風(fēng)機管道聲學(xué)測試中的影響因素分析

黃偉稀， 何 濤， 郝夏影， 陳文華

(中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

流體機械的流動噪聲是管路系統(tǒng)噪聲的主要來源。以空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)為例，其噪聲源主要包括風(fēng)機氣動噪聲與管路元件氣流再生噪聲，風(fēng)機噪聲數(shù)據(jù)的準確獲取對管路系統(tǒng)引起的艙室噪聲評估與聲學(xué)設(shè)計有重要意義。風(fēng)機向管內(nèi)輻射的噪聲往往與管路系統(tǒng)負載阻抗有關(guān)，提取噪聲源與外界無關(guān)的獨立的聲學(xué)特性即為風(fēng)機的噪聲源特性。

風(fēng)機噪聲測試方法分為三種：管道法、管外法與管內(nèi)反演法。①管道法：采用管道法測試風(fēng)機輻射入管道的聲源特性，在風(fēng)機進出口安裝測試管道與消聲末端，創(chuàng)造末端無反射的聲學(xué)環(huán)境，在管道內(nèi)布置傳聲器測點，通過多點平均得到風(fēng)機輻射噪聲聲功率，管道法的測試結(jié)果避免了管道邊界聲反饋的影響，不受管口邊界條件的影響，是國際上推薦采用的測試方法[1-3]。②管外法：不考慮管路負載阻抗對聲源的影響，在管口外布置傳聲器測試風(fēng)機/空調(diào)器進出口外的輻射噪聲，測試環(huán)境有混響室與自由場，測試方法簡單，也是國內(nèi)普遍使用的測試方法[4-5]。③管內(nèi)反演法：對于不具備消聲條件(消聲末端)的管路，管路阻抗必然會對聲源產(chǎn)生影響。通過建立管路噪聲源的聲學(xué)模型，對管內(nèi)測得的聲信號進行反演從而提取源的強度。Terao等[6]1989年提出了風(fēng)機聲源的測試方法，并測試了小型軸流風(fēng)機的反射、透射系數(shù)及聲源強度；Terao[7]1990年提出了基于阻抗匹配的聲源特性測試方法；1993年提出了帶有采樣管的雙傳聲器測試方法。Lavrentjev等[8]在1995年測試了風(fēng)機的聲源特性。

無論管道法與管內(nèi)反演法，測試時要求傳聲器安裝于管道內(nèi)部，測試結(jié)果受管內(nèi)氣流、管壁振動與管路邊界條件等影響。圖1是風(fēng)機噪聲測試管道布置示意圖，傳聲器安裝于管道中心，通過夾具、連接桿與管道進行剛性連接。圖中顯示了湍流脈動壓力與管壁振動的影響，傳聲器在來流作用下會產(chǎn)生湍流自噪聲(“偽聲”)，湍流自噪聲高于被測風(fēng)機噪聲時會導(dǎo)致測試結(jié)果不準確，尤其在流速較高時；測試管道通過法蘭與風(fēng)機進行剛性連接，風(fēng)機振動通過管路結(jié)構(gòu)傳遞至測試管道，引起管壁振動，此振動會通過傳聲器連接部件與夾具引起傳聲器及其膜片振動從而產(chǎn)生額外噪聲信號，影響測試結(jié)果準確性。另一方面，管壁振動本身在管內(nèi)產(chǎn)生輻射噪聲，若該噪聲接近或者高于風(fēng)機氣動噪聲，也將影響測試結(jié)果準確性，故分析研究風(fēng)機噪聲測試中的影響因素及其規(guī)律是必要的。

圖1 管道聲學(xué)測試的影響因素

關(guān)于管道中聲與湍流脈動壓力的分離，Holland等[9]給出了存在平均流速的管道中聲功率流的表達式；Shi等[10]采用已有的湍流邊界層脈動壓力模型，分析其對管路中聲強測量的影響；Pedersen等[11]給出了氣流管道中聲與流體脈動壓力的分離方法，孫玉東等[12]采用互譜和相干分析方法給出了液體管道中聲與湍流脈動壓力的分離方法，但未考慮聲與振動的分離；左曙光等[13-14]采用數(shù)值模擬方法研究分析了葉片參數(shù)對流動噪聲及殼體振動的影響，但未涉及流動噪聲與殼體振動的分離及試驗。

