離心式壓縮機(jī)噪聲源定位分析及降噪方法

譚龍龍，吳 群，呂 巖，李耀祖，儀垂杰,3

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266000；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島266520；3.青島理工大學(xué) 工業(yè)流體節(jié)能與污染控制 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266520)

離心式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在設(shè)備的運(yùn)行以及氣體傳輸過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，這無(wú)論是對(duì)設(shè)備本身還是對(duì)工作人員的身心健康都帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。離心式壓縮機(jī)噪聲問(wèn)題亟待解決，噪聲測(cè)試與分析[1-5]是進(jìn)行離心式壓縮機(jī)降噪處理的前端條件，關(guān)鍵問(wèn)題是準(zhǔn)確定位到離心式壓縮機(jī)噪聲產(chǎn)生的位置并對(duì)其定位分析[6]。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)離心式壓縮機(jī)噪聲測(cè)試分析進(jìn)行了研究。Sun 等[7]用邊界元和歐拉方程耦合的方法預(yù)測(cè)了離心式壓縮機(jī)的基頻噪聲。Johanna等[8]對(duì)亞音速離心式壓縮機(jī)的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)葉輪葉片尾跡對(duì)擴(kuò)壓器葉片的沖擊是離心式壓縮機(jī)基頻氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要原因。胡春波等[9]對(duì)DH63 型離心式壓縮機(jī)輻射噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)低頻段的噪聲主要是齒輪箱噪聲,而高頻段噪聲則主要是離心式壓縮機(jī)本體輻射的基頻噪聲。曹林等[10]對(duì)離心式壓縮機(jī)的近場(chǎng)聲源區(qū)的頻譜特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該離心式壓縮機(jī)噪聲主要是基頻噪聲。付常佳[11]對(duì)離心式壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)寬頻帶阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)隔聲罩，利用SYSNOISE有限元軟件研究影響隔聲罩降噪效果的關(guān)鍵因素。李宏坤等[12]對(duì)不同類(lèi)型的離心式壓縮機(jī)擴(kuò)壓器開(kāi)展壓力脈動(dòng)、振動(dòng)和聲強(qiáng)試驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射噪聲的影響因素。韋開(kāi)君等[13]對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行不同工況下的氣動(dòng)性能及噪聲試驗(yàn)，分析各工況下的氣動(dòng)噪聲特性及聲源貢獻(xiàn)量，并結(jié)合CFD仿真分析近喘振工況下離心壓縮機(jī)窄帶噪聲的產(chǎn)生機(jī)理。郝宇星[14]利用聲級(jí)計(jì)及倍頻程濾波器對(duì)離心式壓縮機(jī)及其管道進(jìn)行噪聲測(cè)試及頻譜分析，確定氣動(dòng)噪聲為離心式壓縮機(jī)的噪聲源。其中大多是對(duì)離心式壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行噪聲測(cè)試，進(jìn)而展開(kāi)噪聲頻譜分析，但無(wú)法準(zhǔn)確找到噪聲源。因此，離心式壓縮機(jī)噪聲分析應(yīng)將噪聲測(cè)試分析與噪聲定位分析相結(jié)合。針對(duì)離心式壓縮機(jī)噪聲過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)噪聲測(cè)試、頻譜分析、聲成像分析、模態(tài)分析來(lái)對(duì)離心式壓縮機(jī)噪聲源進(jìn)行精準(zhǔn)定位分析，得到了其噪聲源的主要特性并找到了主要噪聲源，最后設(shè)計(jì)了相應(yīng)的降噪方法[15-19]。

1 離心式壓縮機(jī)噪聲源分析

離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪聲屬于生產(chǎn)性噪聲，它主要包括空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械性噪聲和電磁性噪聲三部分。離心式壓縮機(jī)噪聲產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示：

