典型轴流对转风机噪声测量与实验研究*

2019-06-18王良锋杨党国

风机技术 2019年2期

杨野王良锋杨党国

（1.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室；2.中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所)

0 引言

轴流对转风机广泛用于使用空间小又需要强烈通风的场合[1]。以往风机的设计主要关注其效率、成本和寿命，随着人们环保意识的加强，以及国家噪声排放标准的实行，噪声成为在风机设计过程中必须考虑的一个重要技术因素[2]。国内外对风机噪声的研究主要是集中在传统风机噪声的产生机制[3]、预测方法[6]以及噪声控制方面[8]，而关于轴流对转风机的噪声问题研究的还很少。

相比于传统风机而言，轴流对转风机由于存在相邻但转向相反的两排转子叶片，因此会产生强烈的转/转干涉，引起显著的单音噪声。另外，转子叶片也会与前后支板产生转/静干涉与静/转干涉[9]，形成额外的噪声源。文献[12]表明由叶片产生的气动噪声占主导地位。但是测量方法、测试精度和分析方法有待进一步完善。

用于轴流对转风机噪声实验测量的方法有两种：管道内声场测量和自由场声场测量[13]。管道内声场测量主要是测量风机噪声在管道内的声场结构，包括声模态识别和管道内声场强度[17]，可以用于指导消声段的设计[20]。

自由场声场测量是将传声器放置在风机外部，按照测量目的布置相应的传声器阵列，可以直观地给出风机噪声的辐射特性和远场频谱特征，该方法也是确定风机噪声强度的常用测量方法[23]。

1 研究对象

针对某典型轴流对转风机噪声的频谱特征、指向性特征以及进出口声源分布特性，使用高精度BSWA MPA401型号1/4英寸预极化自由场传声器，在自由场内用半圆形传声器阵列和非均匀分布的线性传声器阵列进行实验测量分析，为掌握涉及转/转干涉的轴流对转风机噪声产生机理、探索其噪声控制技术等提供技术支持。

主要设计参数如表1所示。单音噪声频率与转速和叶片数密切相关，第一级转子叶片数为16，设计转速为50r/s；第二级转子叶片数为15，设计转速为50r/s。

图1给出了该对转风机的示意图。第一级转子前面有沿周向均匀分布的四个支板，由于内置电动机接线的要求，其中两个支板使用直径较大的圆管结构代替；第二级转子后面有沿周向均匀分布的四个支板，同样地，由于内置电动机接线的要求，其中两个支板使用直径较大的圆管结构代替。这样的支板结构会导致支板尾迹沿周向非均匀分布，使得转静干涉产生的模态阶数发生变化，最终引起单音噪声在管道内的传播特征发生变化。

图1 对转风机示意图Fig.1 Schematic diagram of the counter-rotating fan

表1 对转风机主要设计参数Tab.1 Main design parameters of the counter-rotating fan

对转风机的单音噪声产生机制主要分为两种：两级转子和前后支板的转/静干涉和静/转干涉；两级转子的转/转干涉。两级转子由转/静干涉或静/转干涉产生的噪声频率为叶片通过频率（Blade Passing Frequency，简称为BPF）及其高次谐波。转子叶片通过频率（基频）及其高次谐波计算公式是：

式中,n1=1,2,3,…，为第一级转子BPF谐波的阶次数；n2=1,2,3,…，为第二级转子BPF谐波的阶次数。

两级转子由于对转（转/转干涉）引起的单音噪声频率计算公式可以写成[24]：

表2列出了n1=1,2,3和n2=1,2,3时对转风机在设计转速下的各个单音噪声频率。

2 实验装置和方法

实验在35m×40m的空地上进行，周围无遮蔽物，无其他声源，满足自由声场测量条件。实验装置分3个部分，分别是轴流对转风机、传声器阵列和数据采集系统。采用的传声器为BSWA MPA401型号1/4英寸预极化自由场传声器，该传声器在自由声场中的有效测量频率范围为20Hz至20kHz，允许测量的最大声压级是168dB，工作温度范围为-50℃至+110℃。数据采集系统为Müeller BBM MKⅡ，最大可同步采集32路传声器信号，最大采样频率可达102.4kHz，通过以太网与移动计算机相连。

表2 对转风机设计转速下包含的单音噪声频率Tab.2 The tone noise frequency included in the design speed of the counter-rotating fan

实验中，测量远场噪声频谱特性和指向性特征的半圆形传声器阵列示意图如图2所示。在35m×40m的空地中央，从风机进口到风机出口，以风机轴线中点为圆心，半径为15m的半圆上，以10°为间隔，均匀布置了19个传声器。

图2 远场噪声频谱和指向性测量示意图Fig.2 Schematic diagram of far-field noise spectrum and directivity measurement

