浅谈离心风机噪声

粘素环

（风力嘉风机（上海）有限公司，上海 201401）

随着国民经济的发展，环境问题已成为影响经济发展的关键性问题[1]，而噪声污染更是首要攻克的环境问题之一。噪声不仅会影响设备的可靠性，也会影响人们的舒适性，当噪声过大时甚至会危害人们的健康。离心风机作为通用机械已经越来越多的应用到国民经济的各个部门，随着环保意识的增强，人们对离心风机噪声的危害性也越来越重视，噪声也逐渐成为评判离心风机性能的一个重要指标[2]。研究离心风机噪声的产生原因和控制途径，对保护现场工人的身心健康及提高企业的经济效益等具有非常重要的意义。

1 离心风机的噪声

离心风机的噪声主要由气动噪声、机械噪声和电磁噪声组成。风机的主要噪声是气动噪声，它是介质在机壳内流动过程中，介质与介质或介质与风机部件之间相互作用而形成的。从产生机理上来说，气动噪声包括湍流噪声和旋转噪声。

介质流经风机机壳内部时，由于介质为粘性流体，会在近壁面处会形成边界层。当介质流动状态由层流转变为湍流时，边界层发生分离，形成尾迹涡。漩涡脱落会引起压力跳变，其与壁面相互作用会形成脉动压力。脉动压力的强度达到一定程度时，便向周围辐射噪声，这就是湍流噪声。由于边界层脱离和湍流脉动弹性很大，因此湍流噪声具有很宽的频率范围，也称宽频噪声[2]。

式中：fi为湍流噪声；Sr为斯特劳哈尔数；Sr=0.14~0.20，一般取0.185；w为气体与叶片相对速度；L为物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影；i为谐波序号。

旋转噪声又称离散频率噪声，一般存在于旋转机械中，如离心式风机、压缩机等。对于离心风机，旋转噪声是风机叶轮周期性击打风机内介质而形成的。在风机叶片通道出口处，沿圆周方向的压力与速度发生很大变化，当风机叶轮掠过较窄的机壳涡舌处时会出现周期性的压力和速度脉动，脉动产生的就是旋转噪声。

式中：f为旋转噪声；n为风机叶轮的转速（r/min)；z为叶片数；i为谐波序号 i=1，2，3…，i=1 为基频。

2 噪声的计量

2.1 声压级

当大气静止时，其压强称为当地大气压。声音是一种压力波，声音在空气中传播时，周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波。空气的疏密变化，使静止的大气中有的地方产生膨胀，有的地方产生压缩。膨胀的地方压强比原来小，压缩的地方压强比原来大。这种因声音传播而引起的大气压强变化称为声压。正常情况下，人耳可以听到的最小声压是2×10-5Pa，它是人耳的“听阈”。当声压达到20 Pa时，人耳听到后会疼痛不适，20 Pa是人耳的“痛阈”。实际生产生活中，人耳对声音大小的感受并不是线性的，与声压绝对值的大小不成比例，人耳对声音大小的感受同声压的对数近似成正比。为了更接近人耳的听觉特性，人们用对数来标度两个声音的声压之比，称其为声压级，用分贝（dB）表示。声压级Lp=20 lg P/P0，其中 P为声压（Pa），P0为基准声压 2 × 10-5Pa.在评价一种声音的大小时，要考虑到人们对响度的主观感受，对不同频率进行适当的增减，这样测的声压级称为计权声级。常用的有A、B、C三种计权网络，其中A网络与人耳对不同声音频率的判别相似。经A网络计权测得的声压级为A声级，用dB（A）表示[1]。

2.2 声功率级

声功率为声源在单位时间内辐射的总能量。声功率是衡量噪声源能量输出大小的物理量。声压与很多外界因素有关，比如接收者距声源的距离、所处方向以及声源周围的声场条件等，而声功率表述的是能量，从而可以不受上述因素的影响。目前，可以直接测量声功率大小的仪器比较复杂，也比较昂贵，很少应用于实际的生产生活中。不过在某种条件下，工程师可以利用声压测量的数据来计算声功率的大小。声功率用级表示时称为声功率级，单位是dB.Lw=10 lg W/W0，其中W0=10-12W 为基准声功率，Lw为声功率级（dB）[1]。

2.3 倍频带及倍频带中心频率

人耳能听到的声音的频率范围是20Hz～20000Hz，高低音频率相差1 000倍。在实际的声音测量过程中，通常把20 Hz～20 000 Hz的频率变化范围划分为一些较小的段落，称为频带。设频带的上限频率为f1，下限频率为f2，△f=f2-f1就是频带宽度。用于噪声分析的滤波器只允许f2～f1之间的声音通过。为测量噪声而设计的滤波器有倍频带、1/2倍频带和1/3倍频带滤波器。离心风机噪声测量一般采用倍频带。对于倍频带，f2/f1=2，f0=，△f=f2-f1=0.707f0.离心风机噪声测量时倍频带中心频率依次是63Hz，125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz，8000Hz[1].