對(duì)于離心式壓縮機(jī)整個(gè)系統(tǒng)，氣動(dòng)噪聲及機(jī)械噪聲為主要的噪聲源。離心式壓縮機(jī)主體部位工作時(shí)，在進(jìn)氣管口處空氣快速流動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生壓力波動(dòng)，輻射較高的氣動(dòng)噪聲；在離心式壓縮機(jī)內(nèi)部，由于轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生激振力，引起機(jī)體振動(dòng)產(chǎn)生噪聲；由于運(yùn)輸氣體過(guò)程中的壓力波動(dòng)，產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，遇到異徑管時(shí)產(chǎn)生激振力，引起管道振動(dòng)產(chǎn)生噪聲；由于高壓氣體排出時(shí)壓力落差過(guò)大，產(chǎn)生阻流沖擊波，引起機(jī)體振動(dòng)產(chǎn)生噪聲；在排氣管口處，空氣壓力增至0.5 MPa，空氣從閥門(mén)間歇性排出，沖擊閥門(mén)，氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，輻射較大的氣流噪聲。

2 噪聲源測(cè)試定位分析

圖1 離心式壓縮機(jī)噪聲產(chǎn)生過(guò)程

被測(cè)目標(biāo)是型號(hào)為RKT-140 的離心式壓縮機(jī)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布局，對(duì)離心式壓縮機(jī)機(jī)組及電機(jī)間共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖2所示。測(cè)點(diǎn)距離被測(cè)量物面1 m，傳聲器朝向被測(cè)目標(biāo)方向，傳聲器與地面距離為1.5 m，分析噪聲成分及噪聲源情況。

圖2 離心式壓縮機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1 頻譜分析

利用Norsonic150 聲振測(cè)試分析儀對(duì)離心式壓縮機(jī)各測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行C 計(jì)權(quán)頻率實(shí)時(shí)濾波分析，各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為1 min，各測(cè)點(diǎn)的噪聲1/3 倍頻程圖如圖3(a)，離心式壓縮機(jī)測(cè)點(diǎn)2 的頻譜圖如圖3(b)：

圖3(a)1/3 倍頻程圖顯示離心式壓縮機(jī)噪聲呈寬頻帶特性，低頻噪聲中主要以25 Hz、50 Hz、100 Hz、250 Hz 為中心頻率，高頻噪聲中主要以1.25 kHz、2.5 kHz 為中心頻率，其中以2.5 kHz 為中心頻率的噪聲聲壓級(jí)最高。離心式壓縮機(jī)排氣管口聲壓級(jí)最高，排氣管口的噪聲值大于進(jìn)氣管口，進(jìn)氣管口與排氣管口噪聲頻率特性有一致性，從20 Hz開(kāi)始，兩測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)不斷升高，到2.5 kHz后聲壓級(jí)逐漸下降。圖3(b)頻譜圖分析了離心式壓縮機(jī)西側(cè)5 kHz 以?xún)?nèi)的噪聲成分，可以觀察到在1 190.26 Hz、2 380.43 Hz頻率處出現(xiàn)明顯的噪聲峰值。

上述分析的各特征頻率對(duì)應(yīng)離心式壓縮機(jī)各處噪聲源，計(jì)算離心式壓縮機(jī)軸、齒輪嚙合、葉輪的基頻進(jìn)行噪聲源定位分析。

軸的轉(zhuǎn)頻公式：

齒輪嚙合頻率公式：

葉輪的轉(zhuǎn)頻公式：

其中：n為軸轉(zhuǎn)速（r/min），b為離心式壓縮機(jī)葉輪葉片數(shù)，z為齒數(shù)，i為基頻倍數(shù)。

根據(jù)頻率公式計(jì)算離心式壓縮機(jī)正常工作下的頻率成分如表1所示：

表1 頻率成分/Hz

聯(lián)合圖3(b)離心式壓縮機(jī)西側(cè)頻譜圖及表1離心式壓縮機(jī)噪聲頻率成分分析，特征頻率1 190.26 Hz、2 380.43 Hz產(chǎn)生于離心式壓縮機(jī)葉輪基頻及其倍頻。

