離心風機仿生蝸舌降噪效果試驗研究

黃恩德，楚武利，屈凱東，王燦良

(西北工業大學，陜西 西安710072)

0 引 言

離心通風機的噪聲問題一直都不容樂觀，包括世界上用在潛艇、船舶等上面的離心通風機，都因為噪聲過大而不能滿足船員的正常生活及設備隱身性等要求。為了降低離心通風機的噪聲，國內外的許多學者在試驗和理論上都進行了長期研究。控制通風機噪聲是一項空氣動力學和聲學交叉的綜合性工程［1］。離心通風機的噪聲來源于多方面，空氣動力噪聲是影響大型離心風機穩定性及工作性能的主要因素，蝸舌噪聲是大型離心風機氣動噪聲的主要來源［2］。根據噪聲產生的原理，經過大量實踐和理論分析，有很多傳統的降噪方法如吸聲蝸殼或傾斜蝸舌［3］，但對離心通風機性能影響較大;也有非傳統的方法如階梯蝸舌［4］，但加工工藝復雜，成本較高。

研究表明，耦合仿生軸流風機在一定范圍內具有顯著的降噪效果［5］。同樣，對于離心式通風機，可以從貓頭鷹飛行捕食的過程中得到啟發。長耳鸮［6］是貓頭鷹的一種，仿生蝸舌的設計主要是從長耳鸮的羽翼組織結構出發，提取其吸聲降噪特征元素，應用于蝸舌與氣流接觸的表面。

因此，本文從蝸舌的角度入手，利用仿生學原理，通過設計改進蝸舌的結構來改善離心通風機蝸舌處的流場，達到降低離心通風機噪聲的目的。

1 仿生蝸舌降噪試驗

1.1 耦合仿生吸聲蝸舌的結構

應用長耳鸮皮膚組織中的吸聲特征元素來設計仿生蝸舌，這種仿生蝸舌的結構主要包括微縫層、穿孔層及空腔［7］3 部分。在蝸舌與氣流接觸面積比較大的那一部分制造出耦合吸聲結構，如圖1所示。

圖1 耦合仿生吸聲蝸舌結構Fig.1 The construction of coupling bionics and sound absorption volute tongues

根據相似原理確定仿生蝸舌的幾何尺寸，將長耳鸮標本對應的尺寸放大得到，微縫板層的主要尺寸有微縫板厚度、微縫寬度及微縫的中心間距，穿孔板層的主要尺寸有穿孔板厚度、孔徑、微孔中心間距，空腔的主要尺寸是深度。本文主要研究仿生結構耦合作用的有效性，因此只取一組幾何數據，與原型蝸舌對比，仿生蝸舌形態單元的尺寸對降噪效果有影響，為了獲得最佳降噪效果，尺寸大小與噪聲頻段的對應關系有待進一步研究。

綜合考慮到加工條件的影響因素，耦合仿生吸聲結構蝸舌的建模尺寸如圖2和表1所示。

表1 仿生結構形態尺寸大小Tab.1 The size parameters of bionic construction

根據以上尺寸，用UG 三維建模軟件設計的仿生蝸舌如圖3所示。

圖2 蝸舌尺寸參數Fig.2 The size parameters of volute tongue

1.2 降噪試驗方案及過程

噪聲測量對比試驗在西北工業大學航空推進實驗室進行。噪聲測試測點布置遵循《風機和羅茨鼓風機噪聲測試方法》，聲學性能測試系統包括聲級計和頻譜分析儀。噪聲的標準測點位置如圖3(c)中的D 點所示，R=1 m。試驗方案主要是先安裝原始蝸舌，可以通過調節離心通風機出口的節流器來控制通風機的流量，選取7 種不同的流量，在國家標準測量位置用聲級計測量原始蝸舌在通風機具有不同流量時噪聲的大小，記錄噪聲數據，觀察原始蝸舌的噪聲隨流量的變化。

圖3 結構三維模型及噪聲測點Fig.3 3D model of the construction and the standard measuring point of noise

同時，在試驗控制臺上記錄離心通風機的性能參數，如全壓、流量、靜壓和大氣溫度等，畫出性能曲線。在此基礎之上，安裝耦合仿生吸聲蝸舌，在與原始蝸舌相同的試驗條件下，測量離心通風機在不同工況下的噪聲等級和性能參數，用示波器采集信號，并且記錄相關試驗數據。最后集中整理試驗數據，把仿生蝸舌的噪聲試驗數據和時域信號數據，與原始蝸舌的對應數據作相對比較，觀察仿生蝸舌的降噪效果。另外，觀察所測量的通風機性能參數數據，分析仿生結構蝸舌對離心通風機性能參數的影響。

