AY7-41№56A型离心风机匹配消声器分析∗

翟继涛 赵 岩 雷 洪

（1.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室；2.东北大学冶金学院）

AY7-41№56A型离心风机匹配消声器分析∗

翟继涛1,2赵 岩2雷 洪1,2

（1.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室；2.东北大学冶金学院）

为了降低离心式风机的噪声，首先分析了AY7-41N056A型离心式风机的噪声特性，确定了风机的频率范围为250～8 000Hz时的声能占总声能的72%，且噪声的频率峰值为1 000Hz；接着采用有限元模态分析确定柱状壳体结构消声器不会产生共振现象；最后采用噪声测量系统对五种阻性消声器分别进行了倍频程分析和总声级比较，分析结果表明，当采用第五种消声器时，对AY7-41N056A型离心式风机降噪效果最好，在距离消声器1米处，噪声总声级降低了约8.27dB(A)。此时风机的主要噪声频率为250～8 000Hz，此频率范围的声能约占总声能的66.2%。

离心式风机；噪声；吸声板；倍频程；消声器；共振现象

0 引言

当今社会，噪声污染变得越来越严重，已经与气体污染，固体废弃物污染和水污染并列成为世界四大污染问题。噪声对人的危害很大，尤其对于长期作业在高强度噪声环境的工人，容易引起耳鸣。考虑到人们的身体健康，必须对工业噪声加以严格控制。

工业离心风机在正常运行中会产生高强度噪声，达到90dB以上，远高于国家规定噪声标准。离心式风机噪声主要由四部分组成：进气口和排气口的空气动力噪声；机壳、管路、电动机轴承等辐射的机械噪声；电动机的电磁噪声；气体和固体弹性系统相互作用产生的气固耦合噪声[1]。其中进排气口的空气动力性噪声最强。

目前，风机减噪的主要手段是在进排气端安装消声器来降低噪声。根据消声原理，消声器可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器。本文主要研究了阻性消声器[2]对AY7-41N056A型离心式风机降噪的影响，利用ANSYS对消声器进行了模态分析，并通过对阻性消声器内部吸声板结构的不同布置方法得出吸声效果最好的方案。

1 声音传播理论分析

对于消声器管道而言，可以把声音的传播看成一维平面声波，其波动方程为

平面声波的声压表达式为

声压级的符号用SPL表示，单位为dB，公式为

式中，pe为待测声压的有效值；pref=2×10-5Pa为参考声压。

2 实验方案分析

2.1 消声器结构

阻性消声器具有良好的中高频消声性能，对低频消声性能较差[3]。离心式风机噪声主要频率集中在中频段，所以适合采用阻性消声器进行风机消声。岩棉是一种很好的吸声材料[4]，具有质量轻、价格便宜、不燃、防蛀、热导率低、耐温达300℃～400℃、耐腐蚀、化学稳定性强、吸声性能好等特性[5]。该方案将阻性消声器安装在风机进口端来达到消声目的。具体而言，在消声器内壁铺设30mm厚的岩棉，所用的吸声板内部填充满岩棉。

通过对消声筒内吸声板布置方式的改造和布置数量的差异，设计出五种不同结构的消声器，如表1所示。

表1 不同结构的消声器表Tab.1 the different structure of mufflers

图1为风机进口端安装第五种消声器结构图，尺寸单位为mm。

图1 第五种消声器结构图Fig.1 The fifth muffler structure

2.2 风机噪声测试系统

实验采用的离心式风机型号为AY7-41N056A，流量9 500m3/h，电机功率22kW。噪声测量分析系统主要由MP201传声器、MA231前置放大器、MC302二进二出数据采集器和计算机测试软件组成。测量的频率范围：0～20 000Hz，采样点数为32 768[6]，每次测量的时间为1分钟，测点有6个，如图1所示。具体测试过程如下：

1）将消声器排气口与风机进气口安装固定好，消声器进气口通向大气；

2）风机阀门处于全开位置，在额定转速下运行；

3）利用噪声测量系统对图1所示的消声器的6个位置进行噪声测量，记录时间—声压数据[7]；

4）利用快速傅里叶变换[8]，对时间—声压数据进行倍频程分析，算出总声压级。

为了准确分析风机的频率范围，在0～20 000Hz范围内取11个频率值进行倍频程分析[9]。

3 结果分析

3.1 风机进气端无消声器的声级特征

在风机进气口端没有安装消声器的情况下，应用噪声测量分析系统分别对6个测量点进行噪声测量，计算出6个测量点处噪声的倍频程图和总声级。

图2表明了风机在没有安装消声器的情况下不同测量点的噪声特性。随着测量点距风机距离的逐渐增大，各个频率的声压级逐渐减小。不同测量点处的声压级都随频率的增加先增加而后减小；当频率约为500Hz时，声压达到峰值，约为95dB(A)。风机噪声主要分布在中高频，其中频率范围在250～8 000Hz的声能约占总声能的72%。

图2 无消声器的风机分别在6个测量点处的倍频程图Fig.2 The octave of fan without muffler at six points

图3表明，在无消声器的情况下，从点1到点4的总声级呈线性下降，下降幅度为2.28dB(A)/m；而点4到点6线性下降幅度有所下降，下降幅度约为0.98dB(A)/m。

