离心式压缩机噪声测试分析与治理研究

李耀祖　吴群　吕岩　谭龙龙　仪垂杰

摘要：  针对某制氧厂两端、四级、四次冷却离心式空气增压压缩机噪声问题，本文对离心式压缩机噪声进行了测试分析与治理研究。采用近场测量，配合声压、声阵列成像及声强测量方法，确定了压缩机的噪声声压级、声强级大小、频谱特性及其主要噪声辐射部位。同时，根据设备噪声以中高频为主的特性，设计了带有消声器的复合隔声罩，对设备噪声进行治理。声压测量结果可知，增压压缩机噪声呈宽频带特性，连续等效A声级最高达118.5 dB（A），峰值频率为2.5 kHz。研究结果结果表明，该增压机最大噪声辐射位置为增压压缩机一级压缩器蜗壳及排气管道处，而声强测量结果与声阵列成像结果一致，声强级最高为111.8 dB，声强频谱图与声压频谱图具有一致性;加装隔声罩后，设备隔声罩1 m处的总降噪量为29.5 dB（A），降噪后的设备噪声符合国家标准。该研究为相关设备噪声测量分析及治理提供了理论参考。

关键词：  壓缩机噪声; 频谱分析; 声源定位; 声强测量; 噪声治理

中图分类号： TH452; TB533 文献标识码： A

基金项目：  炼铁、制氧噪声控制技术研究（RH1900009051）

某制氧厂制备氧气和氮气等气体的基本工艺原理是利用液态空气中各组分沸点的不同，通过蒸馏的方式将其分离成不同的组分。离心式空气增压压缩机负责将净化后的空气进一步加压，以备进入空分塔进行下一步蒸馏[1]。由于气体流量大、流速快，在经过增压压缩机时会产生强烈噪声[2]。关于离心式空压机噪声机理研究，尤其是气动噪声研究，是噪声分析和噪声源识别的重要前提。20世纪50年代，M.J.Lighthill[3]率先提出“声比拟”理论，使气动噪声理论研究取得重大突破。20世纪60年代末，J.E.Ffowc Williams[4]基于广义格林函数法，将N.Curle[5]的研究结果扩展运用到运动固体边界对流体发生的影响，得到可用于压缩机叶轮气动噪声预测的FWH方程;卢傅安等人[6]采用SST湍流模型，模拟了离心压缩机的整机三维非定常流场，得到机壳内壁面基频压力脉动主要分布在无叶扩压器靠近叶轮出口一侧;机壳主要基频振动噪声源位于蜗壳靠近出口管道一侧。对于离心式压缩机噪声的测量与噪声源识别，Liu Z J等人[7]对离心压缩机进行了全面的噪声测量与分析，利用频谱分析法确定了排气管为主要噪声源;T.Raitor等人[8]通过实验分析，总结了离心压缩机叶轮自身旋转噪声、叶顶隙噪声和动静干涉噪声的频率特性;曹林等人[9]利用近场测量法，得到了离心压缩机的噪声特性，发现离心式压缩机主要噪声为基频噪声;闫玉玉等人[10]对石化领域压缩机进行了噪声测量与分析，得出了最大噪声为叶轮噪声，其最大噪声频率为叶片的通过频率及其高次谐频;郝星宇[11]对压缩机管道噪声测量发现，压缩机所产生的气动噪声沿管道传播，经管壁向外福射且管道间形成混响，导致声压级升高;郭义杰等人[12]通过对采集到的压缩机振动信号和噪声信号进行频谱分析，确定机组的主要噪声源为叶片、排气管道和冷却器。对于压缩机噪声的治理，陈小飞等人[13]采用由型钢龙骨+高效吸声棉+穿孔吸声板组成的平面式吸音隔声板制作的隔声罩，对设备进行降噪;刘兆增等人[14]在原有隔声罩的基础上，采用添加阻抗复合型吸声结构的方式，提高了原有隔声罩的隔音量;曹泽仁等人[15]采用带有空气夹层隔声罩板的轻型装卸式隔声罩，对空压机噪声进行治理，降噪量20 dB（A）以上;赵学俭[16]采用在离心压缩机管线出口安装孔板的方法，消减气动流脉，从而降低设备气动噪声;陈兵等人[17]运用统计能量分析法对压缩机管道系统进行计算机建模和仿真，仿真与测试结果基本吻合;刘兰涛等人[18]对空气过滤器至空压机管道、空压机至空冷塔的管道等噪声管道进行隔音包扎，对管道阀门安装阀门盒，内填充吸音材料，降低了厂房混响;张翼等人[19]在吸气和排气管路上增设了固定支架，避免管路振动与气流脉动形成共振，在一定范围内尽可能避免机组间产生共振从而降低了设备噪声。基于此，本文在现场实测某增压机噪声的基础上，通过频谱分析、声源定位分析及声强分析的方法，确定了该增压机的噪声特性，并提出一种带有消声器的复合隔声罩的治理方案，以达到噪声治理的目的。该研究对噪声分析、噪声源识别及噪声治理具有重要意义。

