翟繼濤 趙 巖 雷 洪

（1.東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院）

AY7-41№56A型離心風(fēng)機(jī)匹配消聲器分析?

翟繼濤1,2趙 巖2雷 洪1,2

（1.東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院）

為了降低離心式風(fēng)機(jī)的噪聲，首先分析了AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲特性，確定了風(fēng)機(jī)的頻率范圍為250～8 000Hz時(shí)的聲能占總聲能的72%，且噪聲的頻率峰值為1 000Hz；接著采用有限元模態(tài)分析確定柱狀殼體結(jié)構(gòu)消聲器不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象；最后采用噪聲測量系統(tǒng)對五種阻性消聲器分別進(jìn)行了倍頻程分析和總聲級比較，分析結(jié)果表明，當(dāng)采用第五種消聲器時(shí)，對AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪效果最好，在距離消聲器1米處，噪聲總聲級降低了約8.27dB(A)。此時(shí)風(fēng)機(jī)的主要噪聲頻率為250～8 000Hz，此頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

離心式風(fēng)機(jī)；噪聲；吸聲板；倍頻程；消聲器；共振現(xiàn)象

0 引言

當(dāng)今社會，噪聲污染變得越來越嚴(yán)重，已經(jīng)與氣體污染，固體廢棄物污染和水污染并列成為世界四大污染問題。噪聲對人的危害很大，尤其對于長期作業(yè)在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境的工人，容易引起耳鳴?？紤]到人們的身體健康，必須對工業(yè)噪聲加以嚴(yán)格控制。

工業(yè)離心風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行中會產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲，達(dá)到90dB以上，遠(yuǎn)高于國家規(guī)定噪聲標(biāo)準(zhǔn)。離心式風(fēng)機(jī)噪聲主要由四部分組成：進(jìn)氣口和排氣口的空氣動力噪聲；機(jī)殼、管路、電動機(jī)軸承等輻射的機(jī)械噪聲；電動機(jī)的電磁噪聲；氣體和固體彈性系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的氣固耦合噪聲[1]。其中進(jìn)排氣口的空氣動力性噪聲最強(qiáng)。

目前，風(fēng)機(jī)減噪的主要手段是在進(jìn)排氣端安裝消聲器來降低噪聲。根據(jù)消聲原理，消聲器可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器。本文主要研究了阻性消聲器[2]對AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪的影響，利用ANSYS對消聲器進(jìn)行了模態(tài)分析，并通過對阻性消聲器內(nèi)部吸聲板結(jié)構(gòu)的不同布置方法得出吸聲效果最好的方案。

1 聲音傳播理論分析

對于消聲器管道而言，可以把聲音的傳播看成一維平面聲波，其波動方程為

平面聲波的聲壓表達(dá)式為

聲壓級的符號用SPL表示，單位為dB，公式為

式中，pe為待測聲壓的有效值；pref=2×10-5Pa為參考聲壓。

2 實(shí)驗(yàn)方案分析

2.1 消聲器結(jié)構(gòu)

阻性消聲器具有良好的中高頻消聲性能，對低頻消聲性能較差[3]。離心式風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率集中在中頻段，所以適合采用阻性消聲器進(jìn)行風(fēng)機(jī)消聲。巖棉是一種很好的吸聲材料[4]，具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、不燃、防蛀、熱導(dǎo)率低、耐溫達(dá)300℃～400℃、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、吸聲性能好等特性[5]。該方案將阻性消聲器安裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)口端來達(dá)到消聲目的。具體而言，在消聲器內(nèi)壁鋪設(shè)30mm厚的巖棉，所用的吸聲板內(nèi)部填充滿巖棉。

通過對消聲筒內(nèi)吸聲板布置方式的改造和布置數(shù)量的差異，設(shè)計(jì)出五種不同結(jié)構(gòu)的消聲器，如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)的消聲器表Tab.1 the different structure of mufflers

圖1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端安裝第五種消聲器結(jié)構(gòu)圖，尺寸單位為mm。

圖1 第五種消聲器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The fifth muffler structure

2.2 風(fēng)機(jī)噪聲測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的離心式風(fēng)機(jī)型號為AY7-41N056A，流量9 500m3/h，電機(jī)功率22kW。噪聲測量分析系統(tǒng)主要由MP201傳聲器、MA231前置放大器、MC302二進(jìn)二出數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)測試軟件組成。測量的頻率范圍：0～20 000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為32 768[6]，每次測量的時(shí)間為1分鐘，測點(diǎn)有6個(gè)，如圖1所示。具體測試過程如下：

1）將消聲器排氣口與風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口安裝固定好，消聲器進(jìn)氣口通向大氣；

