離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲研究方法分析與建議

　 　 對目前離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲的研究方法進(jìn)行了分析，總結(jié)出數(shù)值模擬及其計算方法還不完善。提出了離心風(fēng)機(jī)蝸殼簡化成一個具有硬邊界的理想殼體模型的思路來開研究風(fēng)機(jī)氣動噪聲。

　 　 1引言

　 　 離心風(fēng)機(jī)的噪聲以氣動噪聲為主，在性質(zhì)上可以分為離散噪聲與寬帶噪聲。其氣動噪聲主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產(chǎn)生，并通過進(jìn)、出氣通道加以傳播。蝸殼內(nèi)部的三維非穩(wěn)定流場以及殼體的特殊形狀使得對其開展研究變得困難。近年來，國內(nèi)外專家如：Lowson、Wan-HoJeon等都針對離心風(fēng)機(jī)噪聲做了很多研究，在發(fā)聲機(jī)理和聲源傳播、數(shù)值模擬、測試技術(shù)等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善之處。本文綜合了近年來國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的理論計算和試驗研究方法，同時提出了新的建議。

　 　 2理論計算方法

　 　 2.1點(diǎn)源模型

　 　 對于風(fēng)機(jī)而言，點(diǎn)源模型是一種十分有用的技術(shù)。這種近似的準(zhǔn)則是，所要研究的最高頻率的波長λ應(yīng)該遠(yuǎn)大于聲源的物理尺寸L。為滿足這個準(zhǔn)則要求，對發(fā)射較高頻率噪聲的葉片，在應(yīng)用點(diǎn)源模型時，可將每個相關(guān)面積或相關(guān)體積視為一個小尺寸的孤立聲源，將風(fēng)機(jī)葉片用沿著葉片展長分布的孤立點(diǎn)源的總和來模擬。目前有人研究了自由聲場旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源的聲學(xué)特性；Lowson通過波動方程推導(dǎo)出了運(yùn)動點(diǎn)源產(chǎn)生的聲場公式，該公式適合于葉片上的每個微元體，然后對葉片上的所有微元求積分就可以求出葉片運(yùn)動產(chǎn)生的聲場。但擬定葉片微元的點(diǎn)源尺寸是一個難題，而且一般來說風(fēng)機(jī)葉片都不是直葉片，甚至在空間有很大扭曲，用點(diǎn)源模型進(jìn)行模擬容易產(chǎn)生較大誤差。另外，上述研究針對的是自由聲場，而離心風(fēng)機(jī)必須考慮蝸殼的影響。

　 　 2.2蝸舌的尖劈模擬

　 　 靜止平板尾緣紊流邊界層聲發(fā)射的理論計算公式早已得出，但用于葉輪機(jī)械噪聲還需進(jìn)一步改進(jìn)。陸桂林考慮了葉片旋轉(zhuǎn)對聲發(fā)射的影響，并結(jié)合有關(guān)試驗資料，引入葉片幾何參數(shù)的組合關(guān)系式，推導(dǎo)出了一個有個葉片的離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發(fā)射計算公式。這些都是在無蝸殼假定下噪聲計算公式的推導(dǎo)。為了模擬有蝸殼存在的情況，Wan-HoJeon在葉輪附近放置一個尖劈模擬蝸舌，以它來作為產(chǎn)生離散噪聲的聲源。

　 　 通過此模型計算出流場，然后用非定常的伯努利方程計算出作用在葉片微元上所受的力，最后利用Lowson導(dǎo)出的任意運(yùn)動點(diǎn)源的聲場公式計算聲壓：運(yùn)用該模型進(jìn)行風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值模擬可以得到很多有價值的數(shù)值計算結(jié)果，改變其中一些參數(shù)，如葉片數(shù)，葉輪旋轉(zhuǎn)速度和葉輪與尖劈之間的間隙等來重新進(jìn)行計算，并加以比較可以分析葉片通過頻率噪聲的影響因素，對離心風(fēng)機(jī)的降噪有指導(dǎo)意義，尤其是對分析離散噪聲的成因及其降噪方法有著比較重要的作用。但是它只能模擬風(fēng)機(jī)的基頻噪聲，且仍沒有考慮完整蝸殼的存在。