2.2 聲成像分析

利用Norsonic848 聲成像分析儀對(duì)離心式壓縮機(jī)可聞而不可見(jiàn)的噪聲場(chǎng)進(jìn)行可視化測(cè)試分析，將噪聲源實(shí)景視頻圖像與傳聲器陣列測(cè)試的結(jié)果相結(jié)合，標(biāo)定噪聲源的位置。大量文獻(xiàn)利用傳聲器陣列對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行定位追蹤，其利用波束形成算法對(duì)傳聲器陣列采集的聲場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行延遲與求和（DAS）處理。波束形成基本原理如圖4所示。

圖4中聲源平面上設(shè)置一個(gè)聲源點(diǎn)s，在傳聲器陣列平面上設(shè)置m個(gè)傳聲器，聲源點(diǎn)s在t時(shí)刻輻射聲波，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間Δm到達(dá)第m個(gè)傳聲器，根據(jù)“延遲與求和”波束形成原理，傳聲器陣列對(duì)聲源點(diǎn)s的波束形成輸出為

其中：wm是第m個(gè)傳聲器的權(quán)重；ym是由第m個(gè)傳聲器進(jìn)行空間采樣的信號(hào)。

圖3 1/3倍頻程圖及頻譜圖

圖4 波束形成基本原理

利用Norsonic848 聲成像分析儀對(duì)離心式壓縮機(jī)主體部位進(jìn)行聲成像分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將聲成像分析儀布置在距離離心式壓縮機(jī)主體部位5 m處的位置，傳聲器盤(pán)面朝向被測(cè)目標(biāo)方向，傳聲器盤(pán)面光學(xué)攝像機(jī)與地面距離為1.5 m，設(shè)置房間氣溫為17°C，頻率范圍選擇為20 Hz～5 000 Hz，測(cè)試實(shí)時(shí)圖像結(jié)果如圖5所示。

聲成像圖圖5(a)顯示離心式壓縮機(jī)最大噪聲部位為離心式壓縮機(jī)排氣管口，圖5(a)與圖3(a)一致，表明離心式壓縮機(jī)排氣管口噪聲值最大，屬于排氣氣動(dòng)噪聲，它源于高壓氣流在排氣管內(nèi)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)或者源于排氣管內(nèi)高壓氣流產(chǎn)的氣流脈動(dòng)。利用聲成像分析儀自帶的單聲源屏蔽功能，屏蔽離心式壓縮機(jī)排氣管口聲源后，噪聲最大位置為離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣管口(圖5(b))，屬于進(jìn)氣氣動(dòng)噪聲，它是離心式壓縮機(jī)噪聲源中最主要的部分(圖3(b))，源于進(jìn)氣管內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)，其頻率與進(jìn)氣管口葉輪產(chǎn)生的噪聲基頻相同，由表1與圖3(b)證明進(jìn)氣管口噪聲主要貢獻(xiàn)來(lái)自離心式壓縮機(jī)葉輪工作時(shí)的2倍頻處的噪聲。離心式壓縮機(jī)噪聲的聲成像分析結(jié)果與聲振測(cè)試頻譜分析結(jié)果趨于一致，各特征頻率對(duì)應(yīng)的噪聲源位置基本確定。

2.3 箱、殼體模態(tài)分析

通過(guò)頻譜分析及聲成像分析基本確定了噪聲源的特征頻率及其產(chǎn)生位置，考慮到低頻帶特征頻率(低頻帶頻譜圖見(jiàn)圖6(a))可能與機(jī)組箱、殼體的模態(tài)頻率接近，不排除箱、殼體引發(fā)共振的可能性。對(duì)離心式壓縮機(jī)機(jī)組的箱、殼體進(jìn)行模態(tài)仿真分析，機(jī)組箱、殼體的有限元模型見(jiàn)圖6中的圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)，采用LMS 有限元仿真計(jì)算離心式壓縮機(jī)機(jī)組箱、殼體的模態(tài)頻率。一般情況下，系統(tǒng)在工作中的振動(dòng)主要是低階模態(tài)引起的，內(nèi)外激勵(lì)都不易達(dá)到高階模態(tài)，因此在分析過(guò)程中僅考慮離心式壓縮機(jī)機(jī)組箱、殼體的前10 階固有頻率，前10 階模態(tài)頻率值見(jiàn)表2。

