摘要：針對鼓風(fēng)機(jī)組管路振動噪聲問題，應(yīng)用結(jié)構(gòu)聲輻射理論和結(jié)構(gòu)振動測量數(shù)據(jù)分析振動聲輻射強(qiáng)度。以實測振動信號為依據(jù)，根據(jù)對低頻段計算精度較好的邊界元理論，應(yīng)用有限元軟件和Sysnoise聲學(xué)仿真軟件建立了實際聲場的邊界元流體模型和有限元結(jié)構(gòu)模型的耦合模型，得到了模擬聲場的仿真結(jié)果，并與實測結(jié)果進(jìn)行比較，確定了主要噪聲能量來源于管路振動造成的結(jié)構(gòu)振動。通過分析振動的來源以及振動傳遞的路徑和傳遞特性，確定了隔振降噪的方法。依據(jù)理論分析結(jié)果，對實際現(xiàn)場采取了有效的隔振降噪方法，隔振后降噪效果明顯。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)噪聲；邊界元法；聲場模擬 A Study on Pipeline Vibration and Noise Control in Blower System Based on Boundary Element Method
Abstract: According to the blower pipeline’s vibration noise problem, the structure-borne sound radiation intensity is analyzed with structure-borne sound radiation theory and structure vibration measured data. Based on the actual vibration signals and boundary element theory, which is good at low frequency calculation, the coupling model of boundary element fluid model of actual acoustic field and finite element structure model is built using finite element software and Sysnoise acoustic simulation software. The simulation result is obtained and compared with actual result, which determined that structure vibration caused by pipeline vibration was the radiation noise source. Based on the analysis of vibration source, vibration transmission path and transmission characteristics, the methods of vibration isolation and noise reduction are decided. According the theory analysis, the effective method is applied in actual site and noise reduction effect is obvious after vibration isolation.
Key words: structure-borne sound; boundary element method; acoustic field simulation
0 引言
企業(yè)的大型動力設(shè)備是企業(yè)正常運行的重要保證，由于這些動力設(shè)備的功率都很大，其運行時產(chǎn)生的振動和噪聲也很大，為了保證設(shè)備的平穩(wěn)運行以及降低設(shè)備周邊區(qū)域的振動和噪聲，通常會對振動噪聲源設(shè)備進(jìn)行隔振以及降噪處理。
目前設(shè)備降噪工程僅通過噪聲源輻射的噪聲特性確定采取相應(yīng)的隔聲和吸聲措施，而設(shè)備隔振降噪效果僅以力傳遞率或振級落差標(biāo)準(zhǔn)來評價，從能量的角度評價隔振效果還停留在理論分析的層面[1-3] ，雖然隔振指標(biāo)能夠滿足，但這些評價指標(biāo)往往忽略了結(jié)構(gòu)振動所釋放的聲輻射，導(dǎo)致隔振與降噪無法同時達(dá)標(biāo)。
通過研究結(jié)構(gòu)振動特性評價結(jié)構(gòu)聲輻射能量的力學(xué)傳遞關(guān)系，并進(jìn)行邊界元法仿真確定主要結(jié)構(gòu)振動噪聲輻射源，依據(jù)仿真結(jié)果評估結(jié)構(gòu)振動特性，從而確定隔振降噪措施。
1 結(jié)構(gòu)聲輻射理論
振動平板輻射聲功率可表示為： |
 (1)
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式中，IS為振動平板表面S上任意一點的聲強(qiáng)，在單頻簡諧的情況下： |
 （２）
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式中：Q點是平面S上一點；IS是點Q處的聲強(qiáng)；p(Q)表示Q點的聲壓；vn(Q)表示Q點的法向振動速度；*代表復(fù)數(shù)共軛。
應(yīng)用Rayleigh積分得到振動表面上任意一點的聲壓與任意一點振動速度的關(guān)系： |
 （３）
