中華鱘保育車間噪聲頻譜特性分析及降噪措施應用

姚金忠，曹繼學

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 宜昌， 443100)

三峽水利樞紐工程初步設計中對洄游性中華鱘的保護方式為人工增殖放流，目前，三峽集團已完成大規模中華鱘全人工繁殖技術突破，并采用大型水產車間繁育中華鱘，現已累計向長江放流超過503萬尾。環境噪聲污染一直是水產養殖行業頑疾，隨著社會環保意識日益增強，養殖車間的噪聲污染愈發引起人們的關注[1]，但養殖噪聲控制的研究并不多見。

1 研究背景

中華鱘保育車間為單層大空間“鋼筋混凝土框架——雙曲拱面鋼桁架屋蓋”結構，建筑尺寸240×150 m，最大層高21.5 m，屋面結構從下到上為壓型鋼板、鋼筋混凝土、覆土。車間內魚池總數量為105個，養殖總水體20 000 m3，用水規模20 000 m3/d，進水口高于水面，水流沖擊入池，見圖1所示。

圖1 保育車間室內魚池圖

為提高養殖密度，需增加水中溶氧量，以抑制水中厭氧菌的生長，改善水質條件，故養殖工藝中設計了曝氣增氧系統，即通過機械鼓氣至水里，高速氣流將水體翻起,加大水和空氣的接觸面積，加快水對空氣中氧氣的溶解，達到增氧效果。該系統由7 臺羅茨鼓風機及曝氣管道組成，風機單臺功率110 kW，轉速1 250 r/min，通風量83.3 m3/min；曝氣管主管管徑DN 400，支管管徑DN50，出風口沒入水中，如圖2所示。

2 噪聲頻譜特性及來源分析

曝氣增氧系統正常運行時，按圖2 所示的測點進行測量，5臺羅茨鼓風機開啟狀態下，室內外噪聲情況為：

圖2 中華鱘保育車間曝氣平面布置及測點位置圖

（1）室外機組區平均A 聲級達到94 dB(A)～98 dB(A)，機組噪聲傳遞到養殖區外墻處為77 dB(A)，見圖3所示。

圖3 降噪措施前室外噪聲頻譜特性曲線

（2）養殖區室內噪聲平均為83 dB(A)，見圖4所示。

因風機葉輪轉動產生壓力脈動而形成的噪聲，其基頻可由下式計算：

式中：n—風機葉輪轉速；

Z—葉輪的葉片數量。

羅茨鼓風機轉速為1 250 r/min，葉輪共3 個葉片,其振動基頻為62.5 Hz，根據噪聲頻譜分析可知，室外聲壓級最大值（達到98 dB）對應的1/3倍頻程中心頻率為125 Hz，室內聲壓級最大值（達到89 dB）對應的1/3倍頻程中心頻率也是125 Hz，125 Hz為基頻62.5 Hz的2倍頻；其他的次高聲壓級對應的1/3倍頻程中心頻率均為基頻62.5 Hz 的整數倍。隨著曝氣管逐步延伸至養殖區內部，A聲級逐漸降低，主要體現在中高頻頻率（500 Hz 以上）的聲級降低，如圖4所示。根據上述分析：羅茨鼓風機振動及聲輻射是噪聲的主要來源，振動通過曝氣鋼管進入保育車間[2]，并沿著曝氣鋼管傳播到與之相連的每一個角落。

除了羅茨鼓風機的機械噪聲，空氣動力性噪聲也是噪聲之一。設計工況下5臺羅茨鼓風機總送風量為416.5 m3/min，主管氣流速度約55 m/s。高速氣流在管道內流動時，由于氣流流速和壓力的變化，氣體之間因壓力產生相互作用、氣體和管壁相互作用均會再生噪聲。從空氣動力性噪聲產生機理看，主要由旋轉噪聲(氣壓脈動)和渦流噪聲(紊流噪聲)組成[3]。此空氣動力性噪聲源屬于聲學基本聲源中的偶極子聲源，主要分布在曝氣管管壁處[4]。

3 低頻噪聲危害及降噪措施

養殖區室內噪聲平均值雖未超過工作場所噪聲職業接觸限值85 dB(A)；但聲壓級最大值對應的頻率為125 Hz，屬于低頻噪聲(≤200 Hz 以內)[5]。低頻噪聲由于可直達人的耳骨，對人造成的影響，遠高于同等的等效A 聲級的其他噪聲[6]。而在此噪聲環境下，中華鱘也表現出較強的應激性：游動速度加快、呼吸頻率增加，食欲明顯下降，偶爾發生魚跳出水面、撞擊池壁的現象。

低頻噪聲具有波長較長，易穿越障礙物，能夠長距離傳播，衰減緩慢的特點。中華鱘保育車間內曝氣鋼管產生的低頻噪聲聲波易穿越綜合管溝傳播至屋面，傳至屋面的聲波被壓型鋼板屋面反射至地面，經反復反射，產生很長的混響，直達聲能與混響聲能疊加，也增強了室內的低頻噪聲。因此控制低頻噪聲至關重要。

噪聲控制的手段主要有三種：聲源控制、傳播控制以及個人防護。考慮到曝氣系統已投入使用，從聲源上控制代價較大，且較難消除曝氣鋼管內的空氣動力性噪聲。同時保育車間具有參觀展示功能，不便采用個人防護。經技術經濟比較，最終采用隔、吸聲措施控制噪聲傳播。

