尾緣結(jié)構(gòu)變化對(duì)空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉聲場(chǎng)的影響*

代元軍 王建平 李保華 吳柯 何振雄 趙超

(1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 烏魯木齊 830052)

(2 上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院 上海 201306)

(3 新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830091)

0 引言

如今空調(diào)器得到廣泛應(yīng)用，而空調(diào)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題沒(méi)有完美解決，噪聲問(wèn)題已成為影響空調(diào)使用體驗(yàn)的重要影響因素，降低氣動(dòng)噪聲成為提高空調(diào)質(zhì)量的方法之一[1-2]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)空調(diào)室內(nèi)貫流風(fēng)機(jī)的降噪方法展開(kāi)深入研究，并取得了明顯的降噪成果，但對(duì)空調(diào)外機(jī)的降噪研究不夠深入[3-5]。空調(diào)外機(jī)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲主要來(lái)源于風(fēng)葉尾緣渦脫落引起的壓力脈動(dòng)[6]。尾緣鋸齒、尾緣開(kāi)縫、尾緣微孔、尾緣吹氣等方法都可以達(dá)到減小風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲的目的[7]。Howe[8]從理論上討論了尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化氣動(dòng)特性的可行性，但是該研究沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。黃琪琪等[9]研究了尾緣鋸齒對(duì)通風(fēng)機(jī)尾緣噪聲的影響，該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了尾緣鋸齒對(duì)通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲具有抑制作用，但是該研究沒(méi)有確定氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生位置，且該研究的噪聲測(cè)量方法使用平面3 點(diǎn)測(cè)量噪聲，沒(méi)有使用空間傳聲器陣列測(cè)量噪聲。梁鐘等[10]設(shè)計(jì)了兩種尾緣凹陷結(jié)構(gòu)，研究了尾緣凹陷結(jié)構(gòu)對(duì)空調(diào)外機(jī)內(nèi)流特性的影響，結(jié)果表明尾緣凹陷結(jié)構(gòu)有利于改善葉片尾緣的壓力分布，減弱尾跡紊亂，但是該研究沒(méi)有探究尾緣凹陷對(duì)噪聲的影響。馬列等[11]發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下的尾緣凹陷結(jié)構(gòu)同樣具有降噪效果，全壓隨缺口尺寸增加而降低，但是該研究?jī)H關(guān)注了高轉(zhuǎn)速下的噪聲與全壓，而且研究對(duì)象不是常規(guī)三葉片空調(diào)外機(jī)風(fēng)葉。Howe[12]對(duì)穿孔表面流體脈動(dòng)進(jìn)行理論分析，在理論上證明了多孔尾緣降噪的可行性。Geyer等[13]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，證明多孔滲透葉片滲透性表面可以降低尾緣氣動(dòng)噪聲，但是該研究只關(guān)注了翼型穿孔對(duì)尾緣噪聲的影響，沒(méi)有考慮風(fēng)葉的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。王善彬等[14]利用數(shù)值計(jì)算方法，研究孔型和傾斜角對(duì)葉片氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)穿孔葉片的指向型分布圖樣幾乎不變，噪聲水平有明顯變化，但是對(duì)聲源產(chǎn)生位置沒(méi)有進(jìn)行定位。

綜上所述，尾緣凹陷、尾緣鋸齒、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉具有降噪效果。本文以三葉片空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉為研究對(duì)象，對(duì)相同結(jié)構(gòu)風(fēng)葉進(jìn)行鋸齒、微孔、凹陷設(shè)計(jì)并對(duì)比其氣動(dòng)聲學(xué)性能，探索低速軸流風(fēng)葉尾緣結(jié)構(gòu)變化引起的氣動(dòng)聲學(xué)變化；利用BK Connect系統(tǒng)，采集不同尾緣結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲壓級(jí)、指向性聲場(chǎng)信息，利用波束形成法采集聲源位置信息，得到不同尾緣結(jié)構(gòu)風(fēng)葉的時(shí)間平均聲壓級(jí)均值、聲源位置分布規(guī)律和指向性，為優(yōu)化風(fēng)葉氣動(dòng)聲學(xué)特性提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

以空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉為試驗(yàn)對(duì)象，風(fēng)葉為大展弦比前掠風(fēng)葉，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示，風(fēng)葉外徑D=40 cm，輪轂比d/D=0.25，葉片數(shù)M=3。

