風機類旋轉機械噪聲分析方案

白長安 周澤 康強

摘要：本文介紹了工業產品在工作過程中配備的通風、散熱風機裝置的風機噪聲特點、傳播路徑，以及基于聲學仿真技術的風機類產品噪聲模擬技術。并利用MSCActran的旋轉機械（風機）氣動噪聲仿真功能和流道湍流氣動噪聲仿真功能，結合風機氣動聲學模擬及研究案例，分析了風機在箱體內的安裝效應對噪聲的影響，并設計了優化方案。

關鍵詞：風機噪聲;氣動噪聲仿真;風機氣動聲學模擬

1 引言

近年來，風機類旋轉機械如散熱風扇、壓縮機、水泵和螺旋槳等設備的噪聲越來越受到人們的關注，噪聲指標慢慢成為風機類產品出廠的重要指標，時刻考驗著設計人員和分析人員敏感的神經。設計研發出低噪聲的風機類產品便可以成為市場上的一大賣點，如近年來空調研發企業的低噪音空調，某品牌低噪音榨汁機等。

工業產品如機載設備在工作過程中由于通風、散熱的需要通常會配備風機裝置。風機設備運行過程中由于葉片的周期性轉動以及帶動附近空氣的流動會產生頻譜特定的噪聲源。風機噪聲源通過一定的傳遞路徑，如機箱和流道等傳到外部對環境噪聲形成重要貢獻。為了有效控制整機工作過程中的整體噪聲值，設計人員需要有目的性的對風機噪聲進行研究，主要包括對噪聲的預測以及對降噪手段的設計。

2 風機噪聲特點

按照風機的類型，主要可以分為兩大類：軸流風機和離心風機。二者特點如圖1所示。

對于任何風機，其氣動噪聲頻譜主要有由兩類頻率內容構成，如圖2所示。

（1）葉片通過頻率噪聲：由于葉片的周期性轉動導致在特定基頻與倍頻產生離散噪聲。該部分噪聲與葉輪的旋轉有關。特別在高速、低負荷情況下，這種噪聲尤為突出。離散噪聲是由于葉片周圍不對稱結構與葉片旋轉所形成的周向不均勻流場相互作用而產生的噪聲。一般認為有3種：進風口前，由于前導葉或金屬網罩存在而產生的進氣干涉噪聲;葉片在不光滑或不對稱機殼中產生的旋轉頻率噪聲;離心出風口，由于蝸舌的存在或軸流式風機后導葉的存在而產生的出口干涉噪聲。離散噪聲具有離散的頻譜特性，基頻噪聲最強，高次諧波依此遞減。

（2）寬頻渦流噪聲：由湍流產生的寬頻噪聲，在整個頻率區間內無非常明顯的起伏。寬頻渦流噪聲是由氣流流動時的各種分離渦流產生的，一般認為有4種成因：當具有一定的來流紊流度的氣流流向葉片時產生的來流紊流噪聲;氣流流經葉片表面由于脈動的紊流附面層產生的紊流邊界層噪聲;由于葉片表面紊流附面層在葉片尾緣脫落產生的脫體旋渦噪聲;軸流通風機由于凹面壓力大于凸面，而在葉片頂端產生的由凹面流向凸面的二次流被主氣流帶走形成的頂渦流噪聲。

3 風機噪聲傳播路徑

風機噪聲主要由上面章節提到的葉片通過頻率噪聲產生，通過空氣介質傳到周圍環境中。除此之外，風機的安裝環境會對風機噪聲產生影響：如反射、隔聲和吸聲作用等。若不考慮安裝環境，風機的噪聲為直接噪聲;若安裝環境較為復雜則會對風機噪聲產生較大影響，我們稱此部分由安裝產生的噪聲為非直接噪聲。圖3、4列舉了不同風機類型的直接噪聲與非直接噪聲。

測量到的風機噪聲一般來源于兩類傳播路徑：（1）直接噪聲（Direct noise）：噪聲不受阻擋直接傳播的測點。（2）非直接噪聲（Indirect noise）：噪聲受到環境的反射，吸、隔聲后傳到測點。

對于包含機箱、流道的風機系統，一般屬于高非直接噪聲的系統，需要考慮：（1）機箱對于風機噪聲的影響，包括機箱隔聲或內部的吸聲材料;（2）流道內若產生速度較高的湍流會引起氣動噪聲，或稱二次噪聲。

4 基于聲學仿真技術的風機類產品噪聲模擬技術

4.1 旋轉機械（風機）氣動噪聲仿真功能

MSCActran的氣動噪聲功能（Aero-Acoustics）一直受到業界的廣泛認可，在風機類旋轉噪聲、車輛風噪聲、空調管路噪聲和船舶螺旋槳噪聲等方面都有大量應用。Actran可以仿真旋轉域的氣動噪聲問題，包括風扇噪聲和壓縮機噪聲等問題。Actran提供多種旋轉機械噪聲仿真方式：包括與CFD滑移網格計算結果聯合計算寬頻噪聲與葉片通過頻率噪聲;與CFD的MRF或NLH仿真結果聯合仿真葉片通過頻率噪聲;或者直接使用解析葉片噪聲源，而無須CFD結果即可模擬葉片噪聲。