2）風(fēng)機(jī)閥門處于全開位置，在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；

3）利用噪聲測量系統(tǒng)對圖1所示的消聲器的6個(gè)位置進(jìn)行噪聲測量，記錄時(shí)間—聲壓數(shù)據(jù)[7]；

4）利用快速傅里葉變換[8]，對時(shí)間—聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行倍頻程分析，算出總聲壓級。

為了準(zhǔn)確分析風(fēng)機(jī)的頻率范圍，在0～20 000Hz范圍內(nèi)取11個(gè)頻率值進(jìn)行倍頻程分析[9]。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)機(jī)進(jìn)氣端無消聲器的聲級特征

在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口端沒有安裝消聲器的情況下，應(yīng)用噪聲測量分析系統(tǒng)分別對6個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行噪聲測量，計(jì)算出6個(gè)測量點(diǎn)處噪聲的倍頻程圖和總聲級。

圖2表明了風(fēng)機(jī)在沒有安裝消聲器的情況下不同測量點(diǎn)的噪聲特性。隨著測量點(diǎn)距風(fēng)機(jī)距離的逐漸增大，各個(gè)頻率的聲壓級逐漸減小。不同測量點(diǎn)處的聲壓級都隨頻率的增加先增加而后減??；當(dāng)頻率約為500Hz時(shí)，聲壓達(dá)到峰值，約為95dB(A)。風(fēng)機(jī)噪聲主要分布在中高頻，其中頻率范圍在250～8 000Hz的聲能約占總聲能的72%。

圖2 無消聲器的風(fēng)機(jī)分別在6個(gè)測量點(diǎn)處的倍頻程圖Fig.2 The octave of fan without muffler at six points

圖3表明，在無消聲器的情況下，從點(diǎn)1到點(diǎn)4的總聲級呈線性下降，下降幅度為2.28dB(A)/m；而點(diǎn)4到點(diǎn)6線性下降幅度有所下降，下降幅度約為0.98dB(A)/m。

圖3 無消聲器的風(fēng)機(jī)分別在6個(gè)測量點(diǎn)處的總聲級圖Fig.3 The total sound level of fan without muffler at six points

3.2 消聲器共振分析

消聲器為柱狀殼體結(jié)構(gòu)，殼體選用鋼板，厚度為4mm，材料為Q235牌號鋼，密度為7 800kg/m3，泊松比為0.27，彈性模量為210GPa[10]。利用有限元軟件ANSYS對消聲器進(jìn)行模態(tài)分析。

ANSYS包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映象劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。本次采用自由劃分網(wǎng)格的方法，得到消聲器網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 消聲器網(wǎng)格劃分圖Fig.4 The grid of the muffler

在計(jì)算過程中，模態(tài)提取方法為縮減法[11]，模態(tài)數(shù)為10，模態(tài)的最小頻率為0Hz，最大頻率為10000Hz。求解后得到消聲器有限元模型的前10階模態(tài)頻率如表2所示。由圖2得出AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的峰值頻率是500Hz，而前10階消聲器的固有頻率范圍為0.163 24～21.068Hz，因此不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表2 消聲器的固有頻率表Tab.2 The inherant frequencies of the muffler

3.3 風(fēng)機(jī)進(jìn)口端有消聲器的聲級特征

圖5為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端分別安裝五種消聲器在點(diǎn)4處的噪聲倍頻程分析圖。安裝消聲器后，頻率范圍處在500Hz、1 000Hz、2 000Hz、4 000Hz時(shí)的聲壓級分別降低了大約5.27dB(A)、8.10dB(A)、8.77dB(A)、6.77dB(A)。此頻段的吸聲效果比較好，而在16Hz、31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz的低頻段聲壓級反而升高了18.64dB(A)、18.46dB(A)、4.44dB(A)、4.47dB(A)、1.50dB(A)。吸聲效果較差。這是因?yàn)閹r棉對中高頻噪聲有好的吸聲效果，而對低頻吸聲效果較差。

圖5 五種不同結(jié)構(gòu)消聲器在點(diǎn)4處的倍頻程分析圖Fig.5 The octave analysis of five different structural mufflers at point 4

圖6給出了表1列出的五種結(jié)構(gòu)消聲器分別在6個(gè)測量點(diǎn)處的噪聲總聲級。圖6表明，有前遮罩的消聲器比沒有前遮罩的消聲器在測量點(diǎn)4、測量點(diǎn)5和測量點(diǎn)6的總聲級分別大約下降了3.24dB(A)、3.78dB(A)、3.99dB(A)。因此，有前遮罩的消聲器比無前遮罩的消聲器的吸聲效果要好。這是因?yàn)槁暡ㄔ诠艿纻鞑サ倪^程中，如果管道橫截面積發(fā)生突變，聲波產(chǎn)生反射、干涉而衰減，降低了噪聲的聲壓級。