對(duì)空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉尾緣進(jìn)行凹陷設(shè)計(jì)可以優(yōu)化風(fēng)葉表面受力情況，改善內(nèi)部流動(dòng)，減弱尾跡，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)深入風(fēng)葉葉片中部對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)改善效果明顯。依據(jù)文獻(xiàn)[15]經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)凹陷直徑d1=55 mm，凹陷圓心位于風(fēng)葉尾緣中部。采用切割法在風(fēng)葉尾緣生成凹陷結(jié)構(gòu)，風(fēng)葉尾緣凹陷結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉Fig.2 Trailing edge recessed structure airfoil

尾緣微孔結(jié)構(gòu)可降低吸力面邊界層厚度，通過(guò)壓差形成射流，促使分離點(diǎn)向流動(dòng)方向移動(dòng)，延遲吸力面分離，使翼型有降噪的潛力[16]。依據(jù)文獻(xiàn)[17]中提出的微孔系數(shù)范圍，取d2=2 mm，c=4 mm，e=4 mm。圖3為尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 尾緣微孔風(fēng)葉Fig.3 Trailing edge micro-perforated airfoil

研究表明[18]，貓頭鷹翅膀尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L為5～25 mm，鋸齒寬度B為10～20 mm，尾緣鋸齒長(zhǎng)度對(duì)尾緣鋸齒風(fēng)葉降低噪聲起到重要作用[19]，依據(jù)文獻(xiàn)[20] 的經(jīng)驗(yàn)，選取軸流風(fēng)葉尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)鋸齒長(zhǎng)度h=14 mm，鋸齒寬度m=14 mm，齒角a=65°。角度采用切割法在風(fēng)葉尾緣生成鋸齒結(jié)構(gòu)，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉Fig.4 Trailing edge serrated structure airfoil

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量環(huán)境

試驗(yàn)在新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速測(cè)量采用B&K 公司type 2981 型光電傳感器。聲源位置和噪聲測(cè)量采用BK Connect 系統(tǒng)，包括3660-C-100 型5 模塊LAN-XI 數(shù)據(jù)采集前端、4961型傳聲器和9712-W-FEN型聲學(xué)攝像機(jī)。

試驗(yàn)場(chǎng)地為長(zhǎng)方體空間，長(zhǎng)寬高分別為10 m、10 m、3.5 m，四壁均貼有大量吸聲材料，平均吸聲系數(shù)α=0.3。被測(cè)聲源與該場(chǎng)地環(huán)境噪聲聲壓級(jí)大于15 dB，場(chǎng)地背景噪聲聲壓級(jí)與GB/T 3767–2016《聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率和聲能量級(jí)反射面上方近似自由場(chǎng)的工程法》表1 規(guī)定的值如圖5所示。試驗(yàn)場(chǎng)地滿足GB/T 3767–2016 要求的相對(duì)值判據(jù)和絕對(duì)值判據(jù)[21]，且滿足測(cè)試環(huán)境的聲學(xué)要求。

表1 傳聲器位置坐標(biāo)Table 1 Coordinates microphone positions

圖5 規(guī)定頻帶聲壓級(jí)對(duì)比Fig.5 Comparison of a sound pressure level in a specified frequency band

1.3 試驗(yàn)方案

參照國(guó)標(biāo)GB/T 3767–2016 噪聲測(cè)量方法[21]，搭建傳聲器陣列，測(cè)量不同尾緣結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在不同轉(zhuǎn)速下的聲場(chǎng)信息，并進(jìn)行修正，分析尾緣結(jié)構(gòu)變化對(duì)時(shí)間平均聲壓級(jí)均值的影響；使用聲學(xué)攝像機(jī)，采用波束形成技術(shù)，定位不同尾緣結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在不同轉(zhuǎn)速下的聲源位置；探索尾緣結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)葉聲源位置分布特性的影響規(guī)律，對(duì)不同風(fēng)葉進(jìn)行指向性試驗(yàn)，探索其聲源指向性。