表2 10階模態(tài)頻率值/Hz

圖6(a)頻譜圖分析了500 Hz 以?xún)?nèi)的噪聲成分，可以觀察到離心式壓縮機(jī)機(jī)組噪聲在50 Hz、74.02 Hz、100.26 Hz、125.16 Hz、224.79 Hz、296.75 Hz、424.89 Hz 處出現(xiàn)明顯峰值。結(jié)合表1分析發(fā)現(xiàn)，特征頻率50 Hz、100.26 Hz、125.16 Hz、424.89 Hz 主要產(chǎn)生于輸入軸的倍頻，特征頻率74.02 Hz、296.75 Hz主要產(chǎn)生于輸出軸的基頻及倍頻。結(jié)合表2模態(tài)頻率值分析發(fā)現(xiàn)，電機(jī)箱的模態(tài)頻率與上述特征頻率沒(méi)有相近值，說(shuō)明未產(chǎn)生共振；齒輪箱的五階模態(tài)頻率值為297.8 Hz，與特征頻率296.75 Hz 相近，說(shuō)明產(chǎn)生了共振，增大了離心式壓縮機(jī)的噪聲；離心式壓縮機(jī)機(jī)殼模態(tài)頻率與上述特征頻率沒(méi)有相近值，說(shuō)明未發(fā)生共振。

3 降噪方法

針對(duì)低頻共振產(chǎn)生噪聲的問(wèn)題，可以對(duì)齒輪箱做輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度，改變齒輪箱的固有特性，避開(kāi)共振頻率；針對(duì)離心式壓縮機(jī)中高頻噪聲，采用吸隔型隔聲罩與阻抗復(fù)合式消聲器聯(lián)合降噪方法，吸隔型隔聲罩結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 離心式壓縮機(jī)聲成像圖

圖6 低頻頻譜圖及箱、殼體有限元模型

圖7 吸隔型隔聲罩結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)中離心玻璃棉及穿孔板吸收中高頻噪聲，鋼板層阻隔低頻聲傳播，并加阻尼涂層防止共振。在吸隔型隔聲罩進(jìn)、排氣通風(fēng)口均安裝阻抗復(fù)合式消聲器，阻抗復(fù)合式消聲器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 阻抗復(fù)合式消聲器結(jié)構(gòu)圖

隔聲罩隔聲量計(jì)算公式：

式中：IL為隔聲罩的插入損失，帶通風(fēng)散熱消聲器的隔聲罩的插入損失約15 dB～30 dB，α為吸聲材料的吸聲系數(shù)，TL為隔聲罩的隔聲量。

消聲器消聲量計(jì)算公式：

其中：ΔL為消聲器消聲量，L為消聲器的有效消聲長(zhǎng)度，φ(α)為消聲系數(shù)，P為消聲器內(nèi)徑周長(zhǎng)，S為消聲器內(nèi)徑橫截面積，α為吸聲材料的吸聲系數(shù)。

根據(jù)理論公式計(jì)算理論降噪效果如表3所示。

由表3中數(shù)據(jù)可知，加裝隔聲罩、消聲器后，對(duì)高頻噪聲降低效果顯著，平均隔聲量達(dá)21.5 dB(C)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，理論計(jì)算值滿(mǎn)足降噪要求。

表3 理論降噪效果/dB(C)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)制氧廠(chǎng)的離心式壓縮機(jī)存在的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了測(cè)試分析，分析了離心式壓縮機(jī)噪聲的產(chǎn)生過(guò)程，對(duì)正常工作情況下的離心式壓縮機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試，聯(lián)合頻譜分析、聲成像分析、模態(tài)分析三種方法對(duì)噪聲源進(jìn)行定位分析，精確定位到了特征頻率噪聲的激勵(lì)源及共振源，針對(duì)該離心式壓縮機(jī)的噪聲特性，以降低噪聲為目的，設(shè)計(jì)了吸隔型隔聲罩與阻抗復(fù)合式消聲器聯(lián)合的降噪方法，為離心式壓縮機(jī)的噪聲控制提供了參考。