上海中廣通環保科技有限公司
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現實生活環境中，離心風機在各領域中都有所應用，但是其噪聲一般都遠超規定的標準。根據離心風機的整體構造和工作環境綜合考慮可以發現，離心風機在運行過程中會產生較大噪聲。離心風機的結構包括蝸殼、葉輪和導流裝置三個部分。在工作過程中，離心風機將電能轉化為動能，從而帶動氣體運動，工作時，主要靠電機驅動葉輪，產生扭矩后，將氣體加速運動。如何設計和優化離心風機的問題，從離心風機誕生后便是學者們一直在探討的問題。普通離心風機和多翼離心風機結構有所不同，因此，兩者工作環境也有一定差異。在實際工作狀態下，普通風機的工作效率高于多翼離心風機，但是多翼離心風機具有流量大、結構緊湊、壓力系數高等特點。研究家用多翼離心風機，利用遠場麥克風陣列進行風機噪聲的測量。根據離心風機結構，采用被動降噪的方法，研究改變風機蝸殼的進、出口結構，結合吸聲材料改善其性能，以達到降低離心風機噪聲的目的。
1 實驗模型及實驗布置
1.1 實驗模型及設備
研究的家用多翼離心風機型號為GF100?2，風量為280 m3/h。為降低環境噪聲對多翼離心風機的干擾，實驗是在溫州大學聲學風洞實驗室進行，該風洞具有較低的背景噪聲和低湍流強度。風洞可用空間為4.0 m×3.3 m×2.5 m，截至頻率為140 Hz。
離心風機遠場噪聲測試如圖1所示。測試時，離心風機位于風洞實驗室中央，四個測試麥克風均布置在距離葉輪中心1.4 m的水平位置，為了防止出口處氣流影響麥克風測試結果，所以將四個麥克風分別布置在出口兩側。其中，四個麥克風的位置分別在距離離心風機出風口1.4 m的球面上，Mic1和Mic4左右各偏置30°，Mic2和Mic3左右各偏置15°。試驗臺布置如圖2所示。離心風機工作后，待運行平穩，麥克風開始采集信號，采集的聲壓數據傳輸至計算機進行處理。
1.2 實驗數據采集及處理
實驗前，將所有麥克風用90 dB標準聲源校對器進行測試，確保實驗誤差最小。將型號為BSWAMPA201的遠場傳聲器與提供電源的前置放大器相連，使用型號為NI-USB 6529的數據采集卡，以51200 Hz的采樣頻率獲取聲學數據，采樣時間為8 s，并以4096個塊進行分析，獲得12.5 Hz，使用Welch方法計算PSD，使用Hamming窗口，區塊重疊率為50%，對約100個區域進行平均，獲得統計置信度。為了減少頻譜泄漏，在處理時域信號時，對100個數據塊都要使用Hamming窗函數。在信號收集處理時，需要選擇51200個數據點，進行傅里葉變換，得到最終噪聲頻譜圖。
圖1離心風機遠場噪聲測試示意圖
圖2離心風機噪聲實驗測試平臺
2 實驗測試與結果分析
2.1 離心風機降噪方案設計
目前，離心風機的降噪方法主要有主動降噪和被動降噪兩種。主動降噪[4]指從噪聲源直接進行改進，即對離心風機結構進行直接改變，以達到控制噪聲的目的；被動降噪指在噪聲傳播的途徑中進行控制，進而降低離心風機傳播的噪聲。通過對離心風機進、出口風道改進，采用被動消聲的方法進行降噪實驗。根據離心風機噪聲特性，在入口位置設計了入口管道延長、微穿孔板設計、復合結構設計三種方案；在出口位置設計了出口結構的孔徑、穿孔率、穿孔板背部空腔、穿孔板+聚酯纖維以及穿孔板+玻璃棉等五種實驗方案。
2.2 微穿孔板吸聲結構
吸聲降噪通常采用被動降噪的方式，即利用穿孔板結構和多孔吸聲材料來吸收噪聲，從而達到降低噪聲的目的。微穿孔板吸聲結構[7]是在厚度不大于1 mm的薄板上鉆上直徑不大于1 mm的微孔，是由一定穿孔率的微穿孔板和空腔組成，其結構相當于多個亥姆霍茲共振器并聯在一起。亥姆霍茲共振器[8]結構，空腔內部通過小孔與外界連接。當聲波進入小孔后，孔徑中的空氣柱在聲波壓力的作用下往復運動，使氣體與小孔內壁摩擦，消耗能量；氣體分子之間具有間隔，當聲波通過小孔進入空腔時，空腔中的氣體會形成一個彈性系統，阻礙聲波能量的進入。當聲波頻率等于穿孔板吸聲結構的頻率時，進入孔徑的空氣柱將會發生共振現象，此時，空氣柱的振動量、速度、摩擦損耗達到最大，對聲能的消耗也最大。
2.3 多孔吸聲材料