另外，风机的噪声主要通过风机进口管道和出口管道向外辐射，因此还利用传声器阵列测量技术[7-9]，将传声器重新布置为线性传声器阵列，利用波束成形方法把风机向进口和出口辐射的噪声分离出来，获得风机进出口噪声的声源与辐射特征。如图3所示，风机在35m×40m的空地中央，风机中心距地面高度约为1.44m，风机长度为2.38m，即风机进口和出口这两个主要噪声源位置的轴向距离为2.38m。线性传声器阵列是由32个传声器组成，沿直线排布，与风机轴线在地面的投影平行，阵列与投影相距10m。该阵列为非均匀分布的线阵列，几何特点为中间间距大两端间距小，据风机的尺寸，设计要求阵列的分辨率小于2m。实际达到的分辨率为1m，满足要求，能够分离出进口和出口噪声源。

图3 风机进出口管道声辐射测量示意图Fig.3 Schematic diagram of acoustic radiation measurement of the inlet and outlet pipes of the fan

实验中，传声器的采样频率为32 768Hz，信号采集时间为7s。采集完数据后，对时域信号进行快速傅里叶变换[5]，数据点个数为16 384，平均次数为25次，频率间隔是2Hz。

3 结果与分析

利用上述实验方案，可以实现对该轴流对转风机远场噪声频谱特性、噪声指向性特性和进出口噪声源分布特性的实验测量。对这些测量结果进行分析，并根据测量结果给出相应的降噪措施。

3.1 远场噪声频谱特性

图4、图5分别给出了靠近进口的Mic#1号传声器、靠近出口的Mic#16号传声器测量得到的窄带噪声频谱，横坐标为频率，纵坐标为声压级。

图4 Mic#1号传声器频谱图Fig.4 Mic#1 microphone spectrum

图5 Mic#16号传声器频谱图Fig.5 Mic#16 microphone spectrum

从图4、图5的窄带频谱图中可以看出，不论是风机进口还是出口，其主要的单音噪声频率都为792.2Hz，1 540.4Hz，1 584.4Hz，2 380.6Hz，3 172.8Hz和3 965Hz。

第一级转子和第二级转子的设计转速均为3000r/min，但实测第一级转速为2 970r/min，第二级转子转速为2 992r/min。由式(1)和式(2)可得，第一级转子的1BPF为792Hz，两级转子对转产生的单音噪声频率为1 540Hz；频谱图中分别792.2Hz和1 540.4Hz。考虑到转速测量的误差与傅里叶变换对频率造成的误差，上述结果说明通过实际转速计算的单音噪声频率与实验测得单音噪声频率是一致的。其余单音噪声频率也与之类似，这验证了转速和噪声测量结果的正确性。

图4、图5中主要单音噪声频率与表2对照可知，792.2Hz是第一级转子的1BPF，1 540Hz是两级转子转/转干涉引起的单音噪声基频，1 584.4Hz是第一级转子的2BPF，2 380.6Hz是第一级转子的3BPF，3 172.8Hz是第一级转子的4BPF，3 965Hz是第一级转子的5BPF。由此可以看出：第一级转子基频及其谐波和两级转子对转的基频是对转风机单音噪声的主要频率。结合其产生机理，说明第一级转子与前后支板干涉和两级转子之间转/转干涉是对转风机主要单音噪声源。

另外，从图4中可以看到，第一级转子的3BPF-2380.6Hz对应的声压级显著大于第一级转子的1BPF-792.2Hz对应的声压级；从图5中可以看到，第一级转子的4BPF-3 172.8Hz对应的声压级显著大于第一级转子的1BPF-792.2Hz对应的声压级。之所以进出口方向都出现高次谐波声压级大于其基频声压级的现象，是由于风机进出口管道壁面都安装了穿孔板，对800Hz附近的声波具有消声作用。

从图4和图5中可见，第一级转子的各阶BPF分别为792.Hz、1 584.4Hz、2 380.6Hz；第二级转子的各阶BPF可由式(2)得到，分别为 748Hz，1 496Hz，2 244Hz。第一级转子各阶BPF的声压级都显著大于其相邻的第二级转子各阶BPF的声压级。从单音噪声产生机理来看，第一级转子各阶BPF主要由于第一级转子和前后支板干涉产生。第二级转子各阶BPF主要由于第二级转子和前后支板干涉产生。这表明第一级转子和前后支板干涉对单音噪声的贡献相对第二级转子和前后支板干涉的贡献更大。

根据上述分析可知，如果要对该风机进行进一步降噪，重点要针对第一级转子和前后支板的静/转干涉和转/静干涉，与两级转子转/转干涉产生的单音噪声。可以采用针对转/转干涉噪声基频安装穿孔板、声衬等装置；优化上游支板设计，削弱上游支板尾迹，进而削弱其和第一级转子的静/转干涉等方法来降噪。

