一種圓筒狀污水泵站降噪工程設(shè)計

王孚懋，王 晨，張玉環(huán)，張 申，劉青禹

（山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島266590）

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，原建的市政工程項目如污水泵站、加壓泵站、換熱站和變電站等逐步被建筑樓群所包圍，導(dǎo)致環(huán)境噪聲與環(huán)境振動污染問題愈加突出。工程實踐表明，通過吸聲降噪等綜合性措施，可以有效降低車間的混響噪聲。長沙卷煙廠聯(lián)合工房卷包車間布置大量機械設(shè)備，屬于典型多聲源扁平空間，通過在頂棚及墻面鋪設(shè)帶空氣層的蜂窩狀鈦科絲吸聲板，對79個測試點噪聲取平均值，車間噪聲由85.4 dB(A)降為79.2 dB(A)[1]。

西安市二手房交易大廳由于采用了石板玻璃材質(zhì)的內(nèi)凹屋面與矩形建筑空間，顫動回聲現(xiàn)象明顯，通過懸掛空間吸聲體與吸聲板措施，室內(nèi)總吸聲量由56.3 m2增加到925.8 m2，平均降噪值達(dá)到了13.4 dB(A)[2]。邳州泵站豎井呈橢圓形，內(nèi)壁為鋼板，空間狹窄，混響噪聲明顯，通過在豎井貫流泵外殼結(jié)構(gòu)上粘貼高阻尼材料以及在橢圓形豎井內(nèi)壁布置玻璃纖維棉，使得電動機層噪聲由90 dB(A)降至74 dB(A)[3]。

青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)某污水泵站于1996年建成運行，與2014年建成的某居民小區(qū)樓毗鄰，相距約16 m，該區(qū)域?qū)儆诔鞘?類聲環(huán)境功能區(qū)，泵站設(shè)備運行產(chǎn)生了一定噪聲污染。本文針對圓筒狀泵站建筑特點和擾民問題復(fù)雜性，采取吸聲與隔振等綜合性噪聲治理措施，降低了泵房室內(nèi)與廠界噪聲，工程效果顯著。

1 泵站噪聲源測試

該污水泵站建筑外形呈圓筒狀，如圖1所示。

圖1 泵站建筑外形

泵房室內(nèi)空間直徑約15.5 m，地下負(fù)一層高約8.1 m，地面一層高約6.2 m，總高約14.3 m。泵房安裝有7 臺格蘭富大功率立式水泵，型號S1.100.200.850.4.70 H.D.432.G.N.D.Z，流量Q=612 m3/h，揚程H=75.5 m，最大額定功率85 kW，同步轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，重量W=1 320 kg。出水管直徑200 mm，變徑管直徑300 mm，出水總管直徑800 mm，進水管直徑1 000 mm。水泵采用單極葉輪，葉片數(shù)z=3。水泵安裝在泵房地下負(fù)一層，自西向東按序號依次排列，常規(guī)運行2～4臺，5用2備。泵房室外配套除臭間、鼓風(fēng)機房、控制室、儲水池、軸流引風(fēng)機、送風(fēng)管、回風(fēng)管、車間換氣扇等輔助設(shè)施，泵站設(shè)備布局與噪聲監(jiān)測點布置如圖2所示。

噪聲測試采用了愛華AWA5688 型多功能噪聲頻譜分析儀、紅聲ND9 型聲級校準(zhǔn)器和三腳架。3個噪聲監(jiān)測點布置如圖2（a），2（b）所示。

其中P1 測點位于地下4 號水泵1 m 處，P2 測點位于地面工作臺東部中央（門內(nèi)側(cè)），P3測點位于泵房外廠界外1 m 處。測試工況為開啟2#和4# 2 臺水泵，除臭機、引風(fēng)機、鼓風(fēng)機等正常運行。噪聲測試采樣時間取1 分鐘，計算1 分鐘等效A 聲壓級，各監(jiān)測點統(tǒng)計A 聲級監(jiān)測結(jié)果列入表1中，包括LeqA、Lmax、Lmin、L5、L10、L50、L90、L95等。

由此可見，室內(nèi)監(jiān)測點符合穩(wěn)態(tài)噪聲源的波動要求（3 dB 以內(nèi)）。泵房地下負(fù)一層測點P1 水泵噪聲為89.7 dB(A)，地面一層測點P2 工作臺噪聲85.8 dB(A)，兩個測點相距約10 m，說明室內(nèi)噪聲傳播衰減較小，機房墻體反射的混響聲影響較大。廠界P3測點統(tǒng)計噪聲峰值波動范圍較大，超過了10 dB(A)，說明交通與生活噪聲對測試結(jié)果影響較大。