1增压压缩机噪声测试与分析

1.1声压测试分析

增压压缩机所在厂房（长120 m，宽70 m，高8 m），温度25 ℃，存在其它设备噪声。根据国家标准《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，在增压机压缩机及电机周围共布置6个测点，增压压缩机噪声测点布置图如图1所示。图1中，测点距离被测量物面1 m，传声器朝向被测目标方向，传声器与地面距离为1 m。测点1为一级压缩器蜗壳处，测点2为一级压缩器排气口处，测点3为二级压缩器蜗壳处，测点4为二级压缩器进气口处，测点5为四级压缩器蜗壳，测点6为电机。

采用Norsonic150声振声强测试分析仪，在以上各测点进行测量，每个测点的噪声信号采集时间不小于1 min，将得到的噪声数据绘制在同一坐标系内，得到增压压缩机噪声频谱图，增压压缩机各测点噪声频谱图如图2所示。

由图2可以看出，增压压缩机噪声呈宽频带特性，峰值频率分别为2，2. 5和5 kHz，声压级最高117 dB（A），对应频率为25 kHz，较其他频带对应声压级高10 dB以上，为增压压缩机主要噪声频带。增压机叶轮工作频率为

式中，f为增压压缩机工作频率;n为增压机叶轮转速;b为增压机叶轮叶片数，当i=1时为基频，增压机工作轴转速n=11 049 r/min，由此可知，工作叶轮基频为1.25 kHz，噪声在其基频和倍频上出现峰值。测点3对应的二级压缩器处连续等效声压级最高，达118.5 dB（A），测点5对应的四级压缩器处连续等效声压级最低，为107.6 dB（A）。

1.2声阵列成像测试分析

根据由远及近、由总体到局部的测量原则，采用Norsonic848声成像测试分析仪，首先对增压机总体进行声阵列测量，增压机东北角成像结果如图3所示。由图3可以看出，增压机最大噪声源位于一、二级压缩器处。进一步对压缩器进行测量，增压机一、二级压缩器成像结果如图4所示。由图4可以看出，对于压缩器部分，最大噪声辐射位置位于一级压缩器排气管道处，次要噪声辐射位置位于二级压缩器排气口处。

根据声压测量结果可知，增压压缩机四级压缩器及电机处的声压级较一、二级压缩器处相差10 dB以上，为次要噪声源，因此不作声阵列成像测量分析。

1.3声强测试分析

由声阵列及声压测试结果可知，增压压缩机噪声辐射最大位置为一、二级压缩器及其连接管道处，但由于厂房内混响大，声压测量存在一定误差。声强是指在垂直于传播方向的单位面积上通过的平均声能量流，具有矢量性[20]，所以对该噪聲最大处，采用Norsonic150声振声强测试分析仪进行声强扫描测量。

将需要测量的位置平面，采用网格划分工具，划分为60 cm×60 cm的正方形网格，在每个网格内，采用声强探头进行扫描测量，声强探头距被测物体表面50 cm，探头与被测物间无遮挡物。

将得到的数据导入Origin中，绘制成声强色谱图，增压压缩机一、二级压缩器声强色谱图如图5所示。由图5可以看出，该处主要噪声辐射部件为一级压缩器及其排气管道，声强测试结果与声阵列测试结果具有一致性;同时，在二级压缩器处存在峰值，其噪声值低于一级压缩器。

增压压缩机一、二级压缩器声强频谱图如图6所示。由图6可以看出，增压压缩机一、二级压缩器噪声声强级为112.2 dB，声强频谱在2.5 kHz出现峰值，声强级为113.8 dB，在3.15，8，20 kHz处，声强级分别达90.6，93.7，96.7 dB，其余频带声强级均小于峰值10 dB以上。

