基于近场声压法的离心泵噪声特性试验研究

叶学民，裴建军，李春曦，刘 兹

（1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，保定071003；2.华能邯峰电厂，邯郸056200）

泵在运行中往往伴随着振动和噪声，流场中的压力波动、不稳定的流动状态以及机械方面的不平衡、不对中等都会引起振动和噪声［1-3］.泵的振动和噪声不仅影响其运行效率和寿命，也给周围环境带来噪声污染.同时，泵的振动和噪声的强弱及频率特性也是泵运行中发生汽蚀和存在故障的重要因素［4］，因此对泵的振动和噪声进行监测和研究具有重要意义.

泵噪声的测量方法包括直接法和间接法.直接法是通过在泵内设置水听器或在泵体外采用近场声压法直接测量离心泵的噪声.间接法是通过测量泵内固体表面的压力间接计算得出固体界面的辐射噪声［2］.袁寿其等［4］利用高频压力传感器和水听器分别采集离心泵出口脉动压力和流动噪声信号，通过时频域和自功率谱分析表明：各工况下，压力脉动和流动噪声的主频也是叶片通过频率.但压力传感器或水听器等深入泵体内部的传感器可能引起泵本体的振动［5］.而采用噪声计测量泵体周围的噪声信号（即用近场声压法测量泵组噪声）则无需在泵壳上打孔安装传感器，不会引起额外振动，具有简便易行和造价低廉的优点，特别适合应用于各类中小型泵.Cudina［5-7］使用麦克风和装有声卡的计算机测量了三台不同形式、不同材质的泵在汽蚀发生前后的噪声，通过频谱分析发现，汽蚀发生时每台泵均有一特定频率对应的声压级发生显著提高，其最大值比正常运行状态下的相应值高出近20dB，使得该方法在环境噪声比较显著时仍能得出汽蚀识别和诊断的正确结果.吴卫东［8］同样采用近场声压法采集泵的噪声信号，通过小波分析法成功地检测到初生汽蚀的噪声特征，为泵汽蚀的检测提供了新的手段.

综上所述，目前有关全流量范围内正常运行工况下泵噪声特性特别是其频率特性方面的研究较少，而这方面研究对于减轻泵站运行带来的噪声污染具有重要意义.另外，在汽蚀工况下，泵的汽蚀特征频率与泵结构形式间的关系也有待进一步的试验验证.因此，笔者利用近场声压法对IS65-50-160A型离心泵进行不同流量下的噪声特性试验，在此基础上，对恒流量情形下汽蚀发生前后的泵噪声声压级和频率进行测量，探讨汽蚀和入口吸入空气对泵噪声性能的影响.

1 试验装置及过程

离心泵性能试验台为开式系统，布置如图1所示.泵将吸水池2中的水吸入管路9，经压水管路13排入水箱14.在吸水管路和压水管路上均装有阀门.水泵入口真空值、出口压强值、涡轮流量计所测流量值以及转矩转速仪测得的转速和扭矩值均经相应传感器送入数据采集系统.噪声的声压级和频率由声级计记录，噪声测点依据JB／T 8098—1999《泵的噪声测量与评价方法》选取，试验室环境非常安静，因此不必考虑背景噪声对测得的噪声值的影响.试验所用仪表及精度见表1.

图1 离心泵性能试验装置图Fig.1 Experimental setup for performance test of centrifugal pump

表1 试验所用仪表及精度Tab.1 Precision of instruments used in performance tests

试验台所用离心泵型号为IS65-50-160A，叶轮名义直径为160mm，叶片数为6个.该泵广泛应用于工农业生产、城市排水及消防等场合.离心泵设计参数见表2.

表2 离心泵设计参数Tab.2 Design parameters of the centrifugal pump

2 不同流量下的噪声特性

首先对泵在不同流量下的噪声进行了测定，同时由于噪声与泵的水力性能密切相关，也测定了泵的扬程和效率等水力性能参数.试验过程中保持泵吸水管路上的阀门开度不变，调节压水管路上的阀门开度，得到不同流量下A 声级、泵的扬程和效率与流量的关系曲线（见图2）.

