张冰
1.沈阳建筑大学管理学院，辽宁，沈阳110168
2.沈阳中海兴业房地产开发有限公司 辽宁，沈阳110036
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，近年来，风机类旋转机械如散热风扇、压缩机、水泵和螺旋桨等设备的噪声越来越受到人们的关注，噪声指标慢慢成为风机类产品出厂的重要指标，时刻考验着设计人员和分析人员敏感的神经。设计研发出低噪声的风机类产品便可以成为市场上的一大卖点，如近年来空调研发企业的低噪音空调，某品牌低噪音榨汁机等。工业产品如机载设备在工作过程中由于通风、散热的需要通常会配备风机装置。风机设备运行过程中由于叶片的周期性转动以及带动附近空气的流动会产生频谱特定的噪声源。风机噪声源通过一定的传递路径，如机箱和流道等传到外部对环境噪声形成重要贡献。为了有效控制整机工作过程中的整体噪声值，设计人员需要有目的性的对风机噪声进行研究，主要包括对噪声的预测以及对降噪手段的设计。
关键词：风机噪声；气动噪声；频谱分析；降噪措施
引言
风机在长期高负荷的流体传输过程中，容易出现部件松动摩擦、转子动不平衡和对中不良等故障。通过风机故障诊断技术可快速定位故障位置，提高风机的运行效率。风机运行过程中会产生持续性的气动性噪声，采用主动与被动降噪技术可降低气体介质的紊流度，降低噪声的分贝数，改善风机的操作环境。
1风机噪声
1.1宽频涡流噪声
由湍流产生的宽频噪声，在整个频率区间内无非常明显的起伏。宽频涡流噪声是由气流流动时的各种分离涡流产生的，一般认为有 4 种成因：当具有一定的来流紊流度的气流流向叶片时产生的来流紊流噪声；气流流经叶片表面由于脉动的紊流附面层产生的紊流边界层噪声；由于叶片表面紊流附面层在叶片尾缘脱落产生的脱体旋涡噪声；轴流通风机由于凹面压力大于凸面，而在叶片顶端产生的由凹面流向凸面的二次流被主气流带走形成的顶涡流噪声。
1.2叶片通过频率噪声
由于叶片的周期性转动导致在特定基频与倍频产生离散噪声。该部分噪声与叶轮的旋转有关。特别在高速、低负荷情况下，这种噪声尤为突出。离散噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的周向不均匀流场相互作用而产生的噪声。一般认为有 3 种：进风口前，由于前导叶或金属网罩存在而产生的进气干涉噪声；叶片在不光滑或不对称机壳中产生的旋转频率噪声；离心出风口，由于蜗舌的存在或轴流式风机后导叶的存在而产生的出口干涉噪声。离散噪声具有离散的频谱特性，基频噪声最强，高次谐波依此递减。
2风机噪声传播路径
2.1噪声监测点频谱分析
气动噪声是对旋风机的最主要噪声来源，气动噪声包括离散噪声和宽频噪声，气动噪声由上述噪声相互叠加而构成。由风机气动噪声理论可知，离散噪声主要由动叶旋转与空气产生周期性扰动产生；宽频噪声主要由叶尖涡流和叶片尾迹漩涡脱离、湍流边界层、不均匀来流等因素导致的随机脉动而引起。为进一步分析对旋风机噪声分布特点，将其外场各监控点声压的时域信号，经过快速傅里叶变换（FFT）得到其声压频谱。对流场外不同观测点噪声进行 A 记权 1/3 倍频程（1/3-Octave Band/Hz）分析，其中横坐标为 1/3 倍频程（1/3-OctaveBand/Hz），纵坐标为压力 A 声级（dBA/dB），风机轴旋转频率为 49.17 Hz，两级叶轮的叶片通过频率分别为 737.55，491.7 Hz。噪声分布频谱显示出连续的宽频噪声特征。在两级叶轮的叶片通过频率叠加频率 1 229.25 Hz 附近区域，3 种叶形的 A 声级值在整体频率范围内均最高，其中双头钝叶形噪声最低，A 声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形约 3 和 7dB。
