風機噪聲的產生與控制

1基于提出風機噪聲的途徑20世紀70年代以來，污染問題越來越受到重視。在新設計空氣輸送和通風系統時,常常必須預先估計風機產生的噪聲,并提供合適的噪聲控制措施。風機噪聲就其性質和來源可以分為氣動噪聲、氣體和固體彈性系統相互作用產生的噪聲(即耦合噪聲)、機械結構噪聲和電機噪聲四部分,其中氣動噪聲一般占據主要部分,且最難以治理。降低風機噪聲的途徑一般有兩種:一是利用氣動聲學原理來設計低噪聲風機,二是采用消聲、隔聲或吸聲等措施。前者難度比較大,國內外都已經開展了不少工作,但是尚不夠成熟。后者則存在著某些缺陷,首先是低頻噪聲無法消除,其次增加了系統的附加質量,采用有源降噪方法就能有效地解決這兩個問題。有源噪聲控制(ActiveNoiseControl)就是人為地利用聲場或聲波干擾,通過引入二次聲源建立一個相消干涉模式,從而實現指定區域內聲能降低或消除的目的。由于有源控制技術具有良好的低頻特性,使其成為解決風機低頻噪聲問題極具潛力的降噪方式。2風機噪聲機理氣動聲學理論的研究已有幾十年歷史,它是空氣動力學和聲學相互滲透而產生的交叉學科。根據理論分析和試驗研究,風機氣動聲源主要為寬帶噪聲和離散噪聲。寬帶噪聲,也稱渦流噪聲,它是葉輪在旋轉過程中,葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲,包括來流紊流噪聲、紊流附面層噪聲、尾緣渦流脫落噪聲和葉尖渦流噪聲;離散噪聲,大多數情況下也稱旋轉噪聲,是旋轉的葉片周期性地打擊空氣質點或臨近部位(如蝸舌)引起空氣的壓力脈動所產生的離散頻率噪聲。很多研究還就軸流風機氣流參數(包括轉速、流量系數以及進氣畸變等)和結構參數(包括葉柵的結構參數、徑向與軸向間隙、動靜葉數目的匹配等)對風機噪聲的影響進行了詳細的分析,提出了一些典型的降噪措施(包括旋轉圍帶、鋸齒形進氣、前傾葉片、不等距葉片、端壁邊界層抽吸等)。雖然離心風機在噪聲產生機理、結構和氣流參數對噪聲的影響、降噪措施以及噪聲理論評估方法等方面進行了大量的研究,但是其氣動聲學研究落后于軸流風機。近年來,人們對風機噪聲機理的研究越來越多地集中在離心風機方面。陳花玲等對前向多翼離心風機的三種主要噪聲成分的產生機理和影響因素進行了系統的研究,認為葉道中的氣流狀態是該類型風機噪聲的治理重點,并采用整流或導流措施來降低風機噪聲。K.R.Fehse和W.Neise通過研究認為離心風機低頻噪聲是由前蓋板和葉輪吸力面處的流動分離產生的,所以葉輪設計中,要求葉輪輪蓋曲率半徑大且葉輪出口寬度小、盡量避免流動分離等。氣固耦合噪聲產生的因素很多,但噪聲發作機理始終與氣體的繞流、流動分離和旋渦所引起的壓力脈動密切相關。在風機噪聲研究中應當把氣體和固體彈性系統作為一個統一的動力系統來研究氣固耦合噪聲。通過對實驗數據的分析,人們對離心風機噪聲相似定律進行了大量的研究并取得廣泛應用。在此基礎上,開始使用數值方法研究管道風扇和離心風機葉輪的空氣動力噪聲。隨著對渦聲理論的研究和應用越來越廣泛,人們對旋渦與發聲的關系也有了一定的了解,開始運用渦聲理論求解某些物體繞流時的聲輻射問題。渦聲理論把輻射的噪聲大小與渦量聯系起來,主要關心流場中渦量的大小、變化及其運動情況,簡化了對流場中細節問題和復雜流動現象的過細研究。國外有人用渦聲理論對低馬赫數無旋流動中渦繞過圓柱、半無限平板、渦在收縮管道中運動以及低馬赫數射流中兩個橢圓渦環之間存在相對運動的聲場進行了研究;在國內,王智平、朱之墀用渦聲理論分析了繞過翼型時聲壓場的變化及聲源的指向性問題;現在人們開始對葉片與渦之間產生噪聲的關系進行研究。我們可以利用他們經驗,運用渦聲理論來研究風機的旋渦噪聲、湍流噪聲等的發聲機理。以往工程界一般采用模態理論分析結構振動問題,用波動理論研究噪聲問題,實際上振動與噪聲是同一物理過程的兩個側面,即振動在結構內傳播,噪聲在流體中傳播。