一种简单快速评估压缩机厂房内噪声的方法

唐佳丽 孙鑫 石翠萍

摘要：大型压缩机广泛应用于石油、化工、航空等领域。压缩机厂房主要有三类噪声源：压缩机组、管网、及调节阀。但是，一般厂房降噪设计的输入仅考虑压缩机组，这样可能导致厂房噪声排放不符合标准要求，导致需后期进行噪声治理。厂房建设前，无法做到通过现场测试得到厂房噪声。而动则几千平方的厂房尺寸，且设置多台套压缩机组、大量管网阀门，使得有限元分析计算量巨大，对厂房内的噪声分布进行精确计算的成本巨大。本文基于理论及经验提出了一种可简单快速评估压缩机厂房内噪声的方法，并通过与某已建压缩机厂房内声级计测得的A计权声压级进行比对证明该方法切实可行。采用本方法考虑了厂房内所有声源后得出的声压级频谱，更有利于指导厂房各方面的噪声设计。

Abstract： Large compressors are widely used in petroleum， chemical and aviation industry. There are three major noise sources： compressors， pipe network， and control valves. However， noise reduction design input for plants are usually compressors， which may result in that noise emission does not meet the relevant standard. These plants should take steps to reduce noise emission， such as sound-absorbing dispose for walls， etc. The noise in plant cannot be measured before the plant being constructed. The computation cost for noise distribution in plant with FEM calculation is huge， considering several thousand square meters of plant space and several noise sources. A simple and quick evaluation method for noise in compressor plant， which is based on theory and experience， is presented in this paper. The method is proven with the comparison between the method results and measured A-weighted sound pressure level （SPL） in a compressor plant. The calculated SPL spectrum is beneficial to guide the noise reduction design for plants.

关键词：声压级;噪声评估;压缩机厂房;简单快速

Key words： sound pressure level （SPL）;noise evaluation;compressor plant;simple and quick

中图分类号：TB535                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0135-03

0  引言

大型压缩机广泛应用于石油、化工[1]、航空[2]、天然气[3]等领域，压缩机所生产的压缩气体通过管网输送至指定用户。压缩机在运行过程中会产生较高的噪声[3-6]，输送压缩气体的管网上一般布置有调节阀，在节流状态下也会产生噪声[7]，压缩机及调节阀的噪声均会在管道内传播，通过管壁向外辐射噪声，管道辐射噪声具有线声源特点，衰减慢，产生的噪声影响不容小觑[8]。

通常，为了使压缩机厂房的噪声排放达到《GB12348-2008 工业企业厂界环境噪声排放标准》，对厂房的屋顶、墙壁、进排气口、门窗等均需根据降噪基本理论进行设计[3，4]，一般的降噪设计输入均取厂房内压缩机的总声级[3， 4]或声功率频谱[9]。然而，压缩机厂房内一般均布置大量管道及调节阀，在厂房降噪设计输入中忽略管道及调节阀辐射噪声，可能会使厂房降噪设计偏离预期。若建成后的厂房噪声排放不符合标准要求，则需对已建厂房进行噪声治理，有许多已建厂房因不符合相关噪声标准规范要求而进行噪声治理的案例[10-16]。因此，尽可能的将厂房内的噪声源均考虑在降噪设计中。

然而，一般的压缩机厂房均布置多台压缩机、大量管网，且动则几千平方的厂房尺寸使得有限元分析计算量巨大，对厂房内的噪声分布进行精确计算显得非常困难。本文基于理论及经验给出了一种可简单快速评估压缩机厂房内声压级频谱的方法，并通过与某已建压缩机厂房内声级计测得的数值进行比对证明该方法切实可行。

1  噪声评估方法

压缩机厂房内的噪声源分为三类：压缩机、调节阀、管道。噪声评估方法为：首先分别计算各类噪声源的泄漏声功率级频谱;接着计算厂房内所有声源的总声功率级频谱;根据统计声学，可以假设厂房内声场为扩散声场[18]，计算厂房内的总声压级频谱。

1.1 压缩机泄漏噪声

压缩机厂家一般会提供压缩机的泄漏声功率级频谱，同时会提供压缩机进气管道、出气管道以及放空管道内的声功率级频谱。一般地，在厂房建设前是无法通过现场试验测得压缩机泄漏噪声的。虽然也有文献报道[17]可通过对设置在其他现场中的同类设备进行测量并计算得到其声功率级频谱，但是需建立在可找到其他现场同类设备且现场运行条件接近的条件下实施，且也不能证明现场实测即比厂家提供值精确。因此，取厂家提供的声功率级频谱作为设计输入。

1.2 调节阀泄漏噪声

不同于化工等行业的单一工况长时间运行，作为航空发动机零部件试验配套气源的压缩机组，需要供应多种不同工况的压缩气体给不同试验器，因此一般配备多根总管，且总管上多配备放空调节阀，同时压缩机本身配备防喘振调节阀，这些调节阀在调节工况下会产生大的噪声。调节阀噪声可根据《IEC6-534-8-3：2010：Noise Considerations- Control valve aerodynamic noise prediction method》计算，需注意的是该标准仅适用于基于理想气体定律的单相干燥气体或蒸汽，仅考虑气体动力流流经控制阀及相连管道所产生的噪声，仅适用于钢制或钢铁合金制管道。

