煤矿用主通风机排水口降噪分析与对策

冯涛,吴冠雄，崔凌飞

(天津渤海职业技术学院，天津300402)

在人类生产生活中，嘈杂的噪声环境，首先会妨碍人们的休息和睡眠，令人心情烦躁。一般超过45dB(A)的噪声，就会影响正常人的睡眠。在大城市的工业区，交通要道噪声都大大超过了45 dB(A)而高达70～80 dB(A)，有的达到了90 dB(A)。这些噪声昼夜不停，给周围的环境造成了强烈的噪声污染，对居民的休息和职工的生产劳动、工作造成了极大的危害。

在煤矿的生产过程中，风机是不可缺少的通用设备，煤矿主通风机在工作过程中产生的噪声会直接影响周边居民和厂区工作人员的身心健康和破坏当地的安静环境。因此，对主通风机的降噪就引起了煤矿工作人员的重视。在分析噪声产生机理基础上，从噪声产生的源头、传播路径和产品设计等多方面进行降噪处理，产生了一定的效果。以往的降噪虽然得到了一定的效果，但是对主通风机排水口的噪声没有得到控制。主通风机的排水口一般都比较小，气流在管道内传播，当气流比较大并且遇到截面变小时，就会在原有噪声基础上产生叠加，噪声非常大，所以对于主通风机排水口的降噪处理就变得尤为重要。目前国内外对于排水口的降噪问题大多数是通过对主风机进行整体结构优化和综合治理来进行优化处理，达到降噪效果，缺少更多的有针对性的降噪方法和对策。

1 排水口噪声产生机理

风机只要正常运转就会产生噪声，主通风机的噪声主要就是空气动力噪声和机械性噪声。其中空气动力噪声主要是风机叶片周期性打击空气质点所产生的旋转噪声和高速气流在叶片旋转过程中对气体压缩和稀疏产生的涡流噪声，以及两种噪声叠加产生的噪声。而机械性噪声主要是电机运转下带动的风机壳体振动产生的噪声和电磁噪声两种。

排水口作为主通风机系统的一部分，肯定受到上述两种噪声的辐射影响。排水口既是主通风机排水口，又是含尘气流的排放口，也是噪声外排口。由于排水口比较小，所以通过排水口的噪声主要形式就是高气流通过后形成的喷注噪声，噪声一般属于中低频噪声，所以如何降低低频噪声就成为了降噪的关键[1]。

通过上述分析可以知道排水口的主要噪声来源，所以对排水口的降噪不可能通过改变噪声源来进行控制噪声。因此只能从噪声的传播路径上来进行噪声的控制处理，达到降噪的效果。排水口噪声辐射的部位很显然就是在出口处，因此主要就考虑在排水口出口实施噪声控制。

2 声音在管道中的传播特性

声源在没有边界的空间中的辐射是波阵面逐渐发散的球面声波。当辐射声源在管道中时，声波的传播方式简单，在传播信道中没有扩散，因此声波可以沿管道传播很远。通过对圆柱形声波导管性质进行分析来说明声波在管道中的传播特性，假设管壁是刚性的。

设有一圆柱形管，半径为a，一端无限延长。现在用柱坐标来描述其声波方程，设管的径向坐标为r，极角为θ，轴向坐标为z[1]，圆柱形声波导管模型如图1 所示，得到三维柱坐标波动方程为：

求得管中声压解为：

为了得到管中声波导管的截止频率，声压解又能用以下方式表示：

式（2.2）代表圆柱形声波导管中的（m，n）次简正波。除此之外，还可以得到与矩形管相类似的圆柱形声波导管的截止频率，即除零以外最低的简正频率，计算公式为：

当声源频率低于fc时，在管中有唯一的，半径为a 的圆柱形管中以平面波的形式沿z 轴传播。

3 声源噪声控制对策

根据能量守恒定律，能量既不能产生也不能消失，但可以由一种形式转化为另一种形式。声波是一种空气分子的振动能量，通过物体对声波能量的吸收，能量转换产生热。

声波在理想介质中传播时没有能量的损耗，声波在传播过程中能量保持不变。然而，声波在实际的传播过程中是通过非理想介质，传播介质不仅要吸收声波的能量，在传播过程中会产生能量和幅值的衰减。

声波产生衰减的原因有：1)声波传播时，波阵面在空间中扩展，会产生几何衰减，在总声波能量不变的情况下，传播到不同位置的声波幅值不同。2)介质会对声波能量进行吸收，转化为热能。3)介质中所含有的粒子对声波会有散射作用，声波在传播过程中遇到这些小的颗粒会发生散射。

使声波产生衰减的介质对声波能量的吸收有粘滞吸收和热传导吸收两种主要的形式。其中一种形式是粘滞吸收。由于传播介质在声波传播过程中会发生变形，而介质本身是具有粘性的，在变形及恢复的过程中会发生能量的转化[3]。

根据对排水口噪声产生的机理和声波在管道中传播的特性进行分析后，我们可以在排水口安装消声器，对排水口进行降噪处理。排水口处的空气动力性噪声声压级最大，所以在排水口安装消声器是快速控制噪声的最有效措施。现在应用最多的消声器根据其原理主要有阻性消声器、抗性消声器、微穿孔板消声器以及复合式消声器。根据声波产生衰减的原因和排水口产生的噪声主要是中低频噪声的特性，我们这里使用抗性消声器。抗性消声器主要是通过管道截面的突变或在管道中间加旁支共振腔体[1]，使声波在传播的过程中引起阻抗，通过声波的反射、干涉来降低声能，来达到消声的目的。

根据抗性消声器的原理，我们可以在排水口安装一个多级消声器，达到多级降噪的目的，也可以改变截面，在传播过程中接装一个共振腔，来实现最好的降噪效果。由于是排水口，多级消声器除了有降噪的作用，还有排水管道的效果，可以在消声器的末端增加一个U 型管道，当水位不超过U型管的最高水位时，水会暂时存储，这样声波就会从空气进入到水中，进行一系列反射、折射和干涉使声能降低，达到降噪的效果。排水口排出来的水中间会掺杂一些粘性物质，根据声波衰减介质对声波能量吸收的特点，粘性介质会对声波进行吸收和能量转化，达到降噪的效果。

除了对消声器结构上的设计来达到降噪效果外，还应该在消声器与排水口连接端口处和排气口处铺设消声材料，这样就可以在源头进行高频噪声的降噪，完成初次降噪和终极降噪。

4 总结

对主通风机排水口的噪声控制，最有效的就是从排水口处，即声源处进行噪声控制。对已经安装的风机，可以在排水口增加一个多级消声器来进行噪声控制，同时还应该对消声设备进行减振、消声和隔声等多方面的处理，来消除因为机械振动、设备振动产生的次生噪声。所以设计一种多用途主通风机口排水消声装置是很有必要的。