一種圓筒狀污水泵站降噪工程設計

王孚懋，王 晨，張玉環，張 申，劉青禹

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590）

隨著我國城市建設的快速發展，原建的市政工程項目如污水泵站、加壓泵站、換熱站和變電站等逐步被建筑樓群所包圍，導致環境噪聲與環境振動污染問題愈加突出。工程實踐表明，通過吸聲降噪等綜合性措施，可以有效降低車間的混響噪聲。長沙卷煙廠聯合工房卷包車間布置大量機械設備，屬于典型多聲源扁平空間，通過在頂棚及墻面鋪設帶空氣層的蜂窩狀鈦科絲吸聲板，對79個測試點噪聲取平均值，車間噪聲由85.4 dB(A)降為79.2 dB(A)[1]。

西安市二手房交易大廳由于采用了石板玻璃材質的內凹屋面與矩形建筑空間，顫動回聲現象明顯，通過懸掛空間吸聲體與吸聲板措施，室內總吸聲量由56.3 m2增加到925.8 m2，平均降噪值達到了13.4 dB(A)[2]。邳州泵站豎井呈橢圓形，內壁為鋼板，空間狹窄，混響噪聲明顯，通過在豎井貫流泵外殼結構上粘貼高阻尼材料以及在橢圓形豎井內壁布置玻璃纖維棉，使得電動機層噪聲由90 dB(A)降至74 dB(A)[3]。

青島經濟技術開發區某污水泵站于1996年建成運行，與2014年建成的某居民小區樓毗鄰，相距約16 m，該區域屬于城市2類聲環境功能區，泵站設備運行產生了一定噪聲污染。本文針對圓筒狀泵站建筑特點和擾民問題復雜性，采取吸聲與隔振等綜合性噪聲治理措施，降低了泵房室內與廠界噪聲，工程效果顯著。

1 泵站噪聲源測試

該污水泵站建筑外形呈圓筒狀，如圖1所示。

圖1 泵站建筑外形

泵房室內空間直徑約15.5 m，地下負一層高約8.1 m，地面一層高約6.2 m，總高約14.3 m。泵房安裝有7 臺格蘭富大功率立式水泵，型號S1.100.200.850.4.70 H.D.432.G.N.D.Z，流量Q=612 m3/h，揚程H=75.5 m，最大額定功率85 kW，同步轉速n=1 500 r/min，重量W=1 320 kg。出水管直徑200 mm，變徑管直徑300 mm，出水總管直徑800 mm，進水管直徑1 000 mm。水泵采用單極葉輪，葉片數z=3。水泵安裝在泵房地下負一層，自西向東按序號依次排列，常規運行2～4臺，5用2備。泵房室外配套除臭間、鼓風機房、控制室、儲水池、軸流引風機、送風管、回風管、車間換氣扇等輔助設施，泵站設備布局與噪聲監測點布置如圖2所示。

噪聲測試采用了愛華AWA5688 型多功能噪聲頻譜分析儀、紅聲ND9 型聲級校準器和三腳架。3個噪聲監測點布置如圖2（a），2（b）所示。

其中P1 測點位于地下4 號水泵1 m 處，P2 測點位于地面工作臺東部中央（門內側），P3測點位于泵房外廠界外1 m 處。測試工況為開啟2#和4# 2 臺水泵，除臭機、引風機、鼓風機等正常運行。噪聲測試采樣時間取1 分鐘，計算1 分鐘等效A 聲壓級，各監測點統計A 聲級監測結果列入表1中，包括LeqA、Lmax、Lmin、L5、L10、L50、L90、L95等。

由此可見，室內監測點符合穩態噪聲源的波動要求（3 dB 以內）。泵房地下負一層測點P1 水泵噪聲為89.7 dB(A)，地面一層測點P2 工作臺噪聲85.8 dB(A)，兩個測點相距約10 m，說明室內噪聲傳播衰減較小，機房墻體反射的混響聲影響較大。廠界P3測點統計噪聲峰值波動范圍較大，超過了10 dB(A)，說明交通與生活噪聲對測試結果影響較大。