中國船舶科學(xué)研究中心建立了國內(nèi)首套基于管道法的風(fēng)機噪聲測試裝置，用于艦艇、船舶與海洋平臺用風(fēng)機聲學(xué)參數(shù)的測試，為管路系統(tǒng)聲學(xué)計算與優(yōu)化設(shè)計提供有效輸入?yún)?shù)。本文針對湍流脈動壓力、管壁振動與管路邊界等因素對風(fēng)機噪聲測試的影響，通過試驗方法得到了各因素之間的影響規(guī)律，為風(fēng)機噪聲源特性測試規(guī)范與細則的制定提供技術(shù)支撐。

1 風(fēng)機噪聲源特性測試方法與試驗裝置

采用管道法測試風(fēng)機輻射入管道的聲源特性，其原理是：在風(fēng)機進出口安裝測試管道與消聲末端(反射系數(shù)小于0.3)，創(chuàng)造末端無反射的聲學(xué)環(huán)境，在管道內(nèi)布置聲壓測點，通過多點平均測試風(fēng)機輻射噪聲聲功率。在入口處測試流量，出口處設(shè)置調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)機運行工況。

測試系統(tǒng)由Pulse信號采集系統(tǒng)、計算機、傳聲器、振動加速度計、待測風(fēng)機、變徑管道、測試管道、中間管道、消聲末端等組成。測試原理見圖2所示，傳聲器沿管道軸向布置并朝向風(fēng)機，傳聲器通過夾具與連接桿剛性安裝于管壁上，傳聲器電纜通過管壁開孔與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。

圖2 離心風(fēng)機噪聲源特性測試原理圖

試驗在中國船舶科學(xué)研究中心風(fēng)機噪聲源特性測試裝置上開展，測試管道內(nèi)徑265 mm，測試段長4 m，消聲末端長2.5 m，測試頻率范圍20～10 000 Hz。消聲末端用以消除管路末端的聲反射對風(fēng)機聲源的影響。除了作為風(fēng)機固有配件的軟連接外，風(fēng)機和管道全部硬連接。待測風(fēng)機為CQ20J型船用離心風(fēng)機，額定風(fēng)量3 500 m3/h，風(fēng)壓1 960 Pa，功率4 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min。風(fēng)機轉(zhuǎn)速可變頻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0～2 900 r/min，風(fēng)機運行工況可通過管路出口節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

2 風(fēng)機噪聲測試影響因素分析

2.1 傳聲器湍流脈動壓力的影響

在管道法測試風(fēng)機噪聲時傳聲器安裝于管道中心軸線上，測試過程中傳聲器在管內(nèi)氣流影響下會產(chǎn)生湍流自噪聲，湍流自噪聲作為測試的背景噪聲會影響風(fēng)機噪聲源測試的信噪比，其與風(fēng)機流量(風(fēng)速)有緊密關(guān)系。為了掌握傳聲器在不同流速條件下的湍流自噪聲特性，本文對安靜氣流下傳聲器湍流自噪聲進行測試，試驗中氣流由變頻風(fēng)機進行驅(qū)動，管內(nèi)風(fēng)速通過改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，傳聲器安裝于管道內(nèi)，風(fēng)機與傳聲器測試管道間安裝消聲器以消除風(fēng)機噪聲的影響。風(fēng)機噪聲源特性測試裝置見圖3，傳聲器湍流自噪聲測試裝置見圖所示4，風(fēng)機消聲器結(jié)構(gòu)見圖5所示。為了降低傳聲器湍流自噪聲，可以在傳聲器頭部安裝氣流防護裝置(如鼻錐、采樣管等)，本文采用鼻錐(適用于25 m/s以下流速)，管內(nèi)傳聲器與鼻錐安裝方式見圖2與圖6，分別在安裝與不安裝鼻錐的情況下測試傳聲器的湍流自噪聲。

圖3 風(fēng)機噪聲源特性測試裝置實物圖

圖4 傳聲器湍流自噪聲測試現(xiàn)場

圖5 風(fēng)機消聲器結(jié)構(gòu)剖面圖

圖6 傳聲器及鼻錐安裝實物圖

2.1.1 不同流速下傳聲器湍流自噪聲

傳聲器湍流自噪聲聲壓級測試結(jié)果見表1，頻譜見圖7與圖8。從頻譜上看，傳聲器湍流自噪聲隨頻率增大而減小，頻譜曲線光順，自噪聲譜級隨流速增大而顯著升高。安裝鼻錐后，傳聲器湍流自噪聲聲壓級降低10～18 dB，A計權(quán)聲壓級降低13～22.6 dBA。圖9是5 m/s與25 m/s流速下安裝鼻錐前后的傳聲器湍流自噪聲譜對比，可以看到，在中低頻的主要頻段內(nèi)鼻錐可降低湍流自噪聲20 dB左右，噪聲抑制效果顯著。

