化的，使得氣體流動不均勻，同時風機葉輪依次掃過進氣口和排氣口，也周期性擾動了氣體，從而對周圍介質施加了脈動壓力，產生氣動噪聲。

風機的噪聲具有確定的頻率，其旋轉噪聲的頻率為：

式中n——風機工作輪轉速，r/min；

z——葉片數；

i——諧波序號 （1，2，3，……）。

當i=1時，fi旋為基頻；當 i=2，3，4，……時，fi旋為高次諧頻。

2.1.2 渦流噪聲

渦流噪聲又稱紊流噪聲或漩渦噪聲。由于高速氣流通過葉片，產生紊流附面層或漩渦分裂脫離，引起壓力脈動從而產生渦流噪聲。

根據經驗公式，渦流噪聲的頻率為：

式中Sr——斯特羅哈系數，Sr=0.14～0.20，一般取0.185；

v——氣體相對于葉片的速度；

L——物體正表面投影寬度（垂直速度的平面）；

i——諧波序號 （1，2，3，……）。

由式 （2）可知，渦流噪聲頻率與氣體相對于葉片的速度v成正比。v與工作輪上各點的圓周速度u有關。工作輪上各點的圓周速度u是隨各點到軸心的距離而連續變化的。所以風機旋轉產生的渦流噪聲是中、高頻的，且是寬頻帶的連續譜[2]。

2.1.3 機械噪聲

機械噪聲主要是由機殼的振動引起的。其振動原因主要有兩個：a）葉輪轉動中的不平衡，周期性的激勵從傳動構件轉移到機殼；b）殼內渦流的壓力脈動也對殼體產生周期激勵，風機風壓越高，激勵影響就越大。除此之外，機械噪聲還有齒輪嚙合誤差、軸承制造精度誤差、基礎或管路固定不牢和電動機轉動等產生的振動噪聲。

2.1.4 電磁噪聲

驅動風機所用的電動機通常為三相異步電動機。在電動機中，電磁噪聲是由交變磁場對定子和轉子作用產生周期性交變力引起的振動產生的，電磁噪聲頻率與電源頻率有關。

2.2 噪聲測試結果分析

由于羅茨鼓風機噪聲在較寬的頻帶范圍內其聲壓級都較高，根據奈奎斯特采樣理論，采樣頻率至少為分析頻率的兩倍，因此，設置采樣頻率為20000 Hz。采集的噪聲信號時域波形如圖2所示。圖2所示的噪聲信號是由不同頻率和強度的聲波組合而成的，從時域波形上看不到明顯的信息，這就需要采用其他方法對信號進行分析。

圖2 噪聲信號時域波形

2.2.1 自功率譜密度分析

功率譜密度能夠反映噪聲能量按頻率的分布情況，因而通過功率譜密度分析，可以幫助人們判斷機械噪聲源和尋找產生噪聲的原因。

對采集到的噪聲信號進行自譜分析，如圖3所示。分析參數設置為：海明窗函數、全程傅里葉變換結果線性平均。由式 （1）計算旋轉噪聲的諧波頻率可得，f5=501.75、f9=903.15、f10=1003.5、f14=1404.9、f15=1505.2，這與表2所示的自功率譜密度峰值頻率基本相同。

圖3 自功率譜密度分析

表2 峰值數據表

分析的結論如下：（1）羅茨鼓風機的噪聲是一個穩態噪聲，頻帶范圍較寬，以低中頻為主，且中頻較寬；（2）風機的旋轉噪聲為主要噪聲源，以中低頻段為主；（3）在較寬的頻段上都呈現幅值較高的特性，在500～1700 Hz范圍噪聲具有明顯的連續出現的峰值，這是治理和控制噪聲首先要考慮的頻段。

2.2.2 互相關分析

互相關分析可反映兩個隨機信號之間的相關關系。通過對噪聲信號和振動信號進行互相關分析，可以明確噪聲信號在多大程度上來源于振動信號。

對采集的噪聲信號與三個方向的機殼振動信號做互相關分析，結果如圖4～圖6所示。

圖4 噪聲信號與垂直方向振動互相關分析

圖5 噪聲信號與水平方向振動互相關分析

圖6 噪聲信號與徑向振動互相關分析

由圖4、圖5、圖6可以看出，噪聲與垂直方向振動相關性系數最大，與徑向振動相關性系數次之，與水平方向振動相關性系數最小。三個方向的振動與噪聲的相關性系數|Co|≤0.3，這說明機殼振動與噪聲信號微小相關，即主要噪聲源并不是由機殼振動引起的機械噪聲。

3 結論

對風機噪聲信號的頻譜分析和互相關分析結果表明：正常工況下，羅茨鼓風機的主要噪聲源為旋轉噪聲，以中低頻段為主，且在500～1700 Hz范圍內出現連續峰值。現場應用時，可以依此數據設計和選用合適阻性和抗性參數的消聲器。

[1] GB/T 2888—2008.風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法[S].

[2] 蔡葉彬，陳再良，方子嚴.羅茨鼓風機噪聲產生機理及降噪措施 [J].化工裝備技術，2000,21(3)：40-41.

[3] Sandra Velarde-Suárez,Rafael Ballesteros-Tajadura,Juan Pablo Hurtado-Cruz，et al.Experimental determination of the tonal noise sources in a centrifugal fan[J].Journal of Sound and Vibration,2006,295：781-796.

[4] Lecleere Q,Peezerat C.Application of multi-channel spectralanalysisto identify the source ofa noise amplitude modulation in a diesel engine operating at idle[J].Applied Acoustics,2005,66：779-798.