基于聲源識別及聲場模擬的工廠通風系統降噪研究

王偉輝，陳思豪，鄭杰元，林桂儀，黃育平

?

基于聲源識別及聲場模擬的工廠通風系統降噪研究

王偉輝1，陳思豪2，鄭杰元2，林桂儀3，黃育平3

(1. 臺灣海洋大學；2. 翰聲科技股份有限公司；3. 勞動及職業安全衛生研究所)

工廠廠房為了實現進氣、排氣及集塵的目的，需布設通風系統。由于其分布范圍廣泛，使得通風系統的噪聲成為工廠廠房室內噪聲中除機電設備之外的另一主要噪聲源，對廠房內員工的作業聲環境造成很大的沖擊。通風系統的噪聲源主要來自風管的固定支架振動、風管進排氣噪聲、管道壁振動以及管道噪聲通過管壁的透射。文章建立了一套針對工廠通風系統噪聲的聲源與聲場測量、頻譜分析、診斷排序與降噪模擬評估技術，利用聲場模擬，給出三種降噪方案。應用此技術對工廠噪聲進行治理，可大大提高業主選擇降噪方案的信心及成效預期心理。

工廠通風系統噪聲；聲源識別；聲場模擬；降噪方案；降噪效果評估

0 引言

傳統的產業工廠，生產項目種類繁多，包括金屬加工、金屬冶煉、食品及飲料生產裝填及包裝、木材加工、化學及塑料制品、機械加工及印刷品等。廠房內的主要噪聲源除了機電設備運轉所產生的噪聲外，其次為通風集塵系統所產生的噪聲，其對工作環境造成很大影響，是職業安全衛生改善的重點項目之一。

由于各工廠廠房內部布置不盡相同，即使生產同類產品的工廠，其廠房內的室內聲場也不一樣，如何處理此類復雜的室內聲場問題，取得各界一致的看法，形成一套標準的作業程序，供改善決策時有所遵循，是本研究的宗旨。

在參考了文獻[1-8]關于工廠噪聲控制方法理論及實務數據后，本研究團隊延續文獻[9]中的計劃，建立了一套工廠通風系統噪聲源及聲場的測量、頻譜分析與聲源識別排序、聲場改善模擬的評估技術。本研究成果的特色在于以聲源識別及聲場模擬為基礎，進行工廠廠房內通風系統的噪聲治理。

1 聲源識別

在取得廠房布置、尺寸圖及噪聲源與接收者的分布情形后，即可對聲源聲壓級與聲強以及接收點處的聲壓級進行測量，測量分析項目包括聲源及接收點的噪聲頻譜與波形圖。逐一比對接收處與聲源處的噪聲頻譜，即可得出接收處所受聲源相應頻率的貢獻量，并加以排序。更進一步，可對單一聲源中各頻率成分的貢獻量加以排序，這樣的排序對后續的降噪方案中如何針對性地選擇降噪材料和設備非常重要，以節省成本。

以軌道車輛的車輪旋削維修廠為例，該廠房布置如圖1所示，在車削作業時，廠房內一組工作人員分別散布于車削機的正前方及左、右兩側，主要聲源即為車削機作業摩擦及振動噪聲，以及空調通風系統的噪聲(見圖2)，通風系統噪聲又包含風機噪聲、風管噪聲及進氣口噪聲(見圖3)。車輪旋削作業時，在作業區的工作人員處測得聲壓級為97 dB(A)，而車削機聲源處的聲壓級為100 dB(A)，如圖4所示。

(a) 平面圖

(b) 廠房布置

圖1 車輪旋削維修廠廠房布置

Fig.1 Wheel lathe machine plant layout

圖2 廠房通風系統布置

圖3 廠房車削機上方進氣口

(a) 車削時正前方工作人員處的噪聲頻譜及波形圖

在僅通風系統啟動而無車削作業時，廠房內的噪聲測量結果如圖5及圖6所示。風機聲源處的聲壓級為78.6 dB(A)，而接收者處的聲壓級分別為：正前方人員處78 dB(A)、右側人員處73 dB(A)、左側人員處72 dB(A)。

(a) 遠離風機

(b) 靠近風機

圖5 通風風機的噪聲頻譜

Fig.5 The noise spectrum of ventilation fan

圖6 僅通風系統啟動時接收處的噪聲頻譜

顯然，車削機噪聲是最大的噪聲源，其中頻率為1.25 kHz的聲壓級高達100 dB(A)，此頻率接近鋼輪輪盤的固有頻率1 377 Hz。

2 聲場模擬

廠房內的聲源一般不只一個，工作場所人員也不只一位，由聲源至接收者間的傳遞屬于多重輸入與多重輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)問題。且廠房內聲場還受廠房形狀、材質、聲源分布、機器位置等諸多邊界條件的影響。因此在進行廠房室內噪聲治理之前，需進行聲場的模擬校估。

