某船空調(diào)噪聲分析與降噪改進研究

王在忠，張躍文，常 超

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

某船空調(diào)噪聲分析與降噪改進研究

王在忠，張躍文，常 超

(大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

文章以某船空調(diào)系統(tǒng)為例，檢測艙室空調(diào)噪聲情況，分析船舶空調(diào)噪聲產(chǎn)生的原因，針對管路設(shè)計、布風(fēng)器結(jié)構(gòu)、風(fēng)機選型、氣流速度調(diào)節(jié)等存在的缺陷進行建模研究，探究消除空調(diào)噪聲的方法。結(jié)合建模仿真和分析，給出加裝消聲器、布風(fēng)器改造等改進措施和日常管理建議，以降低空調(diào)噪聲。

船舶空調(diào)；降低噪聲；結(jié)構(gòu)改進

船舶空調(diào)系統(tǒng)是人員在船舶封閉環(huán)境中舒適性的保障[1]，其對于客輪和郵輪等人員較多的船舶更加重要。某船作為教學(xué)實習(xí)船，定期載有200多名人員進行海上實習(xí)。空調(diào)在帶來好的環(huán)境效果的同時，其產(chǎn)生的噪聲影響也日益引起重視。該船艙室空調(diào)噪聲較大，部分已經(jīng)影響舒適度。因此，本文檢測了該船住艙空調(diào)噪聲情況，分析產(chǎn)生原因，提出空調(diào)降噪的方法和改進措施。

1 船舶空調(diào)噪聲的要求與評定

對船舶生活區(qū)空調(diào)要求[2]：在活動區(qū)域，氣流速度以0.15～0.20 m/s為宜，最大不超過0.35 m/s；在距室內(nèi)出風(fēng)口1 m處噪聲應(yīng)不大于55～60 dB。空調(diào)噪聲40～50 dB就可能影響睡眠，大于70 dB就開始影響正常的語言交流(交流時50～65 dB為宜)。此外，空調(diào)噪聲還會對人的心情、身體等造成影響。

噪聲的評定采用響度級的概念[3]，反映人們對聲音的主觀感覺。A計權(quán)特性曲線是響度級3條標(biāo)準(zhǔn)計權(quán)曲線之一，能很好地反映人對聲音響度的主觀評價，因而被廣泛應(yīng)用，本文測量噪聲采用A聲級，單位為分貝，記作dB。

2 空調(diào)噪聲的檢測

2.1中央空調(diào)系統(tǒng)

該船中央空調(diào)采用的是中壓單風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)，共設(shè)有6臺中央空調(diào)(AHU)，中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-空氣濾器；2-空氣加熱器；3-加濕器；4-風(fēng)機；5-空氣冷卻器；6-擋水器；7-主風(fēng)管；8-布風(fēng)器。圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2檢測儀器

檢測儀器選用NL—22/NL—32精密聲級計，測量值和結(jié)果可顯示在反光液晶平面上，具有多次讀數(shù)、數(shù)據(jù)保存功能，如圖2所示。

圖2 NL—22/NL—32精密聲級計

2.3檢測結(jié)果

對船舶生活區(qū)艙室進行噪聲檢測，每艙室監(jiān)測位置為布風(fēng)器風(fēng)口處和距離風(fēng)口1 m處，部分檢測結(jié)果處理如表1。

表1 噪聲檢測數(shù)據(jù)

由檢測數(shù)據(jù)可知：各艙室平均噪聲較大，超過國家規(guī)定的55 dB；個別艙室超過60 dB，嚴(yán)重影響正常工作和休息；各艙室的噪聲不同,雖是相同總管送風(fēng)，但由于管路的布置、管路距離的差異，產(chǎn)生的噪聲不同。

3 空調(diào)噪聲產(chǎn)生原因分析

從空調(diào)器的結(jié)構(gòu)分析可知，空調(diào)系統(tǒng)噪聲源包括空調(diào)箱的風(fēng)機噪聲、送回風(fēng)管路的氣流噪聲，末端風(fēng)口噪聲等[4]。

3.1風(fēng)機噪聲

當(dāng)風(fēng)機旋轉(zhuǎn)時，氣流隨葉片旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生周期性壓力變化和速度脈動，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。其頻率就是葉片每秒擊打空氣質(zhì)點的次數(shù)，與葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)。其基本頻率，以符號fB表示[5]：

fB=n×N，

(1)