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式中：M，Q是平面S上的任意兩點；r(M，Q)是點Q和M之間的距離；vn(M)表示點M的法向速度；j=（－１）1/2 ；ω為振動的頻率；k為波數(shù)；ρ為流體密度。
如果將平板劃分為N個單元，聯(lián)立方程（1）、（2）和（3）可得平板振動輻射聲功率為[4-5] ： |
 （４）
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式中：ui、uj分別表示單元si、sj上的法向振動速度ri；j為單元si和單元sj的距離；N表示整個平板劃分的單元數(shù)。
由公式可知，振動平板輻射聲功率與表面各單元振動速度的幅值成正比，而且與振動速度分布有關(guān)，不同的速度分布所輻射的聲功率也不同。所以本文通過測量振動信號，來定性評價聲輻射能量的大小，并通過聲學(xué)仿真等方法確定結(jié)構(gòu)聲輻射的強(qiáng)度。
如果將結(jié)構(gòu)所受激勵均勻分布到整個結(jié)構(gòu)上，那么根據(jù)任意結(jié)構(gòu)的輻射比的概念，當(dāng)已知任意結(jié)構(gòu)的某時間平均和空間平均的均方根振動速度v2時，結(jié)構(gòu)輻射的聲功率為[6-7] ： |
 （５）
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式中：σ為結(jié)構(gòu)的輻射比；c為流體介質(zhì)中聲速； S為結(jié)構(gòu)的輻射表面積。
無阻尼的無限平板的輻射比為： |
 （６）
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式中，fcf為板的臨界頻率。
通過簡化結(jié)構(gòu)聲輻射模型以及測量的振動信號，通過式（5）和式（6）就可以對結(jié)構(gòu)的聲輻射強(qiáng)度做定量分析。
2 噪聲測試與分析
某企業(yè)水處理鼓風(fēng)機(jī)機(jī)房，原有兩臺汽拖鼓風(fēng)機(jī)，后來又安裝了一臺電拖鼓風(fēng)機(jī)，現(xiàn)在是兩類設(shè)備交替運行，電拖鼓風(fēng)機(jī)為主要運行設(shè)備。由于鼓風(fēng)機(jī)噪聲很大，直接影響了機(jī)房內(nèi)監(jiān)控室人員正常工作，根據(jù)噪聲治理標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)對機(jī)組產(chǎn)生的通過空氣傳遞的噪聲進(jìn)行了有效的治理，在隔聲降噪設(shè)施外的噪聲達(dá)到了85dB(A)以下，滿足了要求，但監(jiān)控室內(nèi)的噪聲超過規(guī)定值，監(jiān)控室內(nèi)噪聲達(dá)到了67dB(A)，圖1是監(jiān)控室噪聲頻譜圖。圖2是機(jī)房結(jié)構(gòu)效果圖。
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圖１ 監(jiān)控室噪聲頻譜圖 |
圖２ 機(jī)房結(jié)構(gòu)示意圖 |
由于已經(jīng)對機(jī)房內(nèi)設(shè)備空氣傳聲做了成功的治理，而且機(jī)組振動也非常小，所以排除了這兩方面的因素。機(jī)房外（東側(cè)）有連接室內(nèi)排氣的主管路，噪聲值達(dá)到83dB(A)，但監(jiān)控室外墻為370mm混凝土結(jié)構(gòu)，所以隔聲量可以滿足要求，最后分析可能是結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲輻射是主要噪聲源，為了準(zhǔn)確分析振動噪聲性質(zhì)，用VIBXpert振動數(shù)據(jù)采集器對墻體和頂棚作了振動測試，圖3和圖4是監(jiān)控室頂棚和墻體的振動速度譜。 |
 
圖3 頂棚振動速度頻譜圖 圖4 西墻振動速度譜 |
由墻體和頂棚振動頻譜圖可以看出，振動能量主要集中在中低頻的50Hz和217Hz兩個頻帶。
3 仿真計算分析
由聲波理論可知,三維線性波動方程,即齊次的Helmholtz方程為： ▽2p+k2p=0 式中：▽2為拉普拉斯算子；p為聲壓。
上述波動方程的邊值問題分三類，即Delechlet問題、Neumann問題和混合問題。由于要建立的模型為封閉空間的聲學(xué)問題且模型壁面的振動速度值可用實測數(shù)據(jù)，所以本研究是求解空間聲場的Neumann邊值問題，由于實體為土建結(jié)構(gòu)，所以模型壁面視為是具有小振幅運動的不滲透邊界表面[8-9] ，其邊界條件為： |
 （８）
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式中：n為邊界表面的外法向方向；vn為邊界表面的法向振動速度。
對上述邊界條件,根據(jù)格林(Green)定理,可求得聲場內(nèi)某點聲壓p(r)的邊界積分方程為[10-11] ： |
 （９）
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式中：r為待求點坐標(biāo)向量；r0為邊界點坐標(biāo)向量；p(r0)為邊界上聲壓；S為聲場的邊界表面；V為聲場的內(nèi)部區(qū)域；R為待求點到邊界上的距離。
這樣在已知邊界表面的振動特性和物理特性的情況下，就可以通過聲學(xué)模擬軟件求解由壁板振動而產(chǎn)生的內(nèi)部聲場。