本文設計的聲場模擬與降噪效果評估程序如圖7所示。

圖7 聲場模擬效果及降噪效果評估的程序

模擬分析使用的建筑聲學軟件為EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers)，對于需要輸入的聲源聲功率，根據ISO9614-2，利用聲強計測量得到；對于進風口的噪聲聲功率級的計算是由ASHARE的HVAC算法算得[10]；風機的聲功率級按照式(1)進行估算[11]：

式(1)為低壓風機的聲功率級估算式；若為中高壓風機，則按式(2)進行估算[11]：

式中，為風機全壓(Pa)。

當得到風機的聲功率級后，可由式(3)近似估算出各頻帶的聲功率級[11]：

表1 風機各頻帶聲功率級的修正值Δb(dB)[11]

表2 風機各頻帶的聲功率級

在推算出風機的聲功率級后，可使用ASHRAE的HVAC聲學算法估算出兩個進風口的聲功率級，根據通風系統中風機的不同風量，經過各種不同長度和形狀的管道、彎頭分支管及進風出風口估算出其通風噪聲聲功率級。表3為利用ASHRAE的HVAC聲學算法估算出的結果與由測量聲壓級反推出的進風口聲功率級的比較，驗證了風口噪聲源設定的準確性。

風管振動噪聲源的聲功率測量，則是根據ISO9614-2的標準規范并因現場測量條件的限制，將通風管道理想化為三個面聲源，即底面與兩個側面，如圖8所示，利用聲強計垂直于理想化平面進行掃描(見圖9)，用聲強計測量各平面的聲強值(W/m2)，然后再乘以各平面面積(m2)，即為各平面的聲功率，最后將管道各平面(底面及兩個側面)的聲功率相加，即為管道的聲功率(此聲功率將以線聲源的形式輸入EASE)，詳細數值如表4所示。

圖8 將通風管道理想化為三個虛擬平面

圖9 利用聲強計測量通風管道壁面的聲強

在得到廠房通風系統三個主要噪聲源(風機、進風口以及風道管壁)各頻段的聲功率級后，即可利用EASE軟件建構廠房的幾何模型，如圖10所示，并標示出各噪聲源及機器位置、工作人員位置。廠房內各暴露面的吸聲系數可根據材質不同而分別設定，各材料的吸聲系數如表5所示。

表3 ASHRAE的HVAC算法估算與測量推算的進風口聲功率級比較

表4 風管管壁輻射源的聲功率

表5 廠房各材料的吸聲系數

圖10 EASE軟件建構出的廠房幾何模型

表6 全頻帶、1 kHz和250 Hz的模型校估表 (dB(A))

(a) 計算機模擬

(b) 實際測量

圖11 (a)計算機模擬與(b)實際測量的聲壓級分布比較圖

Fig.11 (a) Computer simulation and (b) comparison withactual sound pressure level distribution

若再同時啟動旋削作業，則廠房內的聲壓模擬分析結果如圖12所示，與實際測量得到的聲壓級比較如表7所示，可看出模擬聲場的誤差也均在±2 dB以內。

圖12 同時開啟通風系統及旋削作業時的廠房內模擬聲場

表7 EASE軟件模擬旋削時正前方工作人員處聲壓級與測量值比較

注：本團隊并未在旋削時測量廠房內的聲壓級分布，僅以正前方操作人員接受到的聲壓級用作校估標準

3 降噪效果評估

根據聲場模擬結果及測量診斷得知：

(1) 通風系統進風口的噪聲源對正前方工作區人員有全頻域的噪聲影響；而對左、右側工作區的影響僅在1 kHz以上的頻段較顯著；故有必要加裝管道進氣消聲器。

(2) 風管管壁振動輻射的噪聲對正前方區域的影響在低頻段較嚴重；對左、右側工作區的影響在500 Hz以下較大；因此必須對管道進行隔聲包覆。

按此分析結果，本文提出A、B、C三種降噪方案(如圖13所示)，并分別評價其降噪效果。三種降噪方案均需考慮集塵過濾措施。

方案A：對部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+消聲器(見圖15)；

方案B：對部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+管道內壁貼25 mm厚玻璃棉(見圖16)；

方案C：部分管道進行隔聲包覆(見圖14)+消聲器(見圖15，各型號消聲器插入損失見表8)+墻面吸聲處理(見圖17)。

(a) 管道隔聲包覆+消聲器

(b) 管道隔聲包覆+管道內壁貼25 mm玻璃棉

(c) 與(a)同，但在周圍墻面加上吸聲板(紅色部分)

圖14 兩片12 mm厚的硅酸鈣板包覆管道

圖15 消聲器

表8 消聲器型號及插入損失值(dB)