隔聲“質量定律”表明，隔聲材料面密度與隔聲量成正比關系，即質量越高的材料隔聲效果越好。吸聲“共振原理”表明：當入射噪聲聲波的頻率與吸聲材料的固有頻率一致時，吸聲材料就會發生共振現象，可高效減少聲能。由于低頻聲波比高頻聲波容易激發共振，且共振吸聲材料吸聲頻譜以共振頻率為中心出現吸收峰，當偏離共振頻率較大時，吸聲系數降低，從而導致吸聲頻帶較窄[7]。保育車間噪聲極值主要為62.5 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz，故選用的吸聲材料需對中低頻噪聲具有較好的吸聲效果。

根據隔聲量需求及其經濟性，保育車間室外鼓風機進行隔吸聲圍合結構，隔聲材料為“200 mm 厚蒸壓加氣混凝土砌塊（Rw+Ctr≥40 dB）+混凝土樓板”，吸聲材料采用“0.8 mm穿孔鍍鋅鋼板+200厚離心玻璃棉”，通風窗口采用“1.5 m 深的排風消聲器(傳遞損失≥20 dB(A))”。保育車間室內管溝鋼格柵采用隔吸聲材料填充，隔聲材料選用“焊接3 mm 厚鋼板（Rw+Ctr≥25 dB）+發泡混凝土”，吸聲材料為“0.4 mm穿孔鍍鋅鋼板+80厚離心玻璃棉”。為保證隔聲效果，鋼格柵間的縫隙填塞防火泥。

4 降噪效果

降噪措施實施后，在相同工況下進行了對比測量，結果為：

（1）保育車間室外風機處平均A聲級噪聲由95 dB(A)降至70 dB(A)，下降量達25 dB(A)，見圖5所示；

（2）保育車間室內平均A 聲級噪聲由83 dB(A)降至73 dB(A)，頻率125 Hz 的噪聲由85 dB 降至70 dB，下降量達15 dB，如圖5所示；

圖5 降噪實施前后室內、外噪聲頻譜曲線圖

（3）經對比5 臺、2 臺和0 臺羅茨鼓風機開啟狀態下，保育車間室內平均A 聲級噪聲分別為73 dB(A)、70 dB(A)、68 dB(A)，說明室外羅茨鼓風機噪聲對保育車間室內無明顯影響，見圖6所示。

對比降噪措施實施前后保育車間內噪聲頻譜曲線可以發現：

（1）由于室外隔聲結構和綜合管溝封閉后出現耦合共振，100 Hz以下特別是62.5 Hz及以下頻率的噪聲雖有所升高，但聲壓級不高；

（2）降噪后噪聲頻譜曲線整體下降，且線型較平滑，原風機噪聲特性頻率得到有效抑制，降噪措施效果顯著，如圖6所示。

圖6 三種工況下室內噪聲頻譜曲線

改造后，中華鱘的應激行為顯著降低，游動速度、呼吸頻率及攝食均恢復正常，2歲以下中華鱘攝食量由0.5%～0.7%（攝食量占體重比值）恢復至正常值1%～1.5%，呼吸頻率由平均90次/min，恢復至正常的70次/min。

5 背景噪聲理論分析及降噪討論

養殖車間背景噪聲（風機停機）頻率小于100 Hz時，聲壓級隨著頻率增加而增加；大于100 Hz后，聲壓級隨著頻率增加而減少，見圖6 所示。根據背景噪聲頻率特性及現場勘察可判斷：背景噪聲主要是由養殖落水與池水，以及曝氣氣流與池水相互作用而產生的。

單個水滴撞擊空氣-水界面產生聲波循環擴散的聲能公式[7]為：

式中：R——風機葉輪轉速；

v——葉輪的葉片數量。

理論分析可知：水滴撞擊聲能與水滴半徑的4次方，與水滴落水速度2 次方呈正比。因養殖用水量受養殖規模限制，降低流速不可取。減小水滴半徑對減少擊水噪聲貢獻較大，也不影響總用水量，故可在養殖水沖擊入池前增加柔性多孔降噪網，如圖7所示。養殖水經降噪網后半徑減小，不僅可以減少噪聲，且水滴分散后再跌入池中可帶入更多空氣。

圖7 柔性多孔降噪網和多排多孔曝氣柵示意圖

曝氣管直接入水，氣流產生氣泡，氣泡升至水面破裂而產生噪聲。為降低噪聲聲能，可在曝氣管出口接多排多孔曝氣柵，如圖7 所示。從能量守恒的角度分析，氣流與氣柵小孔之間的摩擦會產生能量消耗，聲能會削減。而且氣流通過小孔后，氣泡體積變小、數量增多，增加了水與空氣的接觸面積，有利于溶氧。

6 結語

（1）大型水產養殖車間曝氣風機機械振動及管道空氣動力性噪聲特征明顯，通過采用隔吸聲措施處理，降噪量可達15 dB（A），降噪后的噪聲值與車間背景噪聲接近，達到預期效果。

（2）大型水產養殖車間的背景噪聲由氣液兩相互相作用產生，落水水滴直徑、速度和氣流速度、氣泡直徑是主要影響因子。水滴和氣泡直徑越小、水流和氣流速度越低，噪聲越小；水滴和氣泡直徑相較于速度對噪聲貢獻更大。

（3）風機關停瞬間，因氣流慣性，曝氣管道短時內會有負壓，為防止水體倒吸，水產養殖行業通常將曝氣管道布置高于魚池水面，但此設計對降噪不利，應關注。

（4）噪聲對中華鱘攝食、呼吸頻率等行為指標有明顯的影響，降噪后均可恢復正常。后期可通過血液等生化指標、體重增長率等生長性指標，定量評估中華鱘對噪聲的應激反應，其研究方法和成果對水產增殖將有十分積極作用，具有推廣價值。