1.3.1 聲壓級(jí)測(cè)量

被測(cè)聲源輻射的聲功率會(huì)受到安裝和運(yùn)行方式的影響，為使被測(cè)聲源發(fā)射影響最小，模擬風(fēng)葉安裝條件，將安裝風(fēng)葉的空調(diào)室外機(jī)放置在地面上，在600 r/min、625 r/min、650 r/min、675 r/min、700 r/min 的轉(zhuǎn)速下對(duì)風(fēng)葉噪聲展開(kāi)聲壓級(jí)測(cè)量。選取測(cè)量距離d=70 cm，建立測(cè)量面，如圖6所示。以空調(diào)外機(jī)底面中心點(diǎn)為原點(diǎn)，經(jīng)過(guò)空調(diào)外機(jī)底面中心點(diǎn)的側(cè)垂線、正垂線、鉛垂線，分別設(shè)為x軸、y軸、z軸，建立空間直角坐標(biāo)系，如圖6 所示。傳聲器的安裝位置坐標(biāo)如表1所示。

圖6 傳聲器陣列位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of microphone array position

1.3.2 聲源定位

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境聲疊加產(chǎn)生的噪聲頻譜圖如圖7 所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)0～256 Hz、480～832 Hz、1000～1280 Hz、1880～2272 Hz、2848～3040 Hz頻段有對(duì)聲源位置的測(cè)定產(chǎn)生影響的峰值，所述峰值是由支撐電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)震動(dòng)、電機(jī)的電磁噪聲和摩擦噪聲產(chǎn)生。依據(jù)文獻(xiàn)[22]經(jīng)驗(yàn)，為減小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，剔除上述頻段，將測(cè)量頻段劃分為4個(gè)頻段，如表2所示。

表2 頻段分配Table 2 Frequency band assignment

圖7 背景噪聲頻譜圖Fig.7 Background noise spectrum

采用聲學(xué)照相機(jī)對(duì)空間聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示，根據(jù)每個(gè)傳聲器與聲源的位置關(guān)系，對(duì)聲學(xué)照相機(jī)中各傳聲器信號(hào)進(jìn)行延遲，使所有傳聲器對(duì)于同一聚焦方向接收的是同一瞬間波前，再進(jìn)行求和處理，由于聚焦方向上的信號(hào)是同相位相加，而其他方向上的信號(hào)是不同相位相加，信號(hào)會(huì)減弱，這種信號(hào)處理算法被稱為“波束形成法”[23]。

為探索不同風(fēng)葉聲源位置分布特性，運(yùn)用波束形成技術(shù)對(duì)1.1 節(jié)所述風(fēng)葉聲源位置精確定位。將聲學(xué)照相機(jī)固定在1.3.1 節(jié)所述坐標(biāo)系的(61.5 cm，-11 cm，26 cm)位置處，如圖8 所示。因?yàn)檗D(zhuǎn)速影響聲源位置的分布，分別在610 r/min、660 r/min、710 r/min 的轉(zhuǎn)速下，使用聲學(xué)照相機(jī)收集風(fēng)葉聲場(chǎng)信息，通過(guò)BK Connect系統(tǒng)處理得到噪聲云圖。

2 結(jié)果分析

2.1 聲壓級(jí)的修正

將傳聲器陣列收集到的聲場(chǎng)信息進(jìn)行以下步驟修正。

(1) 以空調(diào)外機(jī)未啟動(dòng)狀態(tài)下的環(huán)境聲作為背景噪聲，記錄傳聲器陣列時(shí)間平均聲壓級(jí)LP(B)，通過(guò)式(1)求得背景噪聲時(shí)間平均壓級(jí)均值

式(1)中，LPi(B)為背景噪聲第i個(gè)傳聲器的時(shí)間平均聲壓級(jí)，單位dB；NM為傳聲器個(gè)數(shù)。

(2)在1.3.1節(jié)所述轉(zhuǎn)速下對(duì)不同風(fēng)葉開(kāi)展聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，記錄傳聲器陣列9 個(gè)傳聲器時(shí)間平均聲壓級(jí)LPi(ST)，通過(guò)式(2)求得不同風(fēng)葉的時(shí)間平均聲壓級(jí)均值。

式(2)中，LPi(ST)為第i個(gè)傳聲器時(shí)間平均聲壓級(jí)，單位dB。

(3) 通過(guò)式(3)求得背景噪聲修正值K1。

式(4)中，S為傳聲器陣列布置的長(zhǎng)方體表面積，S=15.9472 m2；房間吸聲量A為房間內(nèi)表面積與平均吸聲系數(shù)的乘積，A=102 m2。

2.2 測(cè)量面時(shí)間平均聲壓級(jí)均值

首先對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和可重復(fù)性進(jìn)行考核，對(duì)同一風(fēng)葉在同一轉(zhuǎn)速下進(jìn)行多次測(cè)量，最大相對(duì)誤差不超過(guò)3%，表明該試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性和可重復(fù)性良好。

