三叶罗茨鼓风机噪声源测试分析

张 哲 赵永瑞 杨继峰

（中国石油大学（华东）化学工程学院)

0 前言

罗茨鼓风机是一种典型的气体增压与输送机械，广泛应用于冶金、煤炭、石油化工等行业。与往复式和离心式风机比较，其具有结构简单、压力改变时风量变化小、流量受阻力影响小、供风稳定等优点，但其在工程应用中存在绝热效率较低、噪声较大等缺点。

风机正常运行时，车间噪声一般在70 dB以上，长期处于这样的环境下作业人员的健康水平会受到影响，严重的还会引发噪声性职业病。因此，有必要对风机进行噪声信号测试分析，识别其主要噪声源及其特征，以便于下一步进行降噪处理。

1 罗茨鼓风机噪声测试

1.1 噪声测试仪器和噪声测点布置

TES-1350噪音计、TES-1370噪音计、AWA6221B型声校准器、INV3018盒式采集仪。

根据GB/T 2888—2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》确定测点布置，如图1所示。各个测点距离地面高度均为1 m，其中M1、M2、M3三点由于距离电动机一侧，受电动机噪声影响很大，故其测量值作为参考，不列入分析计算中[1]。

1.2 测试对象及其参数

测试风机为3HD-125型三叶罗茨鼓风机，其有关参数如表1所示。

图1 罗茨鼓风机噪声测点位置

表1 3HD-125型三叶罗茨鼓风机额定参数及测量值

2 测试结果及分析

2.1 罗茨鼓风机噪声源分析

噪声源是指一切向周围辐射噪声的振动物体及其产生的噪声。噪声包括固体的机械噪声、流体的动力性噪声以及电磁噪声等。罗茨鼓风机含有多种噪声源，其噪声主要包括下述几种。

2.1.1 旋转噪声

旋转噪声是指由于风机叶轮 （转子）旋转引起的周期性压力脉动所产生的噪声。因为风机旋转过程中，进气腔和排气腔的体积是周期性变化的，使得气体流动不均匀，同时风机叶轮依次扫过进气口和排气口，也周期性扰动了气体，从而对周围介质施加了脉动压力，产生气动噪声。

风机的噪声具有确定的频率，其旋转噪声的频率为：

式中n——风机工作轮转速，r/min；

z——叶片数；

i——谐波序号 （1，2，3，……）。

当i=1时，fi旋为基频；当 i=2，3，4，……时，fi旋为高次谐频。

2.1.2 涡流噪声

涡流噪声又称紊流噪声或漩涡噪声。由于高速气流通过叶片，产生紊流附面层或漩涡分裂脱离，引起压力脉动从而产生涡流噪声。

根据经验公式，涡流噪声的频率为：

式中Sr——斯特罗哈系数，Sr=0.14～0.20，一般取0.185；

v——气体相对于叶片的速度；

L——物体正表面投影宽度（垂直速度的平面）；

i——谐波序号 （1，2，3，……）。

由式 （2）可知，涡流噪声频率与气体相对于叶片的速度v成正比。v与工作轮上各点的圆周速度u有关。工作轮上各点的圆周速度u是随各点到轴心的距离而连续变化的。所以风机旋转产生的涡流噪声是中、高频的，且是宽频带的连续谱[2]。

2.1.3 机械噪声

机械噪声主要是由机壳的振动引起的。其振动原因主要有两个：a）叶轮转动中的不平衡，周期性的激励从传动构件转移到机壳；b）壳内涡流的压力脉动也对壳体产生周期激励，风机风压越高，激励影响就越大。除此之外，机械噪声还有齿轮啮合误差、轴承制造精度误差、基础或管路固定不牢和电动机转动等产生的振动噪声。

2.1.4 电磁噪声

驱动风机所用的电动机通常为三相异步电动机。在电动机中，电磁噪声是由交变磁场对定子和转子作用产生周期性交变力引起的振动产生的，电磁噪声频率与电源频率有关。

2.2 噪声测试结果分析

由于罗茨鼓风机噪声在较宽的频带范围内其声压级都较高，根据奈奎斯特采样理论，采样频率至少为分析频率的两倍，因此，设置采样频率为20000 Hz。采集的噪声信号时域波形如图2所示。图2所示的噪声信号是由不同频率和强度的声波组合而成的，从时域波形上看不到明显的信息，这就需要采用其他方法对信号进行分析。

图2 噪声信号时域波形

2.2.1 自功率谱密度分析

功率谱密度能够反映噪声能量按频率的分布情况，因而通过功率谱密度分析，可以帮助人们判断机械噪声源和寻找产生噪声的原因。

对采集到的噪声信号进行自谱分析，如图3所示。分析参数设置为：海明窗函数、全程傅里叶变换结果线性平均。由式 （1）计算旋转噪声的谐波频率可得，f5=501.75、f9=903.15、f10=1003.5、f14=1404.9、f15=1505.2，这与表2所示的自功率谱密度峰值频率基本相同。

图3 自功率谱密度分析

表2 峰值数据表

分析的结论如下：（1）罗茨鼓风机的噪声是一个稳态噪声，频带范围较宽，以低中频为主，且中频较宽；（2）风机的旋转噪声为主要噪声源，以中低频段为主；（3）在较宽的频段上都呈现幅值较高的特性，在500～1700 Hz范围噪声具有明显的连续出现的峰值，这是治理和控制噪声首先要考虑的频段。

2.2.2 互相关分析

互相关分析可反映两个随机信号之间的相关关系。通过对噪声信号和振动信号进行互相关分析，可以明确噪声信号在多大程度上来源于振动信号。

对采集的噪声信号与三个方向的机壳振动信号做互相关分析，结果如图4～图6所示。

图4 噪声信号与垂直方向振动互相关分析

图5 噪声信号与水平方向振动互相关分析

图6 噪声信号与径向振动互相关分析

由图4、图5、图6可以看出，噪声与垂直方向振动相关性系数最大，与径向振动相关性系数次之，与水平方向振动相关性系数最小。三个方向的振动与噪声的相关性系数|Co|≤0.3，这说明机壳振动与噪声信号微小相关，即主要噪声源并不是由机壳振动引起的机械噪声。

3 结论

对风机噪声信号的频谱分析和互相关分析结果表明：正常工况下，罗茨鼓风机的主要噪声源为旋转噪声，以中低频段为主，且在500～1700 Hz范围内出现连续峰值。现场应用时，可以依此数据设计和选用合适阻性和抗性参数的消声器。

[1] GB/T 2888—2008.风机和罗茨鼓风机噪声测量方法[S].

[2] 蔡叶彬，陈再良，方子严.罗茨鼓风机噪声产生机理及降噪措施 [J].化工装备技术，2000,21(3)：40-41.

[3] Sandra Velarde-Suárez,Rafael Ballesteros-Tajadura,Juan Pablo Hurtado-Cruz，et al.Experimental determination of the tonal noise sources in a centrifugal fan[J].Journal of Sound and Vibration,2006,295：781-796.

[4] Lecleere Q,Peezerat C.Application of multi-channel spectralanalysisto identify the source ofa noise amplitude modulation in a diesel engine operating at idle[J].Applied Acoustics,2005,66：779-798.