3.2 远场噪声指向性特性

图6给出了风机的噪声指向性图，极坐标系中的极径为声压级，极角为与风机轴线进口方向所成的角度。总声压级计算的频率范围是0～10kHz，进口方向的Mic#1号传声器位置为0°，出口方向的Mic#19号传声器位置为180°。从图中可以看出，在从进口到出口，传声器测得的声压级变化趋势为先减小，后增大。其中与进口夹角成0°～30°范围内的Mic#1、Mic#2、Mic#3、Mic#4号传声器测得的声压级分别为91dB、90dB、86dB、82dB；与进口夹角成60°～120°范围内的Mic#7、Mic#8、Mic#9、Mic#10、Mic#11、Mic#12、Mic#13号传声器测得的声压级分别为75dB、75dB、74dB、75dB、74dB、74dB、75dB；与进口夹角成150°～180°范围内的Mic#16、Mic#17、Mic#18、Mic#19号传声器测得的声压级分别为80dB、80dB、78dB、86dB。

图6 风机噪声指向性特性Fig.6 Noise directivity characteristics of the fan

从上述数据可知，进口方向噪声声压级为Mic#1号传声器所测得的91dB；垂直于轴线中点方向的噪声声压级为Mic#10号传声器所测得的75dB；由于Mic#19号传声器测得的数据受出口气流影响有突变，取Mic#18号传声器为出口方向噪声声压级，为78B。由此可以看出，进口方向的远场噪声声压级比出口方向的远场噪声声压级大13dB。声压级最低的位置出现在与风机轴线中点垂直的方位附近。如果要进一步降噪，应主要针对进口方向进行降噪处理，比如加长进口穿孔板的轴向长度。

3.3 进出口声源分布特性

图7给出了利用远场线性传声器阵列得到的风机进出口噪声源识别结果，进出口位置处的噪声源总声压级由三分之一倍频程的分析结果进行能量叠加后得到。图中横坐标表示风机轴线方向的长度，风机中心为原点，进口方向为负，出口方向为正；纵坐标表示总声压级。从图7中可以看出，风机进口噪声源位置在-1.25m处，实际测量的进口位置约为-1.2m，偏差约0.05m。出口噪声源位置在1.35m，实际测量的出口位置约为1.2m，偏差约0.15m，这是由于出口存在喷流剪切层，噪声经过该区域要产生折射的原因。另外，对比进口声源和出口声源可以看出，该轴流对转风机的进口位置总声压级比出口位置总声压级大3.5dB。虽然需要把所有测点的噪声能量结果叠加在进出口位置上，起到了平均的作用；并且叠加后的声源位置与在远场噪声测量中距离进出口15m的单个测点Mic#1、Mic#18位置不同，但两种测量方法均表明了进口总声压级显著大于出口总声压级的趋势。

图7 风机进出口噪声源识别结果Fig.7 Inlet and outlet noise source identification results of the fan

为了进一步了解其噪声源频谱特性，将32路传声器的测量数据通过波束成型方法聚焦至声源处，通过傅里叶分析后得到声源的噪声频谱特性。图8给出了该风机进出口位置的噪声频谱图，横坐标为频率，纵坐标为声压级。其中11BPF代表第一级转子的叶片通过频率（基频），12BPF代表其二次谐波；C1BPF代表两级转子由于转/转干涉产生的单音噪声基频；21BPF代表第二级转子的叶片通过频率（基频）。

从图8中红线可以看出，进口噪声源主要包括两部分：11BPF和C1BPF；其中11BPF为主要噪声源。而21BPF声压级远小于11BPF声压级，这与远场噪声测量中距离风机中心15m的Mic#1、Mic#16的频谱结果是一致的。从图8中黑线可以看出，出口噪声源包括三部分：11BPF、21BPF和C1BPF；其中C1BPF为主要噪声源。

图8 风机进出口噪声频谱特性Fig.8 Noise spectrum characteristics of fan inlet and outlet

对比红线与黑线可以发现，转/转干涉噪声基频C1BPF在进口比出口大10dB，两者的差异在于C1BPF向前、向后传播的差异。一方面，这是因为进口方向的传播管道要较出口方向短，在消声作用上，出口方向要比进口方向好；另一方面，出口噪声要经过喷流剪切层，一部分的能量被折射、反射掉了。另外，第一级转子基频11BPF在进口比出口大18dB，而第二级转子基频21BPF在进口比出口大1dB。除了上述影响进出口消声作用的因素之外，两者的差别主要在于11BPF向下游传播时要被第二级转子及下游支板等阻挡；21BPF向上游传播时要被第一级转子及上游支板等阻挡。由此可知，第一级转子基频噪声向下游传播时，第二级转子及下游支板等对其阻挡作用更加明显。