表1 傳聲器湍流自噪聲聲壓級

圖7 傳聲器湍流自噪聲

圖8 安裝鼻錐條件下傳聲器湍流自噪聲

圖9 安裝鼻錐前后的傳聲器湍流自噪聲對比

2.1.2 傳聲器湍流自噪聲對風(fēng)機噪聲源測試的影響

不同流速下的風(fēng)機進出口噪聲聲壓級譜與傳聲器湍流自噪聲聲壓級譜對比見圖10～圖12，可以看到，安裝鼻錐前，傳聲器湍流自噪聲在2 000 Hz以下頻段已超過風(fēng)機噪聲源，此時測試不滿足信噪比；安裝鼻錐后，傳聲器湍流自噪聲得到顯著降低，在全頻段均低于風(fēng)機噪聲，此時測試滿足信噪比。

圖10 風(fēng)機噪聲與傳聲器湍流自噪聲對比(5 m/s)

圖11 風(fēng)機噪聲與傳聲器湍流自噪聲對比(15 m/s)

圖12 風(fēng)機噪聲與傳聲器湍流自噪聲對比(25 m/s)

由以上結(jié)果可知，采用管道法測試風(fēng)機噪聲源時，傳聲器安裝氣流防護裝置是必要的，否則傳聲器表面的湍流自噪聲將嚴重影響風(fēng)機噪聲源測試的信噪比，尤其在中低頻段，且隨著流速增大其影響越明顯，此時安裝鼻錐可滿足一般測試要求(25 m/s以下)。

2.2 管壁振動對風(fēng)機噪聲源測試的影響

在風(fēng)機噪聲源測試中，傳聲器通過螺桿與夾具安裝于管道內(nèi)，管壁振動通過連接裝置傳遞引起傳聲器振動而產(chǎn)生額外噪聲；另一方面，管壁振動會在管內(nèi)輻射噪聲，該部分噪聲同樣被傳聲器測到。為了獲知管壁振動的影響規(guī)律及影響程度，本文通過在管壁同一位置的螺桿上安裝兩個傳聲器，一個安裝于管內(nèi)，另一個安裝于管外，安裝原理見圖13。管內(nèi)傳聲器測得的信號包括風(fēng)機噪聲、管壁振動輻射的噪聲、管壁振動傳遞引起傳聲器振動產(chǎn)生的噪聲三部分，管外測點測得的信號包括管壁振動輻射的噪聲、管壁振動傳遞引起傳聲器振動產(chǎn)生的噪聲兩部分，比較兩個傳聲器的測試結(jié)果即可分析管壁振動對測試的影響。為了單獨監(jiān)測管壁振動輻射噪聲，在隔振地面上安裝第三個傳聲器，該傳聲器測得的信號僅包含管壁振動輻射噪聲一種成分，與安裝于管壁上的管外測點進行比較可進一步分析管壁振動傳遞的影響。

圖13 管內(nèi)外傳聲器安裝及管壁振動傳遞示意圖

管壁振動測點及管外傳聲器安裝現(xiàn)場見圖14，管外傳聲器及風(fēng)機蝸殼振動測點分別見圖15與圖16。

圖14 管道振動測點及管外傳聲器安裝

圖15 管外傳聲器安裝

圖16 風(fēng)機蝸殼振動加速度計安裝

三個傳聲器在不同流速下的測試結(jié)果見圖17～圖19，可以看到，安裝于管壁上的管內(nèi)測點測得的聲壓遠高于管外的兩個測點，說明管內(nèi)噪聲中以風(fēng)機噪聲為主，管壁振動輻射噪聲以及管壁振動傳遞引起傳聲器振動產(chǎn)生的噪聲為小量，對管內(nèi)的風(fēng)機噪聲測試無影響。同時，管外兩個傳聲器的測試結(jié)果基本一致，說明管外噪聲以管壁振動輻射噪聲為主，管壁振動傳遞引起傳聲器振動產(chǎn)生的噪聲為小量，對管外噪聲測試無影響。

圖17 管壁振動對傳聲器測試的影響(5 m/s)

圖18 管壁振動對傳聲器測試的影響(15 m/s)

圖19 管壁振動對傳聲器測試的影響(25 m/s)