2.4 声压级与声功率级的关系

声音信号进入A计权网络后，低于1 000 Hz的声音按比例衰减通过，大于1 000 Hz的声音无衰减地通过。这种被A网络计权了的声压级称为A声级，表达式如下[3]：

式中：LPA为倍频带A声级；Lpi为倍频带声压级（dB）；ΔAi为不同频率的计数衰减值；i为 1、2、3、…，8 代表倍频带中心频率 63 Hz，125 Hz，250 Hz，500 Hz，1 000 Hz，2 000 Hz，4 000 Hz，8 000 Hz.

表1 不同频率的计权衰减值

声压级与声功率级的关系：

式中：LPA为被A网络计权的声压级，LWA为被A网络计权的声功率级，x为距离声源的距离（声源被看作一点），Q 为指向性因数，Q=1，2，3，4.

3 噪声的频谱特性

不同的风机存在不同的频谱，其频谱特性主要取决于风机的叶片数、转速和叶轮直径。当离心风机叶片数为10~12片，转速为1 450～2 900 r/min时，其基频都落在倍频带中心频率250～500 Hz范围内，主要频带为250 Hz～4 000 Hz；当转速为250～1 450 r/min时，其基频落在倍频带中心频率63～125 Hz范围内，主要频率范围为125 Hz～2 000 Hz.

频率f与波长λ之间的关系为fλ=a，a为声速（m/s）.当声速a一定时，频率越高，波长越短，反之，频率越低，波长越长。声音传播过程中，如果障碍物比波长大，声音就被反射或折射。低频成分占优势的噪声与强度相同主要由高频组成的噪声相比，不那么令人烦恼。由于高频振动波长较短，人自觉不自觉地确定声音传来的方向，而低频振动波长较长，波长比人两耳之间的距离大很多，不易产生方向上的效果。由公式（2）可知，当转速相同时，叶片数Z越少，频谱上的峰值移向低频，低频对人耳不显声，所以A声级降低。不过，高频比例大的噪声，用简单的消音器就可以使之降低，而低频占优势的噪声，要求的消音器成本较高。如果噪声中含有很低的频率成分，建筑物中就有出现共振的可能，叶片数少的离心风机在低速运转时就是这种情况。同时叶片数Z减少后，其气动性能靠加大叶片宽度来补偿，但是当叶轮直径比较大时，由于强度和刚度的限制不允许采用此方法。因此，为了正确使用离心风机，频谱知识和噪声级分贝数一样重要[3]。

4 风机从业者的注意事项

风机从业者应该努力掌握风机的结构、工作原理、性能特点及影响因素，从而可以根据不同运行工况，不同使用条件，设计选择出综合表现最优的风机。伴随人们对环保意识的提升，人们更倾向于在低噪音的环境中生活、学习、工作，因此低噪声成为考核风机的又一重要性能指标。为了得到低噪声风机，减小风机的气动噪声成为重中之重，在风机设计时可以从以下几个方面进行考虑：1）选择合适的叶片形式及叶片数；2）在工艺允许的情况下，选择旋压形式的进风口，以降低湍流噪声；3）为了降低旋转噪声，可以改变蜗舌的倾斜角度，通过错开蜗舌上脉冲气流的相位，使得蜗舌上的脉冲力减小；4）注意蜗舌间隙对旋转噪声的影响，蜗舌间隙小时，噪声高；蜗舌间隙大时，噪声下降；5）设计边界层自动吹气，改善叶片绕流情况。在风机生产时，为降低风机噪声，可以从以下几个方面进行考虑：①叶轮叶片表面喷涂多孔性能材料，以降低噪声；②采用双层蜗壳，内衬消音材料，可同时降低旋转噪声和湍流噪声；③在叶轮进出口加装湍流网，以减小湍流噪声。另外，工程师在选择风机型号时，尽量选择风机性能与管网特性相匹配的风机，此时风机运行在最佳工况点，产生的噪声也比较低；由于噪声与转速有关，对于同一款风机，低转速运行时的噪声低于高转速运行时的噪声；对同一系列的风机，风机尺寸越大，风量和风压越大，噪声也越大，因此不可选择过大的风机余量（大的机号），使得能源浪费，噪声增大。最后，与风机匹配的管路一定要设计合理，使得气流均匀，噪声降低[3-4]。

[1]李耀中，李东升.噪声控制技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]郑 欣.离心风机气动噪声模拟与降噪设计[D].西安：电子科技大学，2015.

[3]商景泰.通风机实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]续魁昌，王洪强，盖京方.风机手册[M].北京：机械工业出版社，2010.