式中：fB為葉片旋轉(zhuǎn)頻率，Hz；n為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，m/s；N為葉片數(shù)。

風(fēng)機聲功率級是風(fēng)機噪聲評價的基本指標(biāo)[5]，可由風(fēng)機的比聲功率級、風(fēng)量和風(fēng)壓進行估算：

Lw=Lwc+10 lg(QH2)-20，

(2)

式中：Lw為風(fēng)機聲功率級，dB；Lwc為風(fēng)機的比聲功率級，dB，該船空調(diào)器系列取6.4 dB；Q為風(fēng)機的風(fēng)量，m3/h；H為風(fēng)機的全壓，Pa。

從式中可以看出：風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)機全壓越大，風(fēng)機的噪聲也越大。該船風(fēng)機產(chǎn)生的Lw如表2。

表2 某船風(fēng)機聲功率級

3.2管道和末端風(fēng)口氣流噪聲

船舶空調(diào)系統(tǒng)中，使用大量通風(fēng)管道。通風(fēng)管道的噪聲主要包括管內(nèi)氣流湍流噪聲、氣流引起管道振動噪聲以及閥門節(jié)流噪聲等。

3.2.1 管道湍流噪聲

管道湍流噪聲以中高頻為主。氣流經(jīng)直管道引起的氣流噪聲聲功率級可用下列公式進行估算[6]：

Lw=Lwc+50lgv+10lgs，

(3)

式中：Lwc為管道的比聲功率級，一般可取10 dB；s為管道內(nèi)端面積，m2；v為氣流速度，m/s。

由上式可以看出：管道固定后，噪聲與氣流速度相關(guān)，利用solidworks模擬該船空調(diào)管路氣流速度分布情況，如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)氣流速度分布圖

圖3中深色代表氣流速度最大，管道彎曲處、管徑由粗變細(xì)處，流速增加，模型中此處氣流出現(xiàn)最大速度2.543 m/s，氣流噪聲聲功率級增大。

3.2.2 閥門節(jié)流噪聲

氣流調(diào)節(jié)閥是空調(diào)中主要部件，其噪聲與閥門兩端壓降的3～4次方成正比關(guān)系。即閥門節(jié)流的程度越大，噪聲強度越高。其節(jié)流噪聲的峰值頻率如以下公式[7]。

圓環(huán)閥：

(4)

式中：fp為峰值頻率，Hz；V1為閥門開啟圓孔內(nèi)的流速，m/s；D為風(fēng)管的直徑，m；d為閥孔的直徑，m。

蝶閥：

(5)

式中：V2為風(fēng)管與閥板之間的通路平均流速，m/s；B為閥板的寬度，m；α為閥板開啟度與風(fēng)管軸線的夾角，rad。

3.2.3 末端風(fēng)口的噪聲

末端風(fēng)口噪聲以高頻湍流噪聲為主，噪聲直接在房間輻射，主要與此處氣流速度有關(guān)。不同室內(nèi)噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)值下的風(fēng)口氣流推薦值如表3。

表3 風(fēng)口氣流速度推薦值

4 空調(diào)降噪的改進措施

4.1加裝消音器

為了控制風(fēng)機等空調(diào)設(shè)備的噪聲，需要在通風(fēng)管道內(nèi)安裝消聲器來降低噪聲聲級，對噪音進行源頭控制。

消聲器的消聲量與它的長度、大小有關(guān)，要求即要滿足消聲量，又達到風(fēng)量的要求。消聲量公式為[8]：

(6)

式中：ΔL為消聲量，dB；α0為吸聲材料的正入射吸聲系數(shù)；Φ(α0)為與α0有關(guān)的消聲系數(shù)；L截為消聲器通道橫截面周長，m；S為消聲器通道橫截面積，m2；L為消聲器有效長度，m。

4.2對布風(fēng)器進行改造

空調(diào)送風(fēng)是通過每個艙室布風(fēng)器供入房間。該船采用的是頂式布風(fēng)器，在船舶中應(yīng)用較多。布風(fēng)器應(yīng)滿足：能使送風(fēng)與室內(nèi)空氣很好地混合，使室溫均勻性好，能保持活動區(qū)內(nèi)風(fēng)速適宜，風(fēng)量可調(diào)節(jié)等特點。