泵房室內噪聲1/3 倍頻程頻譜測試結果如圖3所示。采樣時間采用1分鐘。

在水泵2#與4#運行工況情況下，水泵P1測點與工作臺P2 測點的噪聲頻譜波動形態基本相似，第1階峰值出現在63 Hz 處，第2 階峰值出現在125 Hz處，第3階峰值出現在315 Hz處，第3階是降噪設計的關鍵頻段。

圖2 泵站設備布局與噪聲監測點布置

表1 統計A聲級監測結果（治理前）

圖3 泵房室內噪聲1/3倍頻程頻譜測試結果

根據泵站現場測試分析結果，泵體與管道為主要聲源，泵房屋面鼓風機、除臭模塊引風機、空調風機等是次要聲源。由于泵站圓柱形建筑形態，封閉式空間腔體易產生較大的混響聲，加劇了噪聲輻射。為此，確定房間吸聲與水泵隔振等綜合性降噪技術措施。

2 泵房吸聲設計

由于泵房墻體已經做過隔聲處理，因此以吸聲降噪作為設計重點。治理前各倍頻程處聲壓級如表2所示。根據《工業企業設計衛生標準（GBZ1-2010）》[4]，生產車間觀察（值班）室噪聲限值為75 dB(A)。根據《工業企業噪聲控制設計規范（GB/T50087-2013）》[5]，選用NR70 噪聲評價曲線，將6 個倍頻帶允許聲壓級列入表2，得到各倍頻帶聲壓級所需的降噪值（見第3 行），理論設計降噪量10.8 dB(A)。

噪聲治理前，泵房內壁面平均吸聲系數按下式計算

式中：為房間內壁面平均吸聲系數；Sk為第k個結構體吸聲面積，m2；αk為第k個結構體吸聲系數，泵房內壁結構體包括屋面、地面、墻體和門窗。其中，屋面與地面面積均為54.8 m2，內墻（不含門窗面積）912 m2，鋁塑復合門窗面積（控制室）16 m2，采光窗面積共48.7 m2,合計泵房內壁面總面積1 021.6 m2。其中，治理前屋面、地面與墻體均為水泥抹灰結構各結構體倍頻程吸聲系數取值為0.04～0.07。吸聲處理前的平均吸聲系數計算值列入表2（見第4行）。

對于室內混響聲場，房間常數定義為R=Sαˉ/(1-αˉ)，聲傳播吸聲降噪量按下式計算[6]

式中：R1為治理前房間系數，m2；R2為治理后房間系數，m2；為治理前吸聲系數；為治理后吸聲系數。房間吸聲量定義為A=，S為房間總面積，單位均為m2。考慮到都是小數，式（2）簡化為

A聲級與聲壓級的關系為

式中：LA為A 聲級，dB(A)；LPi為第i個倍頻程線性聲壓級，dB；ΔLAi為A計權網絡聲壓級修正值，dB(A)；n為倍頻程個數。

按照式（3）計算倍頻帶設計平均吸聲系數，如500 Hz 處=0.05×100.1×8.5=0.35 ，列 入 表2第5行。

吸聲體結構：內墻壁+鋼架網片空氣層+鋼龍骨架+超細玻璃棉氈+玻璃纖維護面布+鋁塑穿孔護面板。玻璃棉厚度100 mm，容重40 kg/m3；護面板穿孔率8 %，孔徑5 mm。查產品說明書或聲學材料手冊，得到吸聲系數，如表2第9行[7]。

按照表2依次計算，得到需要吸聲材料的數量（見第10 行），最大吸聲面積為764.4 m2，位于1 000 Hz 處。按照吸聲體面積S1=764.4 m2，原墻面S2=1 021.6 m2，重新計算泵房內穿孔板+超細玻璃棉結構平均吸聲系數，根據式2進行校核驗證，設計降噪量85.8-74.8=11.0 dB(A)，降噪效果滿足NR70 噪聲評價曲線。以上計算基于2 臺泵運行工況，由于滿負荷下需要4～5 臺泵同時運行，考慮到設備檢修、方便施工，美觀性等工藝要求，工程中采取屋頂與墻面滿鋪吸聲體方案，實際吸聲面積大于計算值。

3 水泵隔振設計

由于水泵運行時存在偏心激振力或旋轉不平衡力，以及葉片的流體擾動等，隔振設計需要考慮旋轉工頻的影響，如25 Hz，75 Hz，150 