為了分析結(jié)構(gòu)噪聲的輻射強(qiáng)度，根據(jù)邊界元理論用有限元分析軟件對監(jiān)控室建模，然后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Sysnoise5.6聲學(xué)仿真軟件建立有限元結(jié)構(gòu)模型和聲學(xué)邊界元流體模型的偶合模型，并計算監(jiān)控室內(nèi)的聲場。
有限元監(jiān)控室模型為比例1∶1的實體模型，長3m，寬1.5m，高3m，在有限元結(jié)構(gòu)模型中定義墻體結(jié)構(gòu)屬性并計算其模態(tài)響應(yīng)作為聲學(xué)邊界元流體模型的邊界條件偶合時傳遞給流體模型，將實測振動速度譜數(shù)據(jù)作為聲學(xué)邊界元流體模型的速度邊界條件加載到流體模型相應(yīng)的每個單元面上，最后通過設(shè)置場點計算聲場內(nèi)各點的噪聲值。圖5是監(jiān)控室中心場點結(jié)構(gòu)噪聲模擬頻譜圖。 |
圖5 監(jiān)控室中心場點結(jié)構(gòu)噪聲模擬頻譜圖 |
分析對比休息室噪聲頻譜圖1和結(jié)構(gòu)噪聲模擬頻譜圖5可知，噪聲頻帶比較吻合。
由于頂棚樓板的振動幅值最大，而且后期的隔振措施也主要實施在樓板上，因而它的輻射強(qiáng)度直接影響隔振降噪效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)輻射聲功率計算公式，120mm厚樓板的輻射系數(shù)2.29，根據(jù)實測數(shù)據(jù)樓板的均方根振動速度為0.44mm/s，求得樓板輻射的聲功率為8.3×10-4W。根據(jù)室內(nèi)總聲場聲壓級（dB）公式 |
 （１０）
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式中：LW為聲源聲功率級；r為距聲源垂直距離；Q為聲源指向性因數(shù)，取1：R為房間常數(shù)，取9。
經(jīng)計算得室內(nèi)總聲壓級為86dB，比實測聲壓級大很多，如果是多個壁面共同計算的結(jié)果可能會更大，可以看出振動噪聲的能量多集中在低頻區(qū)域。通過仿真計算分析可以確定監(jiān)控室噪聲的主要來源就是結(jié)構(gòu)振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲。
由于機(jī)房內(nèi)電托鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備的振動很小，不足以引起墻體、樓板的大幅振動，所以經(jīng)分析確定，振源為圖2中標(biāo)注④所示的排氣管路（管道消聲器），當(dāng)它穿墻時將振動傳給了墻體，然后通過墻體和樓板通過結(jié)構(gòu)聲輻射的方式向監(jiān)控室輻射噪聲。為了分析的準(zhǔn)確性，對管路和管路下墻體做了振動測試，圖6是管路下墻體振動速度譜，圖7是管路徑向振動速度譜，從振動譜圖可以看出，管路振動中的中高頻振動傳到結(jié)構(gòu)上后衰減很快，而在結(jié)構(gòu)中衰減很慢的中低頻振動主要特征與休息室墻體和頂棚的振動譜很吻合，振源得以確定。 |
 
圖6 管路下墻體振動速度譜 圖7 管路徑向振動速度譜 |
通過比較管路本身振動頻譜和頂棚、墻體振動頻譜發(fā)現(xiàn)，中高頻的振動在結(jié)構(gòu)傳遞過程中衰減很快，300Hz以上的振動信號幾乎沒有，所以在振動的隔振設(shè)計中應(yīng)主要針對低頻隔振。 4 隔振降噪措施與效果
由于管路系統(tǒng)位于監(jiān)控室屋頂上面且太重，機(jī)房頂棚在此位置沒有預(yù)埋吊件，所以隔振裝置只能支撐在屋頂樓板上。為了獲得理想的隔振降噪效果采取了雙層隔振系統(tǒng)，上層為橡膠剪切阻尼隔振器，下層串聯(lián)橡膠板式隔振器。隔振支撐管路總重量為800kg，隔振器剛度為k上是0.22kN/mm，k下是0.25kN/m,隔振器阻尼損耗因子α上是0.06和α下是0.086。
隔振后對監(jiān)控室頂棚、墻體的振動信號和噪聲做了測量，圖8是頂棚振動速度譜，對比隔振前振動速度譜，振動能量降低了90%以上，圖9是監(jiān)控室隔振后噪聲頻譜圖，A計權(quán)噪聲值為56.8dB(A)，完全滿足要求。 |
 
圖8 隔振后監(jiān)控室頂棚振動速度譜 圖9 隔振后監(jiān)控室內(nèi)噪聲頻譜圖 |
5 結(jié)論
1） 結(jié)構(gòu)振動造成的聲輻射強(qiáng)度可以通過測量的振動信號和結(jié)構(gòu)聲輻射理論進(jìn)行分析，并通過聲學(xué)模擬軟件對聲場進(jìn)行仿真模擬，定量分析結(jié)構(gòu)振動聲輻射強(qiáng)度；
2） 對于柔性基礎(chǔ)上管路的雙層隔振降噪，雖然沒有條件在兩層隔振器中間使用中間質(zhì)量塊，但通過對振動產(chǎn)生噪聲的分析，確定主要振聲頻率，采取有針對性的隔振降噪，如調(diào)節(jié)兩層隔振器的阻尼、剛度等參數(shù)，使隔振頻率范圍更明確，也能達(dá)到有效的隔振降噪的目的。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 陳章位，于慧君.振動控制技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].振動與沖擊，2009，28(3):73-77
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