從工程實用性角度出發，影響多孔材料吸聲性能的因素很多，包括材料中空氣的流阻、孔隙率、材料厚度、材料容重、材料背后空氣層、聲波的頻率和入射條件、材料的吸濕、吸水性能等[9]。其中，材料容重、厚度和背后空氣層占據重要地位。材料容重是指單位體積內多孔材料的重量。研究發現，增加材料容重會增加低頻吸聲系數，降低高頻吸聲系數。不同的吸聲材料吸聲范圍不同，合理的材料容重能夠保證多孔吸聲材料具有良好的吸聲性能。增加材料背后空氣層相當于增加多孔材料厚度，會改善低頻吸聲效果。為了探究多孔材料在離心風機噪聲控制中的作用，選取了容重為20 kg/m3的聚酯纖維消聲棉和容重為80 kg/m3的玻璃棉材料進行降噪實驗。
2.4 實驗結果及分析
根據所設計的測試方案，分為三組實驗進行測試。實驗過程中，先測試出原離心風機的噪聲，之后以此和其他降噪裝置進行對比從而分析最佳降噪效果。
2.4.1 降噪實驗一
實驗一中入口裝置安裝長度為200 mm，其他設置不做處理，通過改變出口裝置的孔徑、穿孔率、背部空腔深度和在空腔中添加聚酯纖維或玻璃棉等五種方式研究降噪效果。麥克風測試位置的最優A計權噪聲聲壓級、平均值及其降噪量見表1。表1表明，當孔徑為0.8 mm時，相較于原離心風機，降噪量可達2.7 dBA；當穿孔率為3%時，降噪量可達1.8 dBA；穿孔板背部空腔深度為30 mm時，降噪量可達2.9 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加聚酯纖維吸聲棉時，降噪量為2.9 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加玻璃棉時，降噪量為6.3 dBA。
表1不同組合出口結構最佳A計權聲壓級（dBA)
2.4.2 降噪實驗二
實驗二中入口裝置選用孔徑為1 mm，穿孔率為9%，穿孔板背部空腔為20 mm，長度為200 mm，分別改變出口裝置結構研究風機降噪效果。麥克風測試位置的最優A計權噪聲聲壓級、平均值及其降噪量見表2。當孔徑為0.8 mm時，相較于原離心風機，降噪量可達2.6 dBA；當穿孔率為3%時，降噪量可達1.9 dBA；穿孔板背部空腔深度為30 mm時，降噪量可達3.3 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加聚酯纖維吸聲棉時，降噪量為3.5 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加玻璃棉時，降噪量為7.7 dBA。
表2不同組合出口結構最佳A計權聲壓級（dBA)
2.4.3 降噪實驗三
根據前面兩組實驗可知，入口模型結構對風機降噪有一定影響。因此，實驗三入口裝置選用孔徑為2 mm，穿孔率為23%，穿孔板背部空腔為20 mm，長度為200 mm，穿孔板背部空腔添加玻璃棉。測試位置的最優A計權噪聲聲壓級、平均值及其降噪量見表3。當孔徑為0.8 mm時，相較于原離心風機，降噪量可達3.3 dBA；當穿孔率為3%時，降噪量可達2.5 dBA；穿孔板背部空腔深度為30 mm時，降噪量可達3.7 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加聚酯纖維吸聲棉時，降噪量為3.9 dBA；穿孔板背部空腔為50 mm添加玻璃棉時，降噪量為8.3 dBA。
表3不同組合出口結構最佳A計權聲壓級（dBA)
3 結論
針對離心風機噪聲特點，提出了合理的降噪設計方案。利用遠場麥克風陣列測試了不同組合的進、出口結構遠場噪聲，得出了如下結論：
（1）當出口裝置一定時，穿孔板+玻璃棉入口設計方案的吸聲效果最好，微穿孔板裝置入口降噪次之，入口裝置未處理時降噪效果最差。
（2）當入口裝置不變時，發現穿孔板背部空腔改變后降噪效果最好，孔徑降噪效果次之，穿孔率影響最小；對比不同多孔吸聲材料，容重為80 kg/m3的玻璃棉吸聲效果比容重為20 kg/m3的聚酯纖維吸聲棉吸聲效果強。
（3）當入口裝置不變時，當孔徑為變量時，在孔徑為0.8 mm時降噪效果最佳；當孔當穿孔率為變量時，在穿孔率為3%時降噪效果最好；當穿孔板背部空腔深度為變量時，隨寬度增加，降噪效果也逐漸增大。當復合結構降噪時，聚酯纖維吸聲棉和玻璃棉均可達到吸聲效果，并且隨著穿孔板背部空腔中吸聲材料的增加，降噪效果也越來越好，在空腔寬度達到50 mm時，吸聲效果可以達到8.3 dBA。
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