2增压压缩机噪声治理

针对增压机中高频噪声的特点，采用吸隔型复合隔声罩的治理方案对其进行治理。吸声玻璃棉吸收中高频噪声，钢板层阻隔低频声传播，并加阻尼层防止共振。在隔声罩进气和排气通风口处安装消声器，因增压机主要噪声集中在2.5 kHz附近，故选用阻抗复合式消声器。

隔声罩板如图7所示。隔声罩板总厚度为87 mm。由外到内依次为2 mm厚钢板，4 mm厚阻尼涂层（沥清石棉阻尼材料），80 mm厚，密度为80 kg/m³，离心玻璃棉吸声材料、玻璃丝布包裹吸声材料，最内层为厚1 mm、孔直径4 mm、穿孔率40%的穿孔护面板。隔声罩隔声量为

消声器如图8所示，消声器外径为1 000 mm，内径为700 mm，总长度为1 500 mm，由外层到内层依次为2 mm厚镀锌钢板，300 mm厚离心玻璃棉，2 mm厚穿孔护面镀锌板，80 mm厚微穿孔十字型吸声片。图8中，阻抗复合式消声器平均消声量可达30.8 dB（A），在以2.5 kHz为中心频率的频带上，消声量达29 dB，可满足设备降噪要求。

超细玻璃棉密度为80 kg/m³，穿孔护面板穿孔率为40%，孔径Φ=6 mm;微穿孔十字型吸声片的外表面为1 mm厚微穿孔板，其穿孔率为5%，孔径Φ=1 mm，两微穿孔板中间为80 mm空腔。消声器的消声量和消声系数分别为

以上降噪措施为增压压缩机倍频程中心频率上的理论降噪量，增压压缩机倍频程降噪量如表1所示。

由表1中数据可知，加装隔声罩和消声器后，频率在1～4 kHz之间的噪声值将降低32.8 dB，高频降噪效果显著，平均隔声量达31 dB（A），根据声压级求和公式，得

3结束语

针对某制氧厂噪声超标问题，本文主要对离心式压缩机噪声进行了测试分析与治理研究。通过对该制氧厂增压压缩机噪声进行测量，综合采用声压、声强及声阵列3种测量方法，得到并分析了设备噪声主要频率特性以及主要噪声辐射部位。同时，针对该离心式压缩机的噪声特性，以降低设备噪声为主要目的，设计了加装带有消声器的复合隔声罩的设备降噪方案。本论文包括噪声测试、噪声特性分析及噪声治理，为相关设备噪声测试及治理提供了参考。另外该课题存在较大提升空间，例如可增加对隔声板材料参数的优化及隔声罩整体的仿真分析研究。

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作者简介：  李耀祖（1994），男，硕士研究生，主要研究方向为噪声与振动控制。

通信作者：  仪垂杰（1958），男，博士，教授，主要研究方向为噪声与振动控制。 Email： chuijieyi@vip.163.com

Noise Test Analysis and Control of Centrifugal Compressor

LI Yaozu¹， WU Qun²， L Yan²， TAN Longlong¹， YI Chuijie¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;_². School of Mechanical & Automotive Engineering Qingdao University of Techology， Qingdao 266033， China）

Abstract：  Aiming at the noise problem of centrifugal air booster compressor with two ends， four stages and four times cooling in an oxygen plant， the noise of centrifugal compressor is tested， analyzed and treated in this paper. By means of near field measurement， sound pressure， sound array imaging and sound intensity measurement， the noise sound pressure level， sound intensity level， spectrum characteristics and the main noise radiation positions of the compressor are determined. At the same time， according to the characteristics of the equipment noise mainly in the medium and high frequency， a compound sound insulation cover with muffler is designed to control the noise of the equipment. The sound pressure measurement results show that the noise of the pressurized compressor is of broadband characteristics， the maximum continuous equivalent A sound level is 1185 dB（A）， and the peak frequency is 25 kHz. The results of acoustic array measurement show that the maximum noise radiation location of the supercharger is the volute of the first compressor and the exhaust pipe of the supercharger compressor. The sound intensity measurement results are consistent with the sound array imaging results， the highest sound intensity level is 1118 dB， and the sound intensity spectrum is consistent with the sound pressure spectrum. After installing the sound insulation cover， the total noise reduction at 1m of the equipment′s sound insulation cover is 295 dB （A）， and the noise of the equipment after noise reduction meets the national standard. This study provides a theoretical reference for noise measurement， analysis and control of related equipment.

Key words： compressor noise; spectral analysis; sound source localization; sound intensity measurement; noise control