1.3 管道泄漏噪声

管道与压缩机进出口、调节阀相连，压缩机进出口的气动噪声及调节阀的气动噪声均会在管道内传播，同时沿管道向外辐射，当管道直径超过200mm时，管道表面辐射的噪声对环境的干扰就不可忽视，在管道附近区域，管道辐射出来的声源具有线声源的特点，以柱面向外辐射声能[8]。

虽然根据截止频率公式[18]，对于一个直径为200mm的圆柱形管道，其截止频率约为1024Hz，即仅频率低于1024Hz的声波在该管道内可认为是以平面波形式传播（管道内各处声功率相等），而截止频率与管道直径成反比。一般地，压缩机厂房管道直径高于200mm，对于压缩机及调节阀这种宽频特点的噪声源来说，其在管道内的声波传播已不能简单以平面波形式处理。但是，高于截止频率的声波也可激发高次波在管道内传播，且当频率远高于对应的简正频率时，高次波的衰减并不严重[18]。因此，可以简单将每一段管道上的各个噪声源的声功率频谱叠加，从而得到该段管道的声功率频谱。然后根据《HGT20570.10-1995 工艺系统专业噪声控制设计》中通过管道的管厚与管径对每一段管道隔声量进行估算，同时基于管道最低共振频率，可以对每个频率下的隔声量进行修正，最终得到各管道泄漏噪声声功率级频谱。再根据不同的管道保温或隔声结构计算隔声量，最终得到管道包裹层外的泄漏噪声声功率级频谱。

1.4 厂房内总噪声

将上述三类噪声源的声功率级频谱叠加得到总的噪声源声功率级频谱。根据统计声学，可以假设厂房内声场为扩散声场，并将临界距离处的总稳态声压级频谱作为厂房的总稳态声压级频谱[18]。

其中，Q为声源指向性因素的量，r为离声源距离，R为房间常数。

关于声源指向性因素的量Q根据厂房实际声源的情况确定。

房间常数R的确定过程如式（2）～式（4）所示，

为考虑了媒质对声波的吸收而求的等效平均吸声系数，其中m为声强吸收系数，与媒质的性质与状态有关同时是频率的函数，V为房间的体积，S为公式（2）中的吸声总面积。

R为房间常数，单位为m2。

对于具体厂房，因考虑厂房墙壁、门、窗等部位附近的布置，若存在大量声波反射可能，则适当在公式（1）计算结果基础上加8～10%的裕度。

2  某已建压缩机厂房噪声

2.1 评估结果

某已建压缩机厂房内布置三台套同型号离心压缩机机组，机组压比为10。采用第1章所述評估法评估该厂房声压级频谱。

计算后的压缩机、管道、阀门的泄漏声功率级频谱见表1所示。管道泄漏噪声为考虑了管道外包裹的100mm厚的玻璃丝绵加上0.5mm厚的不锈钢的。

厂房体积约为50560m3，表面积约为13030m2。

每一频率下的房间常数R根据公式（4）计算，结果如表2所示。厂房内的总声压级频谱根据公式（1）计算，结果如表2所示，A计权声压级如表2所示。

厂房内的临界距离处噪声为96dBA。考虑到厂房靠近墙壁3m处布置有大量的管网，因此针对厂房墙壁噪声设计，墙壁处噪声取105dBA。

2.2 现场测试结果

选用TES 1359声级计，选用A计权档，声级计符合《GB12348-2008工业企业厂界环境噪声排放标准》要求。测量了厂房靠近墙壁、机组附近、距离机组约30m较空旷位置的总声压级，分别为102dBA、106.8dBA及96.8dBA，如图1～图3所示。

基本上，距离机组约30m较空旷处的总声压级与计算结果相符，而靠近墙壁处的声压级为102dBA，因上方有管道及钢结构管架等，导致反射声较强，与预估情况相符。

3  结语

本文基于理论及经验给出了一种简单快速评估空气压缩机厂房噪声的方法，经某已建厂房评估结果与实测结果比对证实该方法切实可行。

本方法可扩展应用于其他布置大量管网的厂房，如航空发动机零部件试验厂房，当试验舱或试验件的泄漏噪声以及前传后传噪声已知的情况下，均可使用本文方法进行厂房内噪声评估。

当然，本方法仅适用于作为厂房的屋顶、墙壁、进排气口、门窗等进行降噪设计的输入。需说明的是，因本方法评估过程中采用了多处假设，如假设厂房为扩散场等，其评估的厂房内的总A计权声压级必然存在一个不确定度范围，但是采用本方法考虑了厂房内所有声源后得出的声压级频谱是具有参考价值的，这个给厂房噪声设计提供了一个直观可参考的频谱分布，更有利于指导厂房各方面的噪声设计。若要对厂房内的噪声分布进行精确计算，需对厂房内的各个声源类型、位置等进行精确定位，并采用相应的有限元计算软件进行计算。

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