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技術(shù)知識
風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理以及控制
一、風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理
當(dāng)多個(gè)葉片的風(fēng)機(jī)葉輪繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí),旋轉(zhuǎn)的葉片對氣流不斷施加作用力,作用力的平均部分對應(yīng)于維持氣流運(yùn)動的推力,而其交變部分則對應(yīng)于產(chǎn)生氣流噪聲的激發(fā)力。
1.旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理旋轉(zhuǎn)噪聲又稱葉片噪聲,或稱離散頻率噪聲。葉片繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí),風(fēng)機(jī)葉片相對于氣流運(yùn)動,迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)所受壓力不同。在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片通道出口處沿周向的氣動壓力與氣流速度都有很大變化,旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過較窄的蝸舌處,就會出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動,從而產(chǎn)生噪聲。葉片在自由空間旋轉(zhuǎn)時(shí),對于葉片鄰近的某固定空間位置來說,每當(dāng)一個(gè)葉片通過時(shí),空氣受到葉片及其壓力場的激勵,壓力就會起伏變化一次,旋轉(zhuǎn)的葉片不斷地逐個(gè)通過,相應(yīng)逐個(gè)地產(chǎn)生脈沖 , 向周圍輻射噪聲。
在給定空間位置產(chǎn)生的壓力,并不按正弦規(guī)律隨時(shí)間變化,而是按脈沖形式。除基頻外還有許多諧波成分 , 其頻率為基頻的整數(shù)倍。如果壓力脈沖很尖銳,在聲頻范圍內(nèi)可以有許多諧波成分。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為
f = inz / 60 ①式
式中 n ———每分鐘的轉(zhuǎn)速
z ———葉片數(shù)
i ———頻率諧波序號,i = 1 時(shí)的頻率為基頻
由①式可以看出,若將葉片數(shù)增加1倍而轉(zhuǎn)速保持不變時(shí),由于基頻增加1倍,原來的奇次諧波成分被取消,假定各諧波成分的強(qiáng)度近似相同,理論上旋轉(zhuǎn)噪聲的強(qiáng)度將降低一半。即使壓力脈沖不很尖稅,葉片數(shù)的增多對降低噪聲也是有利的。
旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓與風(fēng)機(jī)的功率成正比,而與葉輪的半徑成反比。所以,當(dāng)功率與葉片尖端的圓周速度給定時(shí),從降低噪聲的角度應(yīng)盡量使葉輪半徑大一些。葉片尖端的圓周速度對旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓非常敏感,隨圓周速度的提高 ,旋轉(zhuǎn)噪聲的聲功率迅速地增加。
2. 渦旋噪聲產(chǎn)生的機(jī)理
渦旋噪聲又稱渦流噪聲,或稱紊流噪聲。風(fēng)機(jī)葉片相對于氣流運(yùn)動時(shí)，氣流受到葉片阻擋即繞流時(shí),沿葉片表面的流線會在背面脫體，從而形成一個(gè)陰影區(qū)。在該區(qū)內(nèi)的氣體一般處于相對靜止的狀態(tài),并不隨氣流向下游方向運(yùn)動,而該區(qū)與氣流間的邊界是不穩(wěn)定的,氣流通過切向粘滯力而產(chǎn)生卷吸作用,帶動靜止的氣體運(yùn)動,在背面的分叉點(diǎn)附近形成了渦旋胚,并逐漸成長,渦流的范圍越來越大,到一定程度后渦旋胚就從葉片背面滑脫,而隨氣流向下游運(yùn)動。當(dāng)渦旋胚滑脫時(shí),在該區(qū)另一側(cè)分叉點(diǎn)附近形成一個(gè)新的渦旋胚,從而開始同上相似的過程,見圖1。
圖1（a） 表示氣流在葉道中的徑向流動 圖1（b） 表示氣流在葉片通道中形成的環(huán)流胚
九洲風(fēng)機(jī)以此類推,渦旋在葉片上側(cè)不斷地形成、發(fā)展和滑脫,產(chǎn)生一系列順流而下的旋渦。由于渦旋的中心與邊緣的壓力是不相同的,因此在渦旋脫體的過程中,渦流分裂,使氣體發(fā)生擾動,葉片受到交變氣體擾動作用力。上述過程中,葉片要不斷地向氣體施加周期性的反作用力,形成氣流的壓縮與稀疏過,從而向周圍輻射聲波,產(chǎn)生渦旋噪聲。渦旋噪聲的頻率為
f m = i β v/ L ②式
式中 β ———斯特勞哈爾( St rouhal)系數(shù),β =0. 14 ～ 0. 2 , 一般隨雷諾數(shù)的增加
而緩慢地增加,計(jì)算中一般可取β= 0. 185
v ———氣流與葉片的相對速度
L ———葉片正表面的寬度在垂直于速度平面上的投影
i ———頻率諧波序號
由②式可知,渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度,而旋轉(zhuǎn)葉片的圓周速度則隨著與圓心的距離而變化。從圓心到圓周,速度連續(xù)變化。葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的渦旋噪聲就具有連續(xù)的噪聲頻譜,頻帶寬度也將隨雷諾數(shù)的提高而緩慢地增大。從聲源特性上說,渦旋噪聲屬偶極子源,聲功率與偶極子源振速幅值v m的平方成正比,與波數(shù)k的4次方成正比,因此,渦旋噪聲的聲功率按流速v的6次方規(guī)律變化。