針對該船空調(diào)布風(fēng)器，按照1∶10的比例，用solidworks模擬出布風(fēng)器周圍氣流流動狀態(tài)，如圖4、圖5所示。

圖4 布風(fēng)器中氣流流動分布圖

圖5 布風(fēng)器與艙室空間內(nèi)氣流分布圖

可以看出，從風(fēng)管進入到布風(fēng)器的瞬間，風(fēng)速變化大，引起的噪聲會較大。在布風(fēng)器出口處，送風(fēng)與布風(fēng)器蓋的摩擦，也產(chǎn)生噪聲。鑒于此原因，可以對布風(fēng)器的形狀加以改進，達到降低噪聲的目的。

將布風(fēng)器進氣端改裝成流線漸寬型,橫截面積漸大,流速漸小,從而降低進入布風(fēng)器氣流的流速,達到降低噪聲的目的,改進后的布風(fēng)器形狀如圖6所示。

圖6 布風(fēng)器改進圖

用solidworks按照1∶10比例模擬改進后布風(fēng)器進口管路以及布風(fēng)器內(nèi)空氣流動狀況，如圖7所示。

圖7 改進后布風(fēng)器氣流分布圖

通過圖4與圖7(a)對比可以看出，相同設(shè)置參數(shù)下，最大風(fēng)速由改進前的2.357 m/s降至改進后的2.310 m/s，下降率為2%。通過圖5與圖7(b)對比可知，最大速度由1.762 m/s降至1.648 m/s，下降率為6.5%。因此通過對布風(fēng)器的改進，可以起到部分降速降噪的效果。

此外，該船布風(fēng)器出口采用的是圓板式設(shè)計，可以改換末端消聲風(fēng)口。消聲風(fēng)口可降低5～8 dB的噪聲，消聲風(fēng)口的形式如圖8所示。

圖8 消聲風(fēng)口形式示意圖

4.3其他降低噪聲的方法

對于該船空調(diào)系統(tǒng)，可以在彎頭、三通風(fēng)管部位采用導(dǎo)流片，或添加高阻尼減振膠，必要時制成

消聲型的彎管導(dǎo)流片，增加降低噪聲的效果。

在應(yīng)用管理中，定期對空調(diào)系統(tǒng)中實際消音降噪效果進行檢測，減少因裝配不良或破損漏風(fēng)產(chǎn)生的噪聲；對不滿足要求的設(shè)備定期更換，尤其是使用較高風(fēng)速時，要對噪聲進行控制，以保證噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)；必要時，可以降低送風(fēng)溫度，來實現(xiàn)減少送風(fēng)量的目的，從而控制風(fēng)管內(nèi)的流速，減少噪聲的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

對該船空調(diào)裝置噪聲狀況進行測試，得出其噪聲平均水平數(shù)值較大，超出要求范圍。分析噪聲產(chǎn)生原因，用建模仿真的形式指出管道和布風(fēng)器結(jié)構(gòu)對噪聲產(chǎn)生的影響。提出對管路和布風(fēng)器結(jié)構(gòu)改造的降噪方案，并對降噪效果做了對比。同時給出了其他改造和管理使用上一些建議，能較好的降低噪聲。

[1]何治斌. 船舶空調(diào)系統(tǒng)的建模與仿真[D]. 大連：大連海事大學(xué),2011.

[2]陳海泉.船舶輔機[M]. 大連： 大連海事大學(xué)出版社, 2010.

[3]田銳,楊陽. 基于Matlab的噪聲響度分析系統(tǒng)開發(fā)[J]. 電聲技術(shù),2011(12):57-61.

[4]蘇宏兵. 中央空調(diào)噪聲控制研究與應(yīng)用[D].北京：清華大學(xué),2006.

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[6]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

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Taking the marine air-conditioning system of some ship as example,we detected the air-conditioning noise in the cabin,analyzed the reasons for noise generated,established the model to discover the defects on the pipeline design,the air distribution structure,the fan selection,the air flow rate regulation,and finally found the ways to eliminate the noise of air-conditioning.Through modeling calculation and analysis,we advised to install muffler,restructure the air distribution and provided daily management suggestion to reduce the noise.

marine air-conditioning system;noise reduction;restructuring

U664.86

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.008

王在忠(1989-)，男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代輪機管理工程。

2014-07-28