所以,在以后的研究中應該可以采用模態—波動雙重概念來研究風機噪聲控制問題。3聲激波消聲器風機無源噪聲控制方法(PassiveNoiseControl)基本上都是從優化風機結構方面入手。對離心風機采用的無源噪聲控制方法有增加蝸舌處間隙、增加蝸舌邊緣的曲率半徑、使葉輪葉片和蝸舌邊緣形成斜角、使用圓形風機機殼、蝸舌處安裝λ/4共振器降噪、整流和導流等十余種,這些方法都已經趨向成熟。下面介紹一個聲激波降噪的例子:聲激波是非線性聲學中的一個重要物理現象,航空發動機進氣管道內喉部氣流速度接近聲速時,風扇產生的強噪聲沿進氣道向外逆流傳播,會在喉部附近形成聲學量間斷——聲激波,造成聲能的很大衰減,達到很好的降噪效果。朱之墀等設想利用管內聲激波現象研制一種新型的強噪聲用的消聲器——聲激波消聲器。它的原理很簡單:在正常的管道上接一段縮放管道,只要進口噪聲強度足夠大,管內流動馬赫數足夠高,聲源逆流傳播,則聲波堆積會形成聲激波,聲波中的能量部分耗散為熱能,結果在出口處達到降噪效果。他們的研究發現,對于縮放或收縮噴管,喉部流動馬赫數Mt大于0.90~0.95,聲源聲壓級Lp高于130~140dB時的聲逆流傳播,聲波在喉部堆積結果,局部馬赫數超過1而形成聲激波,使部分聲能轉化為熱能達到降噪效果。隨著Mt和Lp增大,聲激波強度增大,降噪量也隨之增大,聲激波降噪的潛力對低頻是很大的。目前聲激波消聲器還沒有在工程中應用,隨著聲激波消聲器研制的發展,相信會在風機(主要是高速風機)降噪中得到較為成功的應用。4聲場再現理論一般認為有源消聲存在三種消聲機理:聲輻射抑制機理、聲能量吸收機理和抗性能量存儲機理。二十世紀80年代初,馬大猷先生在封閉空間有源消聲研究中,綜合這三個理論提出了“本征方式相干理論”,認為有界聲場總的聲能量取決于其本征方式對能量的貢獻。與此相近,英國學者P.A.Nelson提出用“聲場再現理論”進行噪聲控制。該理論從聲場角度重新認識有源消聲中聲場控制機理問題,對三維空間的有源消聲具有特殊的指導意義。到目前為止,流體機械領域中,對管道風扇、軸流風機以及離心風機的有源消聲研究還比較有限。4.1管道噪聲噪聲風機在使用時,進、出口已連接了管道。在具有管道噪聲的主管道上開一個或多個旁通管,則在旁通管道后聲傳播下游,噪聲可能下降。這完全符合反聲(即噪聲有源控制)原理:沿聲傳播方向旁通管道的后連接處就是一個反聲源(次級聲源),它來自于噪聲源(初級聲源);它與初級聲源的相位差可用旁通管道長度與旁通管連接處的主管道長度之差來調節;它的強度可用旁通管與主管道的面積比來調節。只要這些結構參數選擇合適,就可以取得降噪效果。戴根華等人對無流動管道的管道噪聲,利用單段旁通并在出口有吸聲尖劈的情況下,進行反射聲降噪的實驗和數值研究;朱之墀等人又研究具有流動的管道中旁通管降噪問題;李嵩等人接著提出了多段旁通管出口有反射波的旁通管反聲降噪方法。這些方法預計的降噪效果與實際測量值符合良好,有較好的工程應用前景。4.2風機葉片噪聲控制策略風機噪聲的有源控制研究目前主要是針對結構輻射聲。80年代后期,P.A.Nelson等人提出了一種消聲理論,其特點是從能量角度出發,在初級聲源附近引入若干次級點聲源構成一個聲輻射陣,選擇該陣總輻射聲功率為目標函數,在已知初級聲源復強度以及輻射陣空間分布的情況下,確定一組最優次級聲源復強度使總輻射聲功率最小。本田等人將軸流式風機噪聲源簡化為二重圓周狀線聲源進行研究,取得了階段性成果;任寶生、張克猛則將軸流式風機葉片噪聲源視為由動葉氣動噪聲和靜葉干涉噪聲構成的多重聲源,且將前者簡化為強度和位相都隨風機轉動的旋轉聲源,將后者簡化為點聲源群,并在考慮二者之間相互影響的基礎上進行了研究,取得了良好的消聲效果;對離心風機,降低其葉片氣動噪聲的有源控制方法的原理是在機殼內的蝸舌部位安裝兩個次級聲源,次級聲源由電子信號激勵,電子信號與葉輪的轉向同步,調節它們的振幅和相位,使風機進出口處的噪聲減到最小。