實(shí)際空調(diào)中使用的各種系列離心風(fēng)機(jī),旋轉(zhuǎn)噪聲與渦旋噪聲總是同時(shí)存在。若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.4,渦旋噪聲則占主導(dǎo)地位 , 若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)大于 0.4,旋轉(zhuǎn)噪聲則占主導(dǎo)地位。
二、風(fēng)機(jī)噪聲的控制
空調(diào)組合機(jī)組末端的通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的噪聲源,沿風(fēng)機(jī)的各個(gè)方向向外傳播,如下圖2。對于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家,既要保證整個(gè)系統(tǒng)的低噪聲,又要保證風(fēng)機(jī)的高效率。
1.機(jī)殼處的噪聲控制
如下圖3，在風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板,其穿孔率約為20%，內(nèi)襯一種超細(xì)玻璃棉，作為吸聲材料,其密度為15～20kg/m3,整個(gè)襯墊厚度為50～100mm。可以有效減小音調(diào)強(qiáng)度和隨機(jī)噪聲。
2.進(jìn)、出風(fēng)口處的噪聲控制
經(jīng)九洲風(fēng)機(jī)測試,空調(diào)風(fēng)機(jī)在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口,其噪聲最大。一般的方法是利用聲的阻抗失配原理,在進(jìn)風(fēng)口前和出風(fēng)口后安裝吸聲式消聲裝置來減低風(fēng)機(jī)噪聲。
在進(jìn)風(fēng)口位于機(jī)殼內(nèi)部的外圍,設(shè)計(jì)防渦旋的整流結(jié)構(gòu),見下圖4 。
葉輪中葉片出風(fēng)口的尺寸大于進(jìn)風(fēng)口位于前盤處的尺寸,氣流在風(fēng)室中流動時(shí),在進(jìn)風(fēng)口圓弧段會形成許多小股團(tuán)的渦旋,與機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口發(fā)生多次沖擊而最后脫離,因連續(xù)多次的沖擊而向周圍輻射噪聲。增設(shè)整流圈和擋板,能有效防止氣流在進(jìn)風(fēng)口旁形成渦旋,卡門渦街、二次流產(chǎn)生的噪聲有明顯降低。在KHF系列風(fēng)機(jī)中,經(jīng)同比性能測試,不僅噪聲降低6～8dB(A),且風(fēng)量、全壓也增加2%～4%,風(fēng)機(jī)效率也有所提高。
在出風(fēng)口處,除安裝消聲器外,還可以設(shè)置吸聲板來降低噪聲,如下圖5,這種方法也可應(yīng)用在進(jìn)風(fēng)口處。
3.蝸舌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
由于存在著葉片尾跡,在葉輪出口處的切向速度分布曲線呈現(xiàn)明顯的最大值和最小值。蝸舌尖端半徑的大小及蝸舌與葉輪外徑的間距大小對出風(fēng)口處的噪聲影響較大。在 KHF 系列風(fēng)機(jī)蝸舌板的設(shè)計(jì)中,除選擇適當(dāng)?shù)奈伾嗉舛税霃胶臀伾嗯c葉輪外徑的間距外,并對蝸舌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。一種方法是在風(fēng)舌的內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板,內(nèi)襯一種超細(xì)玻璃棉作為吸聲材料,其結(jié)構(gòu)與前面的機(jī)殼襯層相似。另一種方法是改變蝸舌的邊緣。一般風(fēng)機(jī)蝸舌的邊緣是平行于主軸,讓葉輪流出的周向不均勻的氣流同時(shí)作用在蝸舌上,使蝸舌受到很大的脈沖力而向外輻射較強(qiáng)的噪聲。現(xiàn)改用如下圖6所示的蝸舌板,蝸舌邊緣線與主軸傾斜,其傾斜的程度根據(jù)葉片的氣動模型計(jì)算出葉片出風(fēng)口處風(fēng)速的切線方向,讓兩個(gè)葉片出來的氣流同時(shí)作用在蝸舌上。在 KHF 系列風(fēng)機(jī)中,蝸舌邊緣與主軸的傾斜角為18°,使作用在蝸舌上的脈沖氣流相互錯開,減少蝸舌上的脈沖力,有效降低風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲。
4.葉輪氣體流道的改進(jìn)
在KHF系列風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)中,葉輪的進(jìn)口速度和葉輪中的減速程度,是特別值得關(guān)注的問題。降低葉輪中的進(jìn)口速度和增大葉輪中的減速程度,可使葉輪中的流速減小,減少流動損失,提高葉輪的流動效率,還可以有效地降低噪聲。為此,九洲風(fēng)機(jī)將葉片設(shè)計(jì)為后掠式扭曲葉片,如下圖7所示。
采用后掠式扭曲葉片,葉片在出風(fēng)口處適度前傾,在進(jìn)風(fēng)部位后掠,可以避免流道的急劇擴(kuò)張,防止氣流嚴(yán)重分離,讓葉片背面產(chǎn)生的紊流附面層和分界層所形成的渦旋胚以最快的速度解體,從而提高了氣流在葉道中的流動效率 ,也減少了渦旋所產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)同型號風(fēng)機(jī)性能測試比較,KHF 系列風(fēng)機(jī)的效率提高了3%～5%,噪聲同時(shí)下降8～10dB(A),尤其在大風(fēng)量區(qū),效率高,噪聲低,其氣動性能在國內(nèi)外同類型風(fēng)機(jī)中趨于領(lǐng)先地位,是空調(diào)組合機(jī)組中理想的配套風(fēng)機(jī)。
風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的是一個(gè)非常復(fù)雜的噪聲源,要通過對噪聲的測量、分析、診斷技術(shù)等來確定主要噪聲源,依據(jù)輕重緩急的原則,采取幾項(xiàng)合理的治理措施 , 才會有良好的效果。
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