空調(diào)外機(jī)不同尾緣結(jié)構(gòu)軸流風(fēng)葉時(shí)間平均聲壓級(jí)均值如圖9所示，橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示時(shí)間平均聲壓級(jí)均值。1.1節(jié)所述4種風(fēng)葉時(shí)間平均聲壓級(jí)均隨轉(zhuǎn)增加而增加，由圖9 可見(jiàn)尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉均能降低風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉降噪效果最為明顯。在轉(zhuǎn)速為600～650 r/min 的中低速工況下，尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲高于尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉；在轉(zhuǎn)速為650～700 r/min的中高速工況下，尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲低于尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉。轉(zhuǎn)速為650 r/min 時(shí)原風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉和尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉噪聲時(shí)間平均聲壓級(jí)相差不大。在600～700 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間，原風(fēng)葉噪聲的時(shí)間平均聲壓級(jí)均值最大，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉噪聲的時(shí)間平均聲壓級(jí)均值最小。

圖9 不同風(fēng)葉時(shí)間平均聲壓級(jí)均值Fig.9 Mean value of time-averaged SPL of different blade

2.3 聲源定位

為探索尾緣結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)葉聲源位置分布特性的影響規(guī)律，采用波束形成技術(shù)對(duì)不同風(fēng)葉聲場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，噪聲源分布如圖10～12、圖14～16、圖18～20、圖22～24所示，r為聲源位置到風(fēng)葉輪轂中心的距離，R為風(fēng)葉半徑，比值r/R為聲源定位。

圖10 原風(fēng)葉轉(zhuǎn)速610 r/min 噪聲云圖Fig.10 Prototype blade speed 610 r/min noise nephogram

原風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖10所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.35、0.59、0.77 處。原風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為660 r/min的工況下，聲源分布如圖11 所示，頻段I、II、III、IV聲源分別位于r/R為0.10、0.40、0.64、0.77處。原風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為710 r/min的工況下，聲源分布如圖12所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.08、0.43、0.69、0.81處。

圖11 原風(fēng)葉轉(zhuǎn)速660 r/min 噪聲云圖Fig.11 Prototype blade speed 660 r/min noise nephogram

圖12 原風(fēng)葉轉(zhuǎn)速710 r/min 噪聲云圖Fig.12 Prototype blade speed 710 r/min noise nephogram

原風(fēng)葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 的轉(zhuǎn)速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖13 所示，聲源位置隨頻率的增加逐漸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。在頻段I中原風(fēng)葉3 種不同速度的聲源位置同處于輪轂葉根處，在頻段II、III、IV三個(gè)頻段下聲源位置隨風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)速度增大逐漸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。

圖13 原風(fēng)葉聲源位置Fig.13 Prototype blade sound source location

尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖14 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.52、0.61、0.53 處。尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為660 r/min 的工況下，聲源分布如圖15 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.50、0.67、0.66 處。尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為710 r/min 的工況下，聲源分布如圖16 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.16、0.46、0.65、0.73處。

圖14 尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速610 r/min 噪聲云圖Fig.14 Trailing edge recessed structure blade speed 610 r/min noise nephogram

尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉(zhuǎn)速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖17所示，頻段I到頻段II位移量較大，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在3 種轉(zhuǎn)速下，頻段II、頻段III、頻段IV的聲源位置分布在葉片中部凹陷處。

尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為610 r/min 的工況下，聲源分布如圖18所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.04、0.23、0.39、0.65 處。尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為660 r/min 的工況下，聲源分布如圖19 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.16、0.32、0.63、0.68 處。尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在轉(zhuǎn)速為710 r/min 的工況下，聲源分布如圖20 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.51、0.67、0.70處。

圖18 尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速610 r/min 噪聲云圖Fig.18 Trailing edge micro-aperture structure blade speed 610 r/min noise nephogram

圖20 尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速710 r/min 噪聲云圖Fig.20 Trailing edge micro-aperture structure blade speed 710 r/min noise nephogram

尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉(zhuǎn)速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖21所示，聲源位置隨頻率的增加逐漸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。在頻段I 中尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉3 種不同速度的聲源位置同分布于輪轂和葉根附近，在頻段II、頻段III、頻段IV 三個(gè)頻段下聲源位置隨速度升高遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。

