舰船显控台噪声分析及试验研究

赵金鹏

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

0 引 言

随着现代化技术的飞速发展，海军装备进行了新一轮的升级，对显控台等舰船电子装备的噪声性能要求越来越高[1-2]。显控台是舰船控制系统中重要的硬件平台设备，噪声限值是反映显控台工作性能的一项重要指标。为满足国军标对舰船电子设备噪声限值的要求，对显控台进行噪声源研究和噪声测试逐渐成为一项重要研究课题[3-5]。

本文从理论分析和试验研究两方面对某型显控台的整体噪声水平和主要噪声源进行分析研究，并对显控台的降噪治理提出建议。

1 舰船显控台噪声源分析

舰船电子设备显控台的噪声情况比较复杂，主要分为3 类：空气动力噪声、机械振动噪声和电磁噪声[6]。

空气动力噪声是指由流体流动过程中的相互作用或气体与固体介质之间的相互作用而产生的噪声，从噪声产生的机理看，空气动力噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成[7]，显控台的主要空气动力噪声源是风机。

旋转噪声是风机在运行时，旋转叶片周期性扰动周围空气质点，引起空气动力脉动而产生的噪声，这种周期性压力脉动由一个稳态的基频和一系列谐波分量叠加而成。这些脉动分量 f1可用下式表示：

式中：n 为风机转速，r/min；Z 为风机叶片数；k 为谐波分量，k=1，2，3……。

涡流噪声的形成过程如下：风机叶片在高速旋转时，周围空气在叶片后产生快速涡流，这些涡流由于粘滞力的作用会分裂成一系列小涡流，这些小涡流与涡流的分裂会导致空气产生扰动，形成压力波，从而形成涡流噪声[8]。涡流噪声是宽频连续噪声，涡流噪声的频率 f2可表示为：

式 中： St为斯脱罗哈尔数，一般St=0.14 ～0.20；v为气体与物体（叶片与其他障碍物）之间的相对速度；D为物体正表面宽度在垂直与速度平面上的投影；k 为谐波分量，k=1，2，3……。

机械振动噪声是指机械部件在撞击、摩擦、交变应力的作用下由于振动而产生的噪声。显控台除风机外，其余元器件、结构件都在静止状态下工作，产生的机械振动噪声并不多[9]。

电磁型噪声是由电磁场交替变化而引起某些机械部件或空间容积振动而产生的噪声，典型的有变压器和镇流器发出的噪声，与空气动力性噪声相比，电磁性噪声源较小。

某型显控台壳体背部装有2 台FP-108-1 型交流风机，显控台内部配置2 个加固机，每个加固机配置2 台4134型直流风机，风机配置及主要性能参数如表1 所示。

表1 某型显控台风机配置及主要性能参数Tab. 1 Configuration of a type of display console fan and main performance parameters

2 理论计算

由噪声源分析可知，显控台的主要噪声源是风机，当多个噪声源同时存在时，显控台的噪声总声压级可根据声压级叠加公式计算，即

其中， LPT为几个噪声源的总声压级； LPi为单个噪声源的声压级。

将表1 中显控台的风机配置代入公式计算：

由理论计算可知，理想状态下显控台的噪声总声压级叠加值为51.9 dB（A），噪声值比较突出，不能满足舰船设备噪声限制的要求。

3 显控台噪声试验

对显控台进行噪声试验可以对显控台的现有噪声水平进行摸底测试，根据现有噪声水平可检测其是否达到舰船设备噪声限制的要求，若不达标，可确定噪声控制目标，并依据现有技术水平提出合理的降噪措施和建议。

3.1 噪声试验方法

显控台的噪声试验选用某型显控台，风机主要布置在显控台内部和背部。试验设备选用B&K 音频分析仪和标准传感器4191，试验设备均经过标定并在有效期内。试验环境为室温25 ℃，相对湿度69%，大气压力101.3 kPa，试验背景噪声的声压级比被测设备运转时噪声的声压级低10 dB 以上。

由显控台的外形尺寸确定试验设备属于小型设备，噪声试验检测点的位置如图1 所示。传声器放置在距离显控台1 m 处的5 个位置，分别检测各个测量点的声压级（A 计权）。

传声器布置完成后，将显控台通电（220 V/50 Hz）开机后满负载工作，分别检测各个测量点的声压级，每个测量点的检测持续时间为30 s 以上，试验数据采集完成后对其进行分析和傅里叶变换得出每个测量点的噪声频谱图和声压级，试验测量分析系统图如图2 所示。

3.2 噪声声压级分析

图2 测量分析系统图Fig. 2 Measurement analysis system diagram

将音频分析仪采集的数据导出并进行傅里叶变换，可得某型显控台在满负载工况下，其前、后、左、右、上共5 个测量点处各频率段的噪声声压级和频谱图，显控台噪声在31.5～8 000 Hz 频率段范围内的测量结果如表2 所示。

表2 某型显控台噪声试验数据汇总表Tab. 2 A summary of the noise test data of a type of display console

由表2 可知，显控台噪声分别在中心频率为125 Hz，250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 的频段内噪声声压级比较突出，由此可判断显控台的噪声源主要在这4 处频率段。

3.3 噪声频谱分析

当设备有多种噪声源同时存在时，需要对噪声进行分析和识别，这样在进行降噪设计时才能够有针对性，只有对最大的噪声源进行有效控制，才能达到降噪目的。常用噪声源识别方法是频谱分析，将音频分析仪采集的数据进行傅里叶变换即可得显控台前部测量点的频谱图，如图3 所示。

图3 显控台前测量点频谱图Fig. 3 Display control stage measuring point spectrogram

由噪声源理论分析计算可得风扇的噪声频率，本文研究的风机有2 种类型，以4314 型风机为例，将风机转速1 550 r/min 代入风机旋转噪声计算公式得该型噪声频率为129.2 Hz，对应频谱图中125 Hz 频率段，可知129 Hz 为4314 型风机噪声的基础频率，其噪声峰值为52.7 dB（A），250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 分别为4314 型风机的2 倍频、3 倍频和4 倍频，对应峰值为46.5 dB（A），45.5 dB（A）和46.4 dB（A），倍频之后风机噪声的峰值有所衰减，但噪声仍然很明显。

4 降噪设计

1）对风机进行优化设计或重新选型。风机叶片高速搅动空气会产生很大的高频噪声，通过控制风机转速，选用叶片不均匀分布的风机，或不同材料的风机，优化风机气流通道，使其尽量避免拐角、突变截面形成涡流，采用流线型设计等方法对风机进行优化选型，降低风机噪声。

2）对风机壳体进行降噪结构优化。风机壳体内壁表面设计选用新型复合材料泡沫铝，泡沫铝是一种微孔泡沫金属，比重在0.3～0.2 g/cm3之间，可有效降低风机运行过程中产生的高频振动、空气噪声和阻尼噪声的扩散。

5 结 语

舰船电子装备显控台的噪声源比较多且复杂，通过噪声源理论分析和试验研究发现显控台的主要噪声源是风机，理论分析与试验研究结果一致。在舰船的显控台设计和生产过程当中采取风机优化设计、风机壳体结构优化设计和风机重新选型等综合降噪措施，可在一定程度上降低舰船显控台噪声。