图2 A 声级LA、扬程H 和泵效率η 与流量qV 的关系曲线Fig.2 Relation curves of LA，H andηwith qV

由图2可知，A 声级噪声最低值72.98dB出现在小流量区，对应流量为1.3m3／h，随着流量的增加，A 声级噪声先增大随后又急剧减小.在流量为15.8～20.4m3／h的范围内（图2中部的4个工况点），A 声级噪声达到第一个峰值，约为78dB.由流量为21.4m3／h开始（图2右数第4个工况点），A声级噪声则显著下降.当流量为22.57 m3／h 和23.46m3／h时（图2右数第3和第2个工况点），A声级噪声降至较低值，为74.2dB和74.02dB.此后A 声级噪声又开始增大，当流量为24.46m3／h时，A 声级噪声达到第二个峰值77.48dB，较流量为23.46m3／h时增加约3.5dB.结合图2中泵效率曲线可知，A 声级噪声在第一个峰值附近的工况点均位于高效率区，流量18.8m3／h时为最佳泵效率点，对应泵效率为56.58%.

观察图2中扬程与流量的关系可知，随流量增加，泵的扬程逐渐下降，特别是图中最右侧2个工况点，流量仅增加1m3／h，但扬程却从23.88m 下降到17.33 m，下降幅度为27%，同时泵效率也从53.4%迅速降至40.7%.考虑到这2个工况位于大流量区，扬程和效率的显著下降及噪声的急剧增加可能是泵内发生汽蚀所致，为此图3给出了该泵的A 声级与有效汽蚀余量NPSHa的关系.由图3可知，流量 为23.46 m3／h 和24.46 m3／h的工况点，其NPSHa值已低于该泵的必须汽蚀余量（见表2），因此可确定泵内确实已经发生严重汽蚀.

图3 A 声级LA 与有效汽蚀余量NPSHa的关系曲线Fig.3 Relation curve of LA with NPSHa

以上试验结果表明，当流量小于20.4m3／h时，泵内未发生汽蚀，泵的A 声级噪声随流量增加而增大，且在高效率区达到最大值.袁寿其等［4］观察到类似现象，并给出产生该现象的原因：在小流量下，A声级噪声主要为水动力噪声，可近似认为是由压力脉动引起的；当流量变大时，其流场的流态相对于小流量时更不稳定，泵压力脉动变化加剧；在高效率区时，由于接近最佳效率点，流场变化趋于稳定，泵压力脉动达到最大值.而在流量分别为21.4 m3／h、22.57m3／h和23.46m3／h等工况点时，有效汽蚀余量与必须汽蚀余量之差很小，仅为1 m 左右，由于泵内流场很不稳定，此时泵内局部区域可能已经发生了轻微汽蚀，有少量气泡生成并相互撞击、内裂，引起气液两相流动，噪声能量被两相流削弱和吸收，从而引起A 声级噪声明显下降.当发生深度汽蚀后，叶轮流道被气泡严重“阻塞”，泵内空化程度加剧，湍流、二次流及涡流等不稳定流动使得气泡生成和溃灭加速，紊流噪声迅速增大，导致A 声级噪声急剧增加.

3 噪声的频率特性

为进一步研究离心泵噪声的频率特性，利用声级计测定了不同流量下噪声的频谱，得到不同频率下声压级与流量的关系（图4）和不同流量下声压级与频率的关系（图5）.