圖6 五種不同結(jié)構(gòu)消聲器分別在6個(gè)測量點(diǎn)的總聲級圖Fig.6 The total sound level of five different structural mufflers at six points

圖6還表明，當(dāng)采用第五種消聲器時(shí)，對風(fēng)機(jī)的降噪效果是最好的。此消聲器在第3、4、5和6測量點(diǎn)處比無消聲器時(shí)的總聲級分別降低了3.84dB(A)、7.12dB (A)、8.27dB(A)和8.77dB(A)。但在測量點(diǎn)1的總聲級低于測量點(diǎn)2的總聲級；然后隨著測量點(diǎn)與風(fēng)機(jī)距離的逐漸增加，總聲級逐漸降低。這是因?yàn)闇y量點(diǎn)2位于消聲器的進(jìn)口端截面中心，此處進(jìn)氣口截面面積最小，且橫截面積發(fā)生突變，導(dǎo)致有限振幅無規(guī)聲波的反射疊加，使總聲級變大。采用此消聲器后，從圖5中得出風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率范圍為250～8 000Hz，此頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

圖7為風(fēng)機(jī)進(jìn)口端安裝吸聲效果最好的第五種消聲器在6個(gè)測量點(diǎn)的噪聲倍頻程。圖7表明，當(dāng)噪聲頻率處于0～125Hz時(shí)，隨著測量點(diǎn)從點(diǎn)1逐漸增加到點(diǎn)6的過程中，對應(yīng)的聲壓級逐漸降低；當(dāng)噪聲頻率處于250～500Hz時(shí)，測量點(diǎn)2處的風(fēng)機(jī)噪聲聲壓級最高，其它測量點(diǎn)隨著距離的增加聲壓級降低；當(dāng)噪聲頻率處于1 000～8 000時(shí)，距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口最近的測量點(diǎn)1處的對應(yīng)的聲壓級最低。

圖7 第五種消聲器在6個(gè)測量點(diǎn)處的倍頻程圖Fig.7 The fifth muffler’s octave at six points

4 結(jié)論

1）AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲頻率范圍為250～8 000Hz，此頻率范圍內(nèi)的聲能占總聲能的72%，頻率峰值為1 000Hz。

2）有前遮罩的阻性消聲器比無前遮罩的阻性消聲器的吸聲效果好。

3）巖棉對處在中高頻率段的噪聲有降噪作用，而對低頻和高頻段沒有降噪作用。

4）AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)的噪聲隨著測量點(diǎn)距風(fēng)機(jī)距離的逐漸增大，各個(gè)頻率的聲壓級逐漸減小。

5）有限元模態(tài)分析表明，在風(fēng)機(jī)安裝正常運(yùn)行時(shí)，柱狀殼體結(jié)構(gòu)消聲器前10階的固有頻率范圍為0.163 24～21.068Hz，因此不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

6）當(dāng)采用第5種消聲器時(shí)，對AY7-41N056A型離心式風(fēng)機(jī)降噪效果最好，在距離消聲器1米處，噪聲總聲級降低了約8.27dB(A)。此時(shí)風(fēng)機(jī)噪聲主要頻率范圍為250～8 000Hz，這個(gè)頻率范圍的聲能約占總聲能的66.2%。

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Analysis of a Muffler Matching Case for the AY7-41№56A Centrifugal Fan

Ji-tao Zhai1，2Yan Zhao2Hong Lei1，2
（1.Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials,Ministry of Education,Northeastern University 2.School of Material，Northeastern University）

In this paper the noise characteristic of the AY7-41No56A centrifugal fan is measured.The sound spectrum of the fan ranging from 250～8000Hz takes up 72%of the total sound pressure,and the sound peak frequency is 1000Hz.Five different mufflers are then used in the noise measurement setup and the octave characteristics and the total sound pressure level was analyzed.The result shows one of the the muffler with three vertical and horizontal plates of rock wool without front sound cover to be the best choice to reduce the fan noise.At a distance of 1 meter from the muffler,the total sound pressure level is reduced by about 8.27dB(A)while the sound energy is reduce to 66.2%of the total sound energy where the main noise frequency are in the range of 250～8000Hz.

centrifugal fan;noise;noise barrier;octave spectra;muffler;resonance

O422.8；TK05

：1006-8155-(2017)01-0071-05

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0009

國家自然科學(xué)基金和上海寶鋼集團(tuán)聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1460108)；遼寧省百千萬人才工程培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)（2013921073）和鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KF13-10)

2016-10-08 遼寧 沈陽 110819