注：H50/120消聲器長度為1200 mm

同樣利用經校估建立的聲場模擬模式，分析上述三種降噪方案下的廠房內聲場，如圖18(a)~圖18(c)所示，其接收點的聲壓級與降噪量比較分別如表9及表10所示。

圖16 管道內壁貼25 mm厚的玻璃棉

表9 三種降噪方案下的接收點位置聲壓級比較

(a) 方案A的模擬聲場

(b) 方案B的模擬聲場

(c) 方案C的模擬聲場

車削機噪聲源的降噪，采用在鋼輪盤加上諧調質量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)的方式以降低噪聲。在旋削作業時，可將1.25 kHz頻帶的噪聲降低8 dB。另外在車削作業區上方須加蓋1.5 mm厚的鋼板(計權隔聲量為32 dB)；前方操作人員與車削機之間使用12 mm厚的強化玻璃屏障(值為32 dB)；分別如圖19(a)、19(b)所示。

車削機聲源經過這三項降噪處理后的聲場模擬分析結果如圖20所示，其降噪效果如表11所示。

表10 三種降噪方案下的接收點位置降噪量比較

(a) 頂部加蓋1.5 mm鋼板

(b) 12 mm厚的玻璃隔聲窗

圖19 車削機周邊漏音包覆

Fig.19 The noise reduction proposal of wheel lathe machine

表11 車削機聲源治理后的降噪效果

圖20 車削機加鋼質頂蓋與玻璃屏障后的模擬聲場

4 結論

(1) 本文建立了一套針對工廠通風系統噪聲的頻譜測量分析、診斷與評估技術，包括使用聲強計測量管道噪聲的方法；以經驗公式及ASHRAE的HVAC算法估算進風口噪聲聲功率級的技巧；以及應用聲學軟件建立聲場模型評估工作區域噪聲分布的程序。

(2) 利用聲場模擬分析可以給出不同治理方案的降噪效果，進一步提出成本-成效分析供決策者考慮。

(3) 本文提出的降噪方案，經評估預測，可使接收者工作區的噪聲級降至70 dB(A)以下。

[1] 控制通風系統噪音的優良方法[M].香港環境保護署, 2006.

[2] 室內聲學設計與噪音振動控制案例教程[M]. 化學工業出版社, 2014.

[3] Schaffer, Mark E. A practical guide to noise and vibration control for HVAC systems[M]. American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Incorporated, 1993.

[4] Barron Randall F. Industrial noise control and acoustics[M]. CRC Press, 2002.

[5] Cheremisinoff Nicholas P. Noise control in industry: a practical guide[M]. Elsevier, 1996.

[6] Bies David A, Colin H Hansen. Engineering noise control: theory and practice[M]. CRC Press, 2009.

[7] De Laborderie J, Moreau S. Prediction of tonal ducted fan noise [J]. Journal of Sound and Vibration, 2016, 372: 105-132.

[8] Michelsen R, Fritz K R, Sazenhofan C V. Effectiveness of acousticpipe wrappings [in German][J]. Proceedings of the DAGA, 1980: 301-304.

[9] 王偉輝. 國內產業噪音型態分類與控制技術研擬[R]. 臺灣勞動及職業安全衛生研究所委托研究計劃, 臺北: 2015.

[10] Reynolds Douglas D, Jeffrey M Bledsoe. Algorithms for HVAC Acoustic[M]. 1990.

[11] 馬大猷. 噪聲與振動控制工程手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2002: 526.

Noise reduction methodology of factory ventilation system based on the noise source identification and sound field simulation

WANG Wei-hui, CHEN Si-hao, ZHENG Jie-yuan, LIN Gui-yi, HUANG Yu-ping

(1.Taiwan Ocean University;2.HanSound Technology Co.,Ltd.; 3.Institute of Labor,Occupational Safety and Health)

In factory plants, the ventilation systems must be installed for the purpose of air intake, exhaust and dust collection. Owing to its wide range of distribution, the ventilation noise become another main indoor noise source other than the electro-mechanical equipment, and which have a great impact on the operation acoustic environment of the workers in a factory. The source mechanism of the ventilation noise is mainly from the vibration of the hangers of the ventilation duct, the flow noise generated at the inlet and outlet of the duct, the vibroacoustic noise generated at the duct wall, and the transmission noise of the duct flow noise in the duct. This article established a set of techniques used for the measurement of sound source and sound field, the spectral analysis, noise diagnosis and ranking, and the noise reduction simulation of ventilation noise in factories. As an application example, three proposals of noise reduction configuration for the ventilation system in a factory are provided, simulated and compared. Such kind methodology can greatly raise the confidence of the decision maker for the selection of noise reduction plan and the expectability of noise reduction effects.

factory ventilation system noise; noise source identification; source field simulation; noise reduction proposal; noise reduction effect assessment.

TB551

A

1000-3630(2017)-03-0267-09

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.013

2016-10-11;

2016-12-20

王偉輝(1948－), 男, 臺灣人, 臺灣海洋大學榮譽教授, 研究方向為船舶結構設計、船舶振動噪聲。

陳思豪, E-mail: csh26373017@gmail.com