不同流速下的風(fēng)機蝸殼振動、管壁振動及管內(nèi)外噪聲頻譜見圖20～圖22，可以看到，300 Hz以下管內(nèi)噪聲與管壁振動的線譜所處頻率(葉頻)基本一致，說明管內(nèi)的風(fēng)機氣動噪聲與管壁振動在低頻有相關(guān)性，原因在于風(fēng)機葉片通過蝸舌時在產(chǎn)生氣流脈動壓力的同時也引起了蝸殼振動，但該現(xiàn)象不說明管內(nèi)傳聲器測得的噪聲由管壁振動引起，該結(jié)論在前文中已得到驗證。

圖20 管壁振動與管內(nèi)、管外噪聲對比(5 m/s)

圖21 管壁振動與管內(nèi)、管外噪聲對比(15 m/s)

圖22 管壁振動與管內(nèi)、管外噪聲對比(25 m/s)

2.3 管口邊界對風(fēng)機噪聲源測試的影響

風(fēng)機輻射入管道的噪聲源特性往往與管路系統(tǒng)負載阻抗有關(guān)，提取噪聲源與管路邊界條件無關(guān)的獨立的聲學(xué)特性即為聲源的源特性。管口邊界決定了管路系統(tǒng)的負載阻抗，除了對風(fēng)機噪聲源本身產(chǎn)生明顯影響之外，還會在管內(nèi)形成駐波場，管內(nèi)不同位置測得的噪聲有較大差別，對風(fēng)機噪聲源測試具有不確定性。為了分析管口邊界對測試的影響，本文對兩種不同管口邊界條件下的風(fēng)機管內(nèi)噪聲進行了測試，兩種邊界分別為出口管路開口與安裝消聲末端，見圖23與圖24，15 m/s流速條件下的風(fēng)機出口與入口噪聲源測試結(jié)果對比見圖25與圖26，可以看到，在開口邊界下，風(fēng)機出口噪聲具有明顯駐波特性，入口噪聲源也與安裝消聲末端時有所不同，主要體現(xiàn)在500 Hz以下頻段。因此在管道法中安裝消聲末端消除管口聲反饋及管內(nèi)駐波是獲得風(fēng)機真實聲源的必要條件。

圖23 風(fēng)機出口管路不安裝消聲末端

圖24 風(fēng)機出口管路安裝消聲末端

圖25 安裝消聲末端前后的風(fēng)機出口噪聲源(15 m/s)

圖26 安裝消聲末端前后的風(fēng)機入口噪聲源(15 m/s)

3 結(jié) 論

在流體機械流動噪聲源特性測試中，存在諸多因素對測試產(chǎn)生影響，如傳聲器湍流自噪聲、管壁振動及管路邊界等，本文針對這些影響因素制定了相應(yīng)的試驗方案并開展了試驗測試分析，結(jié)論對測試規(guī)范與細則編制有重要意義。主要結(jié)論如下：

(1) 試驗通過風(fēng)機消聲器創(chuàng)造了安靜的管內(nèi)氣流環(huán)境，測試得到了25 m/s以下5種風(fēng)速條件下的傳聲器/鼻錐湍流自噪聲譜，通過與風(fēng)機噪聲譜對比可知，傳聲器湍流自噪聲在大部分頻段高于風(fēng)機噪聲，不滿足信噪比。為解決該問題，可在傳聲器頭部安裝氣流防護裝置(鼻錐)，可顯著降低傳聲器湍流自噪聲，線性聲壓級降低10～18 dB，A計權(quán)聲壓級降低13～22.6 dBA，可使測試滿足信噪比要求。

(2) 通過在同一個連接桿上安裝管內(nèi)外兩個傳聲器進行對比試驗，結(jié)論顯示，管壁振動輻射噪聲以及管壁振動傳遞引起傳聲器膜片振動產(chǎn)生的噪聲遠小于風(fēng)機噪聲，對風(fēng)機噪聲測試無影響。

(3) 由于聲反饋作用，管路邊界對風(fēng)機噪聲源有顯著影響，開口邊界可導(dǎo)致葉頻噪聲更加突出；另一方面，開口邊界條件下由于聲反射導(dǎo)致管內(nèi)存在駐波，不同位置處的聲壓有較大差異，影響測試結(jié)果的唯一性。因此管道安裝消聲末端消除管口聲反饋及管內(nèi)駐波是獲得風(fēng)機真實聲源的必要條件。