图4 不同频率f 下声压级Lp-流量qV 曲线Fig.4 Lp-qVcurves at different frequencies

图5 不同流量qV 下声压级Lp-频率f 曲线Fig.5 Lp-fcurves at different flow rates

由图4可知，在31.5～500 Hz的低频区，随流量增加，泵的声压级变化并未呈现出明显的规律；其中，频率为31.5Hz和63 Hz的极低频声压级始终在50～58dB 内上下波动，而该泵的总噪声水平为72dB以上，因此这两个极低频率对总噪声水平贡献不大.而在1 000～8 000Hz的高频区，泵声压级随流量增加呈现先增后降的趋势，与A 声级噪声的变化趋势基本一致.特别是频率为1 000 Hz 和2 000Hz的2条声压级曲线（其中频率为1 000 Hz的曲线最显著），在流量小于15m3／h的区域，与其他频率相比声压级并无明显优势，而在流量大于15 m3／h的区域，其声压级显著高于其他频率相应流量下的数值，并随流量增加逐渐增强直至达到峰值；在汽蚀初生时，1 000Hz和2 000Hz对应的声压级急剧下降，汽蚀严重发生后，噪声又显著提高.由此可知，变流量工况下，与汽蚀相关的噪声属于高频信号，这与文献［8］中的试验结果吻合.

由图5可知，随频率增加，各流量下的声压级均呈现逐渐上升的趋势，绝大多数流量下的声压级在250Hz和1 000Hz时出现峰值.已有研究表明［2］，泵噪声的形成有机械结构方面的原因，其噪声峰值常为转速的倍数；也有水动力学方面的原因，其频率既包含宽频成分，也包含与叶片通过频率相关的成分.为此，计算试验用泵的叶片通过频率

式中：n为泵转速，n＝2 900r／min；z为叶片数，z＝6；i为谐波序号，i＝1，2，3，…….

由式（1）可知，该泵叶片通过频率的基频（i＝1时）为290Hz，与试验得到的250Hz处的泵噪声峰值相吻合，试验中1 000Hz处的泵噪声峰值与i＝3时的高次谐波比较接近.

4 汽蚀试验中的噪声特性

泵噪声不仅与流量有关，还与是否发生汽蚀有关.为单独分析汽蚀对噪声的影响，需保持流量恒定，使流动从无汽蚀状态逐渐过渡到严重汽蚀状态，同时对汽蚀试验中的噪声进行测量.试验中，通过关小泵入口阀门提高入口真空值，使泵发生汽蚀，同时相应开大出口阀门使泵流量保持不变.图6和图7分别给出了流量为17.02m3／h和21.01m3／h时的噪声频谱曲线.

由图6和图7可以看出，汽蚀发生前，泵扬程和A 声级噪声基本保持稳定值；在汽蚀完全发生后，泵扬程急剧下降，同时A 声级噪声也下降约3dB.这是因为试验中泵入口真空度过高，由吸水池液面吸入少量空气，缓冲了汽蚀导致的气泡内裂，从而吸收和抑制了压力脉动能量向外界的传播，导致声压级下降［9-10］.同时，试验中也观察到泵入口真空较高时，吸水池液面上的大量漩涡等不稳定流动现象，因此本试验中并未观察到汽蚀导致A 声级噪声升高的现象.