泵房室內(nèi)噪聲1/3 倍頻程頻譜測試結(jié)果如圖3所示。采樣時間采用1分鐘。

在水泵2#與4#運行工況情況下，水泵P1測點與工作臺P2 測點的噪聲頻譜波動形態(tài)基本相似，第1階峰值出現(xiàn)在63 Hz 處，第2 階峰值出現(xiàn)在125 Hz處，第3階峰值出現(xiàn)在315 Hz處，第3階是降噪設(shè)計的關(guān)鍵頻段。

圖2 泵站設(shè)備布局與噪聲監(jiān)測點布置

表1 統(tǒng)計A聲級監(jiān)測結(jié)果（治理前）

圖3 泵房室內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜測試結(jié)果

根據(jù)泵站現(xiàn)場測試分析結(jié)果，泵體與管道為主要聲源，泵房屋面鼓風(fēng)機、除臭模塊引風(fēng)機、空調(diào)風(fēng)機等是次要聲源。由于泵站圓柱形建筑形態(tài)，封閉式空間腔體易產(chǎn)生較大的混響聲，加劇了噪聲輻射。為此，確定房間吸聲與水泵隔振等綜合性降噪技術(shù)措施。

2 泵房吸聲設(shè)計

由于泵房墻體已經(jīng)做過隔聲處理，因此以吸聲降噪作為設(shè)計重點。治理前各倍頻程處聲壓級如表2所示。根據(jù)《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GBZ1-2010）》[4]，生產(chǎn)車間觀察（值班）室噪聲限值為75 dB(A)。根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范（GB/T50087-2013）》[5]，選用NR70 噪聲評價曲線，將6 個倍頻帶允許聲壓級列入表2，得到各倍頻帶聲壓級所需的降噪值（見第3 行），理論設(shè)計降噪量10.8 dB(A)。

噪聲治理前，泵房內(nèi)壁面平均吸聲系數(shù)按下式計算

式中：為房間內(nèi)壁面平均吸聲系數(shù)；Sk為第k個結(jié)構(gòu)體吸聲面積，m2；αk為第k個結(jié)構(gòu)體吸聲系數(shù)，泵房內(nèi)壁結(jié)構(gòu)體包括屋面、地面、墻體和門窗。其中，屋面與地面面積均為54.8 m2，內(nèi)墻（不含門窗面積）912 m2，鋁塑復(fù)合門窗面積（控制室）16 m2，采光窗面積共48.7 m2,合計泵房內(nèi)壁面總面積1 021.6 m2。其中，治理前屋面、地面與墻體均為水泥抹灰結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)體倍頻程吸聲系數(shù)取值為0.04～0.07。吸聲處理前的平均吸聲系數(shù)計算值列入表2（見第4行）。

對于室內(nèi)混響聲場，房間常數(shù)定義為R=Sαˉ/(1-αˉ)，聲傳播吸聲降噪量按下式計算[6]

式中：R1為治理前房間系數(shù)，m2；R2為治理后房間系數(shù)，m2；為治理前吸聲系數(shù)；為治理后吸聲系數(shù)。房間吸聲量定義為A=，S為房間總面積，單位均為m2。考慮到都是小數(shù)，式（2）簡化為

A聲級與聲壓級的關(guān)系為

式中：LA為A 聲級，dB(A)；LPi為第i個倍頻程線性聲壓級，dB；ΔLAi為A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓級修正值，dB(A)；n為倍頻程個數(shù)。

按照式（3）計算倍頻帶設(shè)計平均吸聲系數(shù)，如500 Hz 處=0.05×100.1×8.5=0.35 ，列 入 表2第5行。

吸聲體結(jié)構(gòu)：內(nèi)墻壁+鋼架網(wǎng)片空氣層+鋼龍骨架+超細(xì)玻璃棉氈+玻璃纖維護面布+鋁塑穿孔護面板。玻璃棉厚度100 mm，容重40 kg/m3；護面板穿孔率8 %，孔徑5 mm。查產(chǎn)品說明書或聲學(xué)材料手冊，得到吸聲系數(shù)，如表2第9行[7]。