Actran與絕大多數CFD軟件具備良好接口，如可以直接導入FLUENT、STAR-CCM+、SC/Flow、OpenFoam和AcuSolve的結果文件，其他CFD軟件（如CFX，PowerFlow等）的結果文件可以通過Ensight Gold或CGNS格式導入;軟件可以在計算域中定義任何邊界，模擬聲反射、聲透射和吸聲等現象，可實現對復雜的氣動-振動噪聲問題的綜合模擬，比如在計算風機氣動噪聲的同時，可以計算得到風機殼體的振動結果。風機類產品的噪聲研究主要采用CFD（Computational Fluid Dynamics）+CAA（Computational Aero-Acoustics）方法，其計算方法流程如圖5所示，主要技術優勢在于：預測方法經過精確的驗證;效率比單純使用CFD軟件進行聲學計算速度更快;與大多數CFD軟件有接口;遠場聲傳播通過噪聲;殼體設計與振動聲學耦合計算。

為驗證本文建立的旋渦風機氣動聲學模型的計算結果的準確性，將計算得到的殼體表面振動加速度以及遠場噪聲與試驗結果進行對比。

試驗中測試殼體徑向及散熱片上相應測點的加速度信號，測點位置如圖15所示，（a）為殼體徑向圖，（b）為散熱片;仿真模型中取相同位置的測點，將轉速分別為2 200 r/min，2 600 r/min，3 000 r/min，3 400 r/min情況下的振動加速度頻譜曲線進行對比，結果如圖16所示，圖16（a）表示殼體徑向的加速度，圖16（b）表示散熱片法向的加速度。

從圖16中看到，仿真得到的加速度頻譜與試驗測試得到的結果從總體上看是比較吻合的，主要的高頻成分基本都可以體現，尤其是葉片通過頻率。但是由于試驗中風機上還帶著驅動電機，因此在試驗結果中還夾雜著有驅動電機引起的振動頻率。此外，仿真中只是考慮內流場及氣動噪聲引起的殼體振動，而試驗中測試的振動還包括旋渦風機自身的機械振動以及驅動電機引起的振動，因此試驗曲線的能量要比仿真結果更大。

將仿真和試驗得到的c2點的聲壓級頻譜進行對比，如圖17所示。由于基本考慮到了各部件對聲傳播的影響，因此計算結果顯然更加接近實際值。

由于試驗測試的噪聲還包括機械部件振動引起的遠場噪聲，理論上各頻率下的仿真值應該要略小于試驗值。但是由于仿真計算本身的誤差，使得仿真計算結果從總體上看在各頻率處相對于試驗值有高有低，但是在最高的峰值頻率葉片通過頻率處仿真值略小于試驗值。最后計算得到的總聲壓級較試驗值偏小1 dB（A）左右，工程上是可接受的。因此可以利用旋渦風機氣動聲學有限元方法，進一步研究不同葉輪參數對旋渦風機氣動噪聲的影響程度。將3 000 r/min工況下的不同方向場點的聲壓級計算出來，可繪制旋渦風機噪聲總聲壓級的指向性圖。將計算結果與試驗值進行對比，如圖18所示。

試驗中只在旋渦風機中心水平面以上布置了聲壓傳感器，從而看到圖18中噪聲指向性圖只有一半。由于試驗中在x方向上有驅動電機和氣體管路，測試中并沒有將這兩者產生的噪聲與旋渦風機的噪聲隔離，且這兩者離x方向布置的聲壓傳感器較近，從圖18中看出，噪聲吻合較好。

6 結語

風機作為通用機械，在工農業生產及日常生活中具有廣泛的應用，提高其設計效率、降低其運行噪聲和振動具有很大現實意義。風機噪聲是重要的質量指標，它即是考核產品對環境噪聲污染的量化指標，也可以反映風機類產品的設計和制造質量。同時，噪聲影響人們的工作學習和身體健康。實際上，在中國城市區域環境噪聲標準中，已經于2008年10月1號國家環境保護部頒布實施了3套新的強制性標準，對工業企業和居民生活環境噪聲的排放要求做了嚴格的規定。此處僅列舉標注名稱：GB3096-2008-《聲環境質量標準》、GB12348-2008-《工業企業廠界環境噪聲排放標準》、GB22337-2008-《社會生活環境噪聲排放標準》;而在特殊工作環境和軍用領域，噪聲標準還要高。所以各研發單位越來越重視對風機類旋轉機械類產品的噪聲研究，而MSCActran已經成為主流的風機氣動噪聲數值仿真工具。

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