上述這些研究都假設次級聲源為點聲源。應該指出:雖然以點聲源作為次級聲源形式較為簡單,應用時也便于實現,但在實際工程應用中,難以獲得理想點聲源,因為實際的次級聲源都具有指向性。目前解決風機聲源分布問題的理論途徑是將實際聲源看作由一些緊湊的點或線聲源封包生成的,這就要求用多個有源降噪子系統來實現分布聲源的降噪,此時要對總的有源降噪控制系統進行優化設計。另外,一般都是將次級聲源、誤差傳感器在以風機軸線為對稱軸的圓周上作等間距分配。實際上,次級聲源的布置決定理論上的最大降噪量,而誤差傳感器的布置決定實際降噪量的大小。所以,在風機有源降噪中存在著次級聲源和誤差傳感器的最優布置問題,但迄今為止還未能在理論上確定出最優的布置模式。4.3氣動聲的釋放風機的噪聲源中,空氣動力噪聲是主要部分,而且最難治理。現代的渦聲理論認為,氣動聲是由渦旋能量釋放以及渦旋破裂引起空氣震蕩產生的聲波。據此可以推測,風機空氣動力噪聲的有源控制研究可以從有源控制空氣動力場內的渦旋破裂入手。例如可以引入控制氣流注射來削弱渦旋成長和減少渦旋間的相互碰撞機會。4.4聲源的吸聲量有源聲吸收又叫自適應聲吸收,實際上是用自適應方法控制聲阻抗,即在次級聲源上施加與聲場有關的信號,使次級聲源前面產生和保持所需的聲阻抗。眾所周知,在一定條件下,聲源可以成為一個吸聲體。對于單極子點源,在自由場中吸聲量為λ2/4π(λ為聲波波長)。因此在低頻(例如100Hz),一個理想喇叭大約能提供0.93m2的等效吸聲量;而偶極子次級聲源的最大吸聲量是單極子點聲源最大吸聲量的3倍。這兩種情況下吸聲量與頻率的平方成反比,可見聲吸收方法對風機低頻噪聲更為有效。4.5既有控制單元比較雙層板結構有源控制的應用開始主要是研究飛機螺旋槳噪聲傳輸至飛機殼體內的問題,單就目前的研究情況看,也有可能應用到風機噪聲控制的實際應用領域,尤其是對微小型風機。雙層板結構有源控制技術包括有源聲控制(AAC)和有源聲振控制(AVAC)。AAC技術是將小型的揚聲器作為次級聲源,放置在兩層板之間的空氣層內;AVAC技術是采用激勵器裝置,將其安裝在輻射的板上作為次級振源。兩種技術的控制單元是相同的。由于兩層板之間空腔內的聲場是主要的聲耦合部分,因此這部分聲場得到控制,整個結構的隔聲量將會明顯提高。4.6風機噪聲控制理論研究有源控制發展到80年代中期以后,應用領域轉向三維空間;尤其是90年代以來,有源噪聲控制的研究內容發生了根本性的變化,主要是由于高速微處理器的不斷涌現和自適應信號處理理論、技術的進步,推動了三維空間(尤其是封閉空間)聲場有源噪聲控制的發展。這方面較為成功的例子是船舶艙室、飛機艙室以及汽車駕駛室內的有源消聲。CarlH.Gerhold通過采用自適應降噪系統對管道內軸流風扇進口輻射噪聲進行了研究。隨著研究的進步,相信這一技術在風機降噪中的應用將逐步拓展。隨著三維空間內ANC研究的深入開展,一方面ANC系統對自適應技術的要求愈加迫切,另一方面寬頻分布聲場控制要求采用多個次級聲源和多個傳感器,即要求采用多通道自適應ANC系統。這種多通道自適應ANC系統對信號處理的硬件和軟件提出了更高和更新的技術要求,但控制器技術的提高受到了諸多因素的制約。因此,自適應ANC系統的開發應與智能技術、智能材料以及光纖技術有機結合起來。也就是說,開發風機自適應有源噪聲智能控制系統將成為今后研究的必然趨勢之一。以上這些消聲理論都是從聲學角度認識和發展有源降噪控制問題的,具體表現為傳統的ANC技術都離不開采用次級聲控源,而且對噪聲的控制多是采用在遠場內對聲波進行控制。為了促進ANC技術向前突破,就必須不斷向傳統的ANC系統提出挑戰,樹立適合于實際降噪要求的新觀念和新思想。5常用的風機噪聲控制措施本文分析了風機噪聲機理的研究情況,對風機噪聲的控制方法進行了分類介紹,并分析了它們存在的問題和應用的前景。但是這