按照表2依次計算，得到需要吸聲材料的數(shù)量（見第10 行），最大吸聲面積為764.4 m2，位于1 000 Hz 處。按照吸聲體面積S1=764.4 m2，原墻面S2=1 021.6 m2，重新計算泵房內(nèi)穿孔板+超細(xì)玻璃棉結(jié)構(gòu)平均吸聲系數(shù)，根據(jù)式2進行校核驗證，設(shè)計降噪量85.8-74.8=11.0 dB(A)，降噪效果滿足NR70 噪聲評價曲線。以上計算基于2 臺泵運行工況，由于滿負(fù)荷下需要4～5 臺泵同時運行，考慮到設(shè)備檢修、方便施工，美觀性等工藝要求，工程中采取屋頂與墻面滿鋪吸聲體方案，實際吸聲面積大于計算值。

3 水泵隔振設(shè)計

由于水泵運行時存在偏心激振力或旋轉(zhuǎn)不平衡力，以及葉片的流體擾動等，隔振設(shè)計需要考慮旋轉(zhuǎn)工頻的影響，如25 Hz，75 Hz，150 Hz等。

對于水泵的垂向運動，基礎(chǔ)力傳遞率ηb按下式計算

式中：N0為傳遞到基礎(chǔ)的力，N；F0為激振力，N；ζ為阻尼比；r為頻率比。

當(dāng)無阻尼時，振動傳遞率簡化為

表2 泵房吸聲降噪計算步驟（P2測試點）

當(dāng)ηb選定后，所需頻率比為

為簡化計算，取阻尼比ζ=0，力傳遞率ηb=0.05。由式（7）得，頻率比r=4.583。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速，得激振頻率?=n/60=25.0（Hz），隔震器設(shè)計頻率?n=?/r=5.5（Hz）。為保持平衡，選用4 個隔振器并聯(lián)在泵的底座四角，單個隔振器靜載荷W1=m×g/n=3 234（N）。根據(jù)隔振器靜載荷與固有頻率，選取JSD-530 型橡膠隔振器，相關(guān)參數(shù)列入表3中。

根據(jù)橡膠隔振器選型參數(shù)，取阻尼比ζ=0.07，頻率比最小r0=?/?0=4.997，按式（5）得隔振傳遞率最小ηb=0.05，固有頻率5.5 Hz，也避開了水泵的旋轉(zhuǎn)基頻25 Hz[8]，符合設(shè)計值要求。

4 工程效果分析

泵房噪聲治理工程結(jié)束后，在同樣的工況下進行了現(xiàn)場噪聲監(jiān)測。泵房噪聲治理前后的倍頻程監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

分別給出了P1和P2測點的監(jiān)測結(jié)果，并與理論計算結(jié)果進行了比較。總體來看，噪聲頻譜監(jiān)測結(jié)果與理論設(shè)計值的變化趨勢基本一致，實測值（深色藍(lán)線）整體小于理論設(shè)計值（淺色紅線），說明采取吸聲與隔振等綜合性降噪措施，工程效果優(yōu)于單純的吸聲措施。

表3 隔振器選型設(shè)計

圖4 治理前后泵房噪聲倍頻程監(jiān)測結(jié)果

由圖4(a)可知，P1測點（4號泵位置）實測A聲級82.3 dB(A)，降低了6.8 dB(A)；250 Hz 處聲壓級最大降幅達(dá)到16.2 dB，說明減振措施抑制了低頻峰值噪聲。由圖4(b)可知，P2 測點（工作臺）實測A 聲級68.2 dB(A)，降低了17.6 dB(A)；2 kHz 處聲壓級降幅達(dá)到20.0 dB，說明泵房內(nèi)混響噪聲與設(shè)備振動控制效果顯著。經(jīng)監(jiān)測部門測試，治理后廠界噪聲晝間48 dB(A)，夜間42 dB(A)，滿足1 類聲環(huán)境功能區(qū)噪聲限值要求，即廠界噪聲晝間小于55 dB(A)、夜間小于45 dB(A)。

5 結(jié)語

通過對圓筒狀建筑結(jié)構(gòu)特點與聲源分析，確定了泵房吸聲與隔振等降噪工程方案。按照運行2臺泵工況，選用NR70噪聲評價曲線，設(shè)計吸聲處理面積764.4 m2，占泵房全部內(nèi)面積的70.4%，理論計算A 聲級達(dá)到了74.8 dB(A)。考慮到大負(fù)荷下需要運行3～5臺泵，工程中采取了屋面與墻面滿鋪吸聲體方案。選取JSD-530 型橡膠隔振器，水泵隔振效率達(dá)到95%以上。現(xiàn)場噪聲監(jiān)測結(jié)果表明，泵房室內(nèi)工作臺位置單點降噪量達(dá)17.6 dB(A)，水泵1米處降噪量達(dá)6.8 dB(A)，廠界噪聲滿足1 類聲環(huán)境功能區(qū)噪聲限值要求，獲得了預(yù)期工程效果。