图3 无消声器的风机分别在6个测量点处的总声级图Fig.3 The total sound level of fan without muffler at six points

3.2 消声器共振分析

消声器为柱状壳体结构，壳体选用钢板，厚度为4mm，材料为Q235牌号钢，密度为7 800kg/m3，泊松比为0.27，弹性模量为210GPa[10]。利用有限元软件ANSYS对消声器进行模态分析。

ANSYS包括四种网格划分方法：延伸划分、映象划分、自由划分和自适应划分。本次采用自由划分网格的方法，得到消声器网格如图4所示。

图4 消声器网格划分图Fig.4 The grid of the muffler

在计算过程中，模态提取方法为缩减法[11]，模态数为10，模态的最小频率为0Hz，最大频率为10000Hz。求解后得到消声器有限元模型的前10阶模态频率如表2所示。由图2得出AY7-41N056A型离心式风机的峰值频率是500Hz，而前10阶消声器的固有频率范围为0.163 24～21.068Hz，因此不会产生共振现象。

表2 消声器的固有频率表Tab.2 The inherant frequencies of the muffler

3.3 风机进口端有消声器的声级特征

图5为风机进口端分别安装五种消声器在点4处的噪声倍频程分析图。安装消声器后，频率范围处在500Hz、1 000Hz、2 000Hz、4 000Hz时的声压级分别降低了大约5.27dB(A)、8.10dB(A)、8.77dB(A)、6.77dB(A)。此频段的吸声效果比较好，而在16Hz、31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz的低频段声压级反而升高了18.64dB(A)、18.46dB(A)、4.44dB(A)、4.47dB(A)、1.50dB(A)。吸声效果较差。这是因为岩棉对中高频噪声有好的吸声效果，而对低频吸声效果较差。

图5 五种不同结构消声器在点4处的倍频程分析图Fig.5 The octave analysis of five different structural mufflers at point 4

图6给出了表1列出的五种结构消声器分别在6个测量点处的噪声总声级。图6表明，有前遮罩的消声器比没有前遮罩的消声器在测量点4、测量点5和测量点6的总声级分别大约下降了3.24dB(A)、3.78dB(A)、3.99dB(A)。因此，有前遮罩的消声器比无前遮罩的消声器的吸声效果要好。这是因为声波在管道传播的过程中，如果管道横截面积发生突变，声波产生反射、干涉而衰减，降低了噪声的声压级。

图6 五种不同结构消声器分别在6个测量点的总声级图Fig.6 The total sound level of five different structural mufflers at six points

图6还表明，当采用第五种消声器时，对风机的降噪效果是最好的。此消声器在第3、4、5和6测量点处比无消声器时的总声级分别降低了3.84dB(A)、7.12dB (A)、8.27dB(A)和8.77dB(A)。但在测量点1的总声级低于测量点2的总声级；然后随着测量点与风机距离的逐渐增加，总声级逐渐降低。这是因为测量点2位于消声器的进口端截面中心，此处进气口截面面积最小，且横截面积发生突变，导致有限振幅无规声波的反射叠加，使总声级变大。采用此消声器后，从图5中得出风机噪声主要频率范围为250～8 000Hz，此频率范围的声能约占总声能的66.2%。

图7为风机进口端安装吸声效果最好的第五种消声器在6个测量点的噪声倍频程。图7表明，当噪声频率处于0～125Hz时，随着测量点从点1逐渐增加到点6的过程中，对应的声压级逐渐降低；当噪声频率处于250～500Hz时，测量点2处的风机噪声声压级最高，其它测量点随着距离的增加声压级降低；当噪声频率处于1 000～8 000时，距离风机进口最近的测量点1处的对应的声压级最低。

图7 第五种消声器在6个测量点处的倍频程图Fig.7 The fifth muffler’s octave at six points

4 结论

1）AY7-41N056A型离心式风机的噪声频率范围为250～8 000Hz，此频率范围内的声能占总声能的72%，频率峰值为1 000Hz。

2）有前遮罩的阻性消声器比无前遮罩的阻性消声器的吸声效果好。

3）岩棉对处在中高频率段的噪声有降噪作用，而对低频和高频段没有降噪作用。

4）AY7-41N056A型离心式风机的噪声随着测量点距风机距离的逐渐增大，各个频率的声压级逐渐减小。

5）有限元模态分析表明，在风机安装正常运行时，柱状壳体结构消声器前10阶的固有频率范围为0.163 24～21.068Hz，因此不会产生共振现象。

6）当采用第5种消声器时，对AY7-41N056A型离心式风机降噪效果最好，在距离消声器1米处，噪声总声级降低了约8.27dB(A)。此时风机噪声主要频率范围为250～8 000Hz，这个频率范围的声能约占总声能的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

国家自然科学基金和上海宝钢集团联合资助项目(U1460108)；辽宁省百千万人才工程培养经费（2013921073）和钢铁冶金新技术国家重点实验室开放课题(KF13-10)

2016-10-08 辽宁 沈阳 110819