　 　 2.3基于寬頻噪聲的模擬

　 　 寬頻噪聲也稱作渦流噪聲，它主要取決于對應(yīng)的流場。至今尚未看到與離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部完整流場所對應(yīng)的聲場解，所以渦流噪聲很多都還是實驗研究或者理論上的定性分析。

　 　 可以利用加速度傳感器得到蝸殼表面的振動速度分布，然后通過公式計算出蝸殼表面的聲壓，或者可以通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口的聲壓計算進(jìn)出口輻射的聲功率，然后得到總的合成聲功率。可以看出，該計算方法可以計算蝸殼振動引起的噪聲輻射，也可以計算通過進(jìn)出口管道向外傳遞的噪聲。但是在測量進(jìn)出口的聲壓時，由于氣流的影響，使測量受到較大的干擾，因此測定的聲壓不一定是真實值；另外，由于蝸殼表面各點(diǎn)振動極不均勻，不僅是垂直于表面振動，甚至隨時間變化。測量時需要測量大量點(diǎn)的振動速度，工作量大，而且可靠性不高，因此該方法的應(yīng)用也有局限性。

　 　 2.5蝸殼聲電類比模型

　 　 很早人們就提出了聲電類比方法并計算出了離心風(fēng)機(jī)的聲共振頻率，并用高階模態(tài)分析方法分析了幾個具有比亥姆霍茲共振頻率更高的譜峰，用試驗手段繪出了蝸殼內(nèi)規(guī)范化的聲壓分布。后來黃其柏又在此基礎(chǔ)上提出了蝸殼基頻共振引起的噪聲增量數(shù)學(xué)模型，最后推導(dǎo)出了在共振頻率處遠(yuǎn)場某點(diǎn)總噪聲聲壓級增值為:

　 　 利用此式可以對遠(yuǎn)場某點(diǎn)總噪聲聲壓級增值進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。國內(nèi)一些實驗已經(jīng)證實了蝸殼基頻共振噪聲在小流量工況下的重要性。

　 　 2.6聲學(xué)相似定律

　 　 由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的一系列確定噪聲功率的標(biāo)準(zhǔn)，同樣也適用于風(fēng)機(jī)。試驗各種不同型式和尺寸的風(fēng)機(jī)需要大量試驗設(shè)備和時間，而且費(fèi)用昂貴。因此將相似定律應(yīng)用于風(fēng)機(jī)氣動噪聲，能大大降低成本。從而可以根據(jù)一種尺寸風(fēng)機(jī)的試驗資料，對尺寸不同而因次相似的風(fēng)機(jī)系列進(jìn)行聲功率的計算。Weidemann對風(fēng)機(jī)噪聲作了無因次分析，且得到了無因次參數(shù)關(guān)系式：

　 　 因此，換算因次相似的風(fēng)機(jī)噪聲頻譜時，可用上面兩個公式的任何一個，但是對于同一系列而尺寸不同的風(fēng)機(jī)，常數(shù)α,β和函數(shù)F,G或F,G應(yīng)分別對應(yīng)相等。

　 　 聲學(xué)相似定律的應(yīng)用也是需要預(yù)先知道某因次相似風(fēng)機(jī)的實驗資料才能進(jìn)行聲輻射計算，開展聲學(xué)設(shè)計，它也不是單純從理論上直接解決離心風(fēng)機(jī)噪聲問題。

[$page]　 　 3試驗研究方法

　 　 3.1進(jìn)出口管道試驗

　 　 由于缺乏準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)，因此很多試驗還是基于理論上的定性分析進(jìn)行試驗，一般都采取帶有消聲器的進(jìn)氣或出氣管道在進(jìn)、出口進(jìn)行噪聲測量，再對試驗結(jié)果進(jìn)行頻譜分析以判斷噪聲源和傳播途徑。在試驗過程中通常都會先分別考慮軸向、徑向進(jìn)口間隙、蝸殼的擴(kuò)張角和擴(kuò)張長度以及蝸舌與葉輪間隙、蝸舌傾斜角、蝸舌半徑和葉輪類型、葉片數(shù)目等參數(shù)，分別分析這些參數(shù)對離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響,但是這樣進(jìn)行分析和試驗的工作量太大，而且忽略了各