單動葉安裝角異常時軸流風機的噪聲特性(4)

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2.2.3 頻域特征聲 壓 時 域 分 布 經 快 速 傅 里 葉 (fast Fouriertransform ， FFT) 變換后即可得到監測點噪聲頻譜圖， 可用于分析不同測點在各頻段的噪聲分布特性。以測點 1 為例，圖 8(a) 為在設計流量下，石家莊市風機廠動葉區正常工況的噪聲頻譜圖。該軸流石家莊市風機廠的基頻 [24]f = 1 200 × 14/60 = 280 Hz ， 與噪聲頻譜圖中基頻位置一致，諧波頻率位置也與頻譜圖中位置相符。而當頻率大于 3 000 Hz 后，聲壓級變化并不明顯，充分說明該石家莊市風機廠的氣動噪聲同時具備離散與寬頻特性。各區域的噪聲頻譜圖各具不同特征，但各接收點的聲壓級均隨頻率增加而下降，從噪聲強度來看，基頻最強，而高階諧波逐漸減弱。噪聲頻譜特性一般分為 3 個頻段： 小于 500 Hz 為低頻噪聲， 500~1 000 Hz 為中頻噪聲，大于 1 000 Hz 為高頻噪聲。動葉區基頻和前 5 階諧波比較明顯，其他區域只有前 3 階諧波處峰值特點突出，各測點的聲壓級最大值都分布在小于 500 Hz 的頻率段， 由此可知該軸流通石家莊市風機廠的氣動噪聲主要為低頻噪聲，該頻段噪聲以具有離散峰值特征的旋轉噪聲為主，而這些低頻峰值是由葉輪周期性脫落的旋渦所致 [25] 。氣體流經葉片時將在其表面形成附面層，特別是吸力面上的附面層容易增厚，因附面層分離將產生許多旋渦；在尾跡區，氣流壓力與速度均大大低于主氣流區內的數值，由此造成的橫向氣流運動促使尾渦形成；另外，葉片壓力面與吸力面的橫向壓力梯度使氣流從壓力面流向吸力面，進而產生渦流。
因而，當工作輪旋轉時，葉片出口區內氣流不均勻性顯著，這種不均勻性氣流周期地作用于周圍介質，產生各類旋渦引起壓力脈動而形成噪聲 [26] 。當軸流石家莊市風機廠單動葉安裝角異常時，更加劇了石家莊市風機廠內部氣流的不均勻性分布。以 ? = 0.25 為例，動葉輪出口流面的總壓分布如圖 9 所示。安裝角正常 ( Δ β = 0 ° ) 時，葉輪出口總壓沿周向呈對稱分布，動葉安裝角偏離后，異常葉片下游流域出現低壓區，而其附近的葉頂區壓力較高，隨 Δ β 增加，低壓區范圍擴大，由葉高中上部向葉根部位發展。圖 10 為動葉區 10% 葉高截面總壓分布，從圖中可以看出，正常工況下壓力由葉片前緣向尾緣遞增，隨 Δ β 增加，動葉壓力面較吸力面壓差增大，葉片前緣低壓區范圍逐步擴張，且在葉片尾緣附近出現一個明顯的低壓旋渦。綜上所述， 由于動葉安裝角異常， 導致動葉區壓力在徑向、軸向的分布發生明顯變化，隨 Δ β 增大，石家莊市風機內部流場更加紊亂，氣流不均勻性更加突出，從而加劇動葉區尾渦脫落、葉頂泄漏渦及紊流附面層的渦流脫落，以致呈現出更明顯的寬頻噪聲特性。而基頻和前 5 階諧波處的峰值基本不變，表明單動葉偏移對動葉區旋轉葉片與周圍障礙物的相互作用沒有較大影響。另外，其他各區域噪聲頻譜整體呈上升趨勢，隨 Δ β 增大，低頻段離散的峰值特征漸弱，而位于中高頻率段的寬頻噪聲顯著提高，同時各區域高頻段衍生出多個離散峰值，這說明單動葉安裝角異常使石家莊市風機廠基頻及其附近的聲能分布到較寬的頻帶范圍內，低頻段噪聲聲譜由離散峰值的旋轉噪聲向寬頻帶的渦流噪聲發展。A 聲級適用于不隨時間起伏變化的連續穩態噪聲評價，能較準確反映人耳強度和頻率的聽力感受。
結合具有Ａ聲級值的正常工況和單動片安裝角異常下的 1/3 倍頻程頻譜圖 ( 圖 11) ，可直觀反映石家莊市風機廠噪聲頻譜的變化。該軸流石家莊市風機的氣動噪聲主要為離散噪聲摻雜著寬頻噪聲，其中具有高聲能的基頻和高階諧波處的離散噪聲占主要成分，除動葉區外其他各區域在小于 500 Hz 的低頻段的離散峰值隨Δ β 增大而逐漸消失，而位于中高頻率段的 A 聲級顯著提高，并出現新的峰值特征。從各區域總聲壓級的變化 ( 圖 12) 可看出，在各偏離度下，因各測點位置不同，靠近聲源的總聲壓級較大，但隨 Δ β 增加，動葉區總聲壓級變化并不明顯，而其他區域總聲壓級均呈遞增趨勢，其中導葉區變化最為顯著。結合噪聲頻譜圖可知：隨 Δ β增大，動葉區基頻及高階諧波處離散峰值幾乎不變，寬頻噪聲特性更加明顯，但增幅不大，并未引起總聲壓級明顯變化；其他區域基頻及其附近的主要噪聲峰值向高頻段分散，分散后峰值頻率的幅值有一定程度的提高，同時中高頻段的寬頻噪聲增強，致使總聲壓級均呈上升趨勢。
3 結論
1 ）單動葉偏移導致異常葉片的周向相鄰流道形成高噪聲區，且從單流道向多流道，從葉高中上部向下部發展。最大聲功率級隨 Δ β 增大而升高，在 Δ β = 0 ° ~20 ° 時增強非常明顯，而當 Δ β 增大到40 ° 以后，L wmax 維持在穩定的較高水平上。
2 ）吸力面葉片前緣及葉頂附近為主要噪聲源，隨 Δ β 增大，高強度噪聲源區范圍愈加明顯，由旋轉方向上游區域逐步波及下游相鄰流道。流量對P rmsmax 的影響并不顯著，而 Δ β 對 P rmsmax 的影響主要表現在 Δ β = 20 ° ~40 ° 間，在此區間 P rmsmax 隨 Δ β增大而顯著提高。3 ）葉片安裝角偏離后，導葉區、擴壓區和集流區的聲壓脈動形態和區間發生改變， 隨 Δ β 增大，聲壓脈動范圍向其相反區間移動。石家莊市風機廠各測點的聲壓幅值特征與距聲源面的位置有關，靠近噪聲源的區域受氣流壓力脈動影響較大，其聲壓幅值高，當葉片發生偏移時，對臨近區域影響強度也大。
4 ）隨 Δ β 增大，動葉區呈現明顯的寬頻噪聲特性；其他區域對應基頻和諧波處的峰值向高頻段分散，而中高頻段的寬頻噪聲均有所增加；各區域總聲壓級也呈上升趨勢，相比之下，在動葉區單葉片異常對總聲壓級的改變要小得多。