圖21 尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲源位置Fig.21 Trailing edge micro-perforated structure blade sound source location

在轉(zhuǎn)速為610 r/min 時(shí)尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲源分布如圖22 所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.06、0.34、0.68、0.73 處。在轉(zhuǎn)速為660 r/min 時(shí)尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲源分布如圖23所示，頻段I、II、III、IV 聲源位置分別分布在r/R為0.02、0.51、0.70、0.77 處。在轉(zhuǎn)速為710 r/min 時(shí)尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲源分布如圖24 所示，頻段I、II、III、IV聲源位置分別分布在r/R為0.06、0.58、0.73、0.82處。

圖22 尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速610 r/min 噪聲云圖Fig.22 Trailing edge sawtooth structure blade speed 610 r/min noise nephogram

圖23 尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速660 r/min 噪聲云圖Fig.23 Trailing edge serrated structure blade speed 660 r/min noise nephogram

圖24 尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速710 r/min 噪聲云圖Fig.24 Trailing edge serrated structure blade speed 710 r/min noise nephogram

尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在610 r/min、660 r/min、710 r/min 轉(zhuǎn)速下，頻段I、II、III、IV 聲源位置如圖25 所示，聲源位置隨頻率的增加遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。在頻段I 中尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉3 種不同轉(zhuǎn)速的聲源位置同分布于輪轂和葉根附近，在頻段II、頻段III、頻段IV 三個(gè)頻段下聲源位置隨速度升高向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。

圖25 尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲源位置Fig.25 Trailing edge sawtooth structure blade sound source location

2.4 指向性

通過(guò)指向性試驗(yàn)得到聲輻射數(shù)據(jù)如圖26 所示，3 種改型風(fēng)葉在75°和105°方向時(shí)間平均聲壓級(jí)降低明顯，其他方向不明顯。風(fēng)葉輪轂區(qū)域不壓縮空氣，尾緣靠近葉尖區(qū)域旋轉(zhuǎn)線速度大做功能力強(qiáng)，導(dǎo)致75°和105°方向上聲壓級(jí)高于90°方向上的平均聲壓級(jí)。頻率相同，相位差恒定的聲波相疊加，雖然振動(dòng)方向不一致，也能發(fā)生干涉[24]。由于風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，3個(gè)葉尖和3個(gè)尾緣部位產(chǎn)生的同頻率、固定相位差的聲波發(fā)生干涉現(xiàn)象，可能導(dǎo)致90°方向上的時(shí)間平均聲壓級(jí)進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)不同尾緣結(jié)構(gòu)的空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉，統(tǒng)計(jì)不同尾緣結(jié)構(gòu)風(fēng)葉聲場(chǎng)信息，經(jīng)分析得出下列結(jié)論：

(1) 3種改型風(fēng)葉在600～700 r/min 轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)氣動(dòng)噪聲的時(shí)間平均聲壓級(jí)均值低于原風(fēng)葉，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲低于原風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉和尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲最大降低了1.93～2.78 dB。在600～650 r/min中低速區(qū)間，尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲高于尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉，650～700 r/min中高速區(qū)間尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉氣動(dòng)噪聲低于尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉。

(2) 對(duì)比原風(fēng)葉、尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉噪聲云圖，發(fā)現(xiàn)頻段I噪聲由輪轂和葉根產(chǎn)生；原風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在3 種轉(zhuǎn)速下聲源分布隨頻率的增加逐漸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉頻段II、III、IV聲源位置分布在尾緣凹陷結(jié)構(gòu)處。

(3) 通過(guò)指向性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尾緣凹陷結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)風(fēng)葉在75°和105°方向聲壓級(jí)降低明顯，其他方向不明顯；發(fā)現(xiàn)90°位置時(shí)間平均聲壓級(jí)低于75°和105°方向，可能因?yàn)? 個(gè)葉尖和3 個(gè)尾緣部位產(chǎn)生的同頻率、固定相位差的聲波發(fā)生干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致90°方向上的時(shí)間平均聲壓級(jí)進(jìn)一步降低。可以利用聲波干涉現(xiàn)象設(shè)計(jì)制造噪聲更低的風(fēng)葉。本文未能從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度分析尾緣凹陷、尾緣鋸齒、尾緣微孔結(jié)構(gòu)風(fēng)葉和原風(fēng)葉，后續(xù)工作將從將從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度研究4種風(fēng)葉性能。