原始翼型、双头尖叶形、双头钝叶形在进口处进 0.5 m 点的最高声压值分别为 103.5，112.2，96.1 dB；进 1 m 点的最高声压值分别为 94.3，103.8，87.4 dB；进 1 点的最高声压值分别为 97.2，100.1，89.1 dB。进口监测点，在 50~200 Hz 低频区域双头钝叶形噪声最低，A 声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形约 10 dB 和 15 dB，双头尖叶形的 A 声级值最高。在 200~1 000 Hz 范围内，3 种叶形噪声相差不大。在 1 000~2 500 Hz 范围内，双头钝叶形噪声最低，原始翼型和双头尖叶形相差不大，3 种叶形的 A 声级值平均相差 4 dB 左右。从2 500 Hz 开始频谱线逐渐降低，3 种叶形噪声 A声级值在此频率范围相差不大。
2.2降噪技术
风机降噪技术主要分为主动降噪与被动降噪，主动降噪是从源头降低噪声。就通过对风机内部加装防涡圈和入口加装仿真导流板，降低了风机内部流场湍流度，使噪声升压分别降低了0.7dB 和2dB。而被动降噪是指在传播过程中吸收风机产生的噪声，一般采用吸声材料的多孔性消除风机噪声，如采用多孔玻璃纤维吸音板可以使噪声降低约1dB 。也可使两种降噪方式结合，表明风机的气动噪声源来源于蜗壳，在蜗壳内壁增加穿孔板和隔音棉等手段能够有效降低风机的噪声。采用阻性消声器与吸声材料大幅度地降低了理性风机的噪声污染。7种风机降噪方案进行验证，结果表明，隔声罩的降噪效果优于消声器，隔声罩与消声器共同用于风机，噪声峰值降低到58dB。并且吸声材料采用双层结构并且表面加装阻尼后，降噪效果明显提高。尽管对金属冶炼行业风机的主要噪声源的研究较少，隔声罩可能影响风机的散热，采用消声器和吸声材料共同控制噪声不乏为有效降噪手段。
2.3降噪措施
2.3.1进风口消声器
消声器是利用多孔吸声材料来吸收声能，当声波通过衬贴多孔吸声材料的进风口、出风口时，声波将激发多孔吸声材料中的无数小孔中的空气分子产生剧烈的运动，其中大部分声能用于克服摩擦阻力和粘滞阻力并转变成热能而消耗掉，从而降低风机所产生的空气动力噪声。一般而言，消声器的消声量与消声器的结构形式、长度、通道面积和吸声材料的性能有关。对于直筒消声器，其消声量 △L 可按公式进行计算。式中, φ ( α 0 )为材料吸声系数； α 0 为消声系数； P 为通道截面周长，m； S 为通道截面积，m 2 ； L 为消声器的长度，m。由公式(5)可知，当消声器结构确定好后，其消声量与吸声材料的吸声性能成正比。由于该风机为特殊用途，对结构尺寸和质量有着非常严格的限制,因此需要设计吸声性能良好，并且密度轻，厚度薄的吸声材料用于本风机消声 。根据风机本体的噪声频谱特性和三聚氰胺泡棉的吸声特性，设计消声器穿孔板厚度 1×10 -3 m，开孔率15%，吸声材料平均厚度2.5×10 -2 m，并折弯流道增加吸声面积.
2.3.2科学选择风机叶片的尺寸和形状
翼型叶片的升力比较大、阻力比较小，所以在选择风机叶片的时候，选择阻力比较小的翼型叶片。这种叶片的前缘能够更好地适应气流冲角的变化，叶片的后缘在振动作用允许值范围，能够将叶片做的比较薄，从而减少尾翼的影响。同时在选择的时候，还要考虑到叶栅稠度，叶栅稠度直接影响到噪音的频率和强度。叶栅稠度大小取决于叶片弦长、叶片数量和轮毅直径。其计算公式如下：式中：t 表示叶栅的栅距，当轮毅直径确定时，如果叶片数量和弦长增加，那么叶栅稠度也会增加。在其他条件都相同的情况下，增加弦长则会增大附着面，从而使得叶片的后缘增大，提高噪音的强度。如果叶片弦短，则叶片后缘减少，那么噪音强度下降，相对的叶栅稠度值也变小，那么噪音频率降低。以纺织厂空调轴流风机为例，一般叶栅稠度在0.618～1。如果叶栅稠度值一定的情况下，叶片弦比较长的叶片数比较少的比叶片弦比较短、叶片数量比较多的风机噪音更低。
结语
风机作为通用机械，在工农业生产及日常生活中具有广泛的应用，提高其设计效率、降低其运行噪声和振动具有很大现实意义。风机噪声是重要的质量指标，它即是考核产品对环境噪声污染的量化指标，也可以反映风机类产品的设计和制造质量。同时，噪声影响人们的工作学习和身体健康。
参考文献：
[1] 张键. 机械故障诊断技术[M]. 北京: 机械工业出版社，2014.
[2] 许峰. 故障诊断技术在离心式风机中的应用与实践[D].安徽工业大学，2016.