1.3 降噪試驗結果分析

經過后期試驗數據整理，畫出3 種情況下噪聲與流量的特性曲線，以及效率與流量的特性曲線，如圖4所示。

圖4 離心通風機噪聲特性曲線與效率特性曲線(大氣溫度293 K，大氣壓力97 275 Pa)Fig.4 The noise character diagram and efficiency character diagram of a centrifugal fan(atmospheric temperature 293 K，Atmospheric press97 275 Pa)

圖中original 代表通風機上安裝有原始蝸舌，仿生蝸舌設計為組合式結構，中間層的穿孔板可拆卸，在相同的降噪效果下，仿生蝸舌的結構越簡單越好，因此，將仿生蝸舌分為2 組，case1和case2 分別代表通風機上安裝有帶穿孔板的耦合吸聲結構蝸舌和不帶穿孔板的耦合吸聲結構蝸舌。從圖4 中可以看出，對于原始蝸舌，在設計點時噪聲最小。在小流量和大流量的情況下，噪聲會逐漸增加;通風機的效率隨著流量的增大會先增大后減小，在設計點附近，有一個最高效率點。

在小流量時，2 種仿生蝸舌的噪聲都比原始蝸舌低，其中，case1 即帶穿孔板的耦合仿生吸聲結構蝸舌的降噪效果最明顯，在小流量時最大能降低2.5 dB，在設計點時，噪聲等級能降低0.5 dB。

在大流量時，通風機內由于只有小部分氣流通過蝸舌表面的仿生區域，原始蝸舌與2 種仿生蝸舌的噪聲特性曲線相互交替，降噪效果不明顯。

通過3 種情況下的噪聲特性曲線可以發現，在設計點，case1 的降噪效果優于case2，這說明帶穿孔板的耦合仿生吸聲結構蝸舌的降噪效果更為明顯。從效率特性曲線中可以看出，在小流量時，裝有仿生蝸舌的離心通風機的效率略低于裝有原始蝸舌的離心通風機效率，這說明仿生蝸舌對通風機性能影響不大;當流量超過設計點，逐漸增大時，3 種情況下通風機的效率曲線相互交替，但變化不大。圖5 表明在設計點時離心通風機的全壓基本不變，只是在流量偏離設計點時，全壓會略有升高或降低。因此，仿生蝸舌對離心風機的性能影響很小。

圖5 離心通風機全壓特性曲線(大氣溫度293 K，大氣壓力97 275 Pa)Fig.5 The total pressure character diagram of a centrifugal fan(atmospheric temperature 293 K，atmospheric press 97 275 Pa)

2 仿生蝸舌降噪機理分析

通風機在正常運轉條件下的噪聲視為偶極子源。它主要由旋轉噪聲和渦流噪聲組成［8］，葉片與蝸舌的耦合對旋轉噪聲也有影響［9］。氣流流經蝸舌時，蝸舌表面的附面層發展到一定程度會在蝸舌的尾緣發生渦流脫落，增大了氣流出口處的噪聲;另外，蝸舌附近還會有壓力脈動，這也將導致噪聲的產生［10］。仿生降噪蝸舌可以改善蝸舌繞流附面層參數，使附面層分離推遲，噪聲得到有效控制。

對于耦合仿生吸聲結構蝸舌，其微縫可以減緩葉輪排出的氣流與蝸舌的相互作用，氣流流過微縫時，氣流和微縫之間會有摩擦和阻尼，這種摩擦和阻尼的作用將氣體的聲能轉化為熱能。另外，微孔中的空氣在一定頻率的聲波下發生共振，氣體的能量被吸收，起到消聲降噪的作用，內部空腔能加強這一效果，從而減緩氣流對蝸舌的沖擊及蝸舌表面的氣流分離，使氣流的流動更加均勻，同時壓力脈動的程度降低，于是旋轉噪聲隨之減小。

3 結 語

本文運用仿生學原理和對比試驗的方法，對降低離心風機蝸舌處的噪聲進行了研究，通過對試驗數據和降噪機理的分析，得到如下結論:

1)耦合仿生吸聲結構蝸舌在小于設計點流量及設計點時，能降低離心通風機的噪聲，最大能降低噪聲2.5 dB，在設計點能降低0.5 dB。

2)帶穿孔板的仿生蝸舌的降噪效果要優于不帶穿孔板仿生蝸舌的降噪效果，說明穿孔板的耦合作用能加強仿生蝸舌的吸聲降噪效果。

3)仿生蝸舌在小于設計點流量時，對離心風機的效率、全壓等性能參數影響不大，因此，將生物學的特征應用于離心通風機蝸舌處進行降噪是一種有效的方法。

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