根据ISO 9906—1999规定，在保持恒定流量条件下，扬程下降达到3%时的汽蚀余量值为临界汽蚀余量NPSHr，如图6和图7中所标工况所示，对应的NPSHa为1.68m 和1.34m；另外美国电力研究所认为，汽蚀开始时零扬程降对应的NPSH约为3%扬程降下NPSH的1.5倍［11］，因此图6和图7中汽蚀开始时的汽蚀余量约为2.5m 和2.0m，即图6和图7中右数第3个工况点左侧的所有工况均为汽蚀已经发生的状态.观察这些汽蚀状态工况点对应的噪声变化可知，随汽蚀余量减小，部分频率下噪声存在先升后降的现象，如图6中250 Hz、500 Hz和1 000 Hz，图7中250Hz；部分频率下噪声存在先略降后升高再降低的现象，如图6中的31.5 Hz、63 Hz和2 000Hz，图7中的31.5Hz和1 000Hz，这些频率下的噪声变化与典型汽蚀状态下的声压级变化相吻合［12］，有研究者认为汽蚀噪声存在极值是因为汽蚀噪声的强度取决于空泡产生的数量和空泡溃灭速度这2个因素［13］.当流速不变时，随泵入口真空的提高，一方面空泡数增加使得噪声增强，另一方面，空泡溃灭的速度相应降低，使得汽蚀噪声强度减弱.在这2个因素的相互影响下，汽蚀噪声出现了上述变化规律.而部分频率下在汽蚀并不严重时声压级略降低的现象可能是由于吸入空气的影响，吸入的空气在入口管道中以气泡形式存在，在泵叶轮入口由于真空提高，因而气泡长大，经叶轮做功后，这些气泡并未溃灭而是体积略微缩小后仍以气泡形式随水流流出，在吸入空气量较少时，空气泡缓冲了汽蚀导致的气泡内裂，使该频率下的声压级略降低.另外还注意到，还有一些频率下（如图6和图7中的4 000 Hz和8 000Hz）的声压级随汽蚀余量降低整体表现为下降的趋势，当上述汽蚀导致部分频率声压级出现峰值时，这些频率下的声压级位于最小值或接近最小值，使得此时泵的A 声级噪声较低.

图6 流量qV＝17.02m3／h时噪声频谱曲线Fig.6 Noise spectrum curve at qV＝17.02m3／h

图7 流量qV＝21.01m3／h时的噪声频谱曲线Fig.7 Noise spectrum curve at qV＝21.01m3／h

Cudina基于安装于闭式系统泵的噪声试验结果表明［5-7］，总有某个频率下的声压级在汽蚀发生后升高最明显，与未发生汽蚀时的声压级相比，该频率下峰值噪声可升高近20dB，并且该特征频率随叶轮开闭形式与泵的类型而发生变化，可能为几百赫兹，也可能为几千赫兹.在图6和图7中，发生汽蚀后声压级存在峰值，且在250Hz下声压级比汽蚀前显著升高.由图6可知，当流量为17.02 m3／h 时，250Hz频率下的声压级随汽蚀余量减小整体呈升高趋势，汽蚀后的噪声峰值比汽蚀前升高了16.4 dB.由图7可知，当流量为21.01 m3／h 时，250 Hz频率下的声压级在汽蚀前基本保持平稳，汽蚀后的噪声峰值比汽蚀前升高了5.9dB.因此可知，250 Hz为本试验用泵的汽蚀特征频率.本试验用泵的比转速与Cudina所进行试验［5］中的闭式叶轮离心泵比转速十分接近，叶片数均为6个，转速均为2 900 r／min，因此本试验用泵的叶片通过频率与文献［5］中相同，所得汽蚀特征频率也较为接近（Cudina所得特征频率为147 Hz），均低于泵叶片通过频率的基频，这或许表明低比转速下具有闭式叶轮泵的特征频率均分布在低频区.而本研究中，变流量工况下受汽蚀影响显著的声压级所对应高频分别为1 000 Hz和2 000Hz，但只有2 000 Hz的声压级曲线在流量为17.02m3／h时（图6），汽蚀发生后声压级峰值较未发生汽蚀时增加约2.4dB，其余情形下声压级在汽蚀发生后甚至略有下降，表明这些高频信号在大流量区噪声显著提高不仅与汽蚀有关，还与流量增大有关.

5 结 论

（1）在汽蚀发生前，泵的A 声级噪声随流量增加而增大，并在高效率区达到最大值.当泵内汽蚀初生时，A 声级噪声出现显著下降现象，当泵内汽蚀完全发生后，随流量增加，噪声则显著提高.

（2）在变流量情形下，以1 000 Hz和2 000 Hz为代表的高频声压级对整体A 声级噪声的形成贡献较大，其变化与泵的整体A 声级噪声变化一致；各流量下的声压级均呈现随频率增加而逐渐上升的趋势，大多数流量下的声压级分别在250 Hz 和1 000Hz时出现峰值，这2个噪声峰值频率均与叶片通过频率相关.

（3）在恒流量情形下，汽蚀发生前，A 声级噪声几乎不变，汽蚀发生后，受泵入口吸入空气影响，A声级噪声显著下降；250Hz为本试验用泵的汽蚀特征频率，发生汽蚀后该频率下的声压级存在峰值且比汽蚀前升高了5.9～16.4dB.

［1］肖汉才，张国忠.运用频谱分析诊断汽轮机调速泵组的振动［J］.动力工程，2001，21（1）：1059-1061.XIAO Hancai，ZHANG Guozhong.Analysis and diagnose for vibration of freed water pump for 200 MW steam turbine by using spectra-frequency［J］.Power Engineering，2001，21（1）：1059-1061.

［2］蒋爱华，张志谊，章艺，等.离心泵噪声研究的综述和展望［J］.振动与冲击，2011，30（2）：77-84.JIANG Aihua，ZHANG Zhiyi，ZHANG Yi，etal.Review and outlook of studying on noise of centrifugal pumps［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30（2）：77-84.

［3］马群南，吴仁荣，徐琼琰，等.吸入压力对泵振动和噪声的影响［J］.水泵技术，2005（2）：34-38.MA Qunnan，WU Renrong，XU Qiongyan，etal.The influence of suction pressure for pump vibration and noise［J］.Pump Technology，2005（2）：34-38.

［4］袁寿其，薛菲，袁建平，等.离心泵压力脉动对流动噪声影响的试验研究［J］.排灌机械，2009，27（5）：287-290.YUAN Shouqi，XUE Fei，YUAN Jianping，etal.Experimental study on impact of pressure fluctuation on flow-noise in centrifugal pump［J］.Drainage and Irrigation Machine，2009，27（5）：287-290.

［5］CUDINA M，PREZELJ J.Detection of cavitation in situ operation of kinetic pumps：effect of cavitation on the characteristic discrete frequency component［J］.Applied Acoustics，2009，70（9）：1175-1182.

［6］CUDINA M，PREZELJ J.Use of audible sound for safe operation of kinetic pumps［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2008，50（9）：1335-1343.

［7］CUDINA M，PREZELJ J.Detection of cavitation in operation of kinetic pumps：use of discrete frequency tone in audible spectra［J］.Applied Acoustics，2009，70（4）：540-546.

［8］吴卫国.小波分析在泵的汽蚀初生诊断中的应用［J］.水泵技术，2003（4）：42-45.WU Weiguo.Application of wavelet analysis in diagnose of pump inception cavitation［J］.Pump Technology，2003（4）：42-45.

［9］PANDIT A B，NIRANJAN K，DAVIDSON J F.Pump-stirred aerator［J］.Chemical Engineering Science，1991，46（9）：2293-2301.

［10］ALLAN R B.Impact of cavitation，air on centrifugal pump performance［J］.Water World，2009，25（6）：35-36.

［11］牟介刚，张生昌，邓鸿英，等.离心泵汽蚀判据的研究［J］.农业机械学报，2006，37（9）：97-99.MOU Jiegang，ZHANG Shengchang，DENG Hongying，etal.Research and discussion of cavitation criterion of centrifugal pump［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2006，37（9）：97-99.

［12］段向阳，王永生，苏永生，等.基于声压测量的离心泵空化监测［J］.兵工学报，2010，31（9）：1268-1273.DUAN Xiangyang，WANG Yongsheng，SU Yongsheng，etal.Cavitation monitoring in centrifugal pump based on sound pressure measurement［J］.Acta Armamentarii，2010，31（9）：1268-1273.

［13］黄景泉，龚光寅，武延祥，等.空化噪声的实验研究［J］.水动力学研究与进展，1988，3（4）：8-15.HUANG Jingquan，GONG Guangyin，WU Yanxiang，etal.Experimental investigations of cavitation noise［J］.Journal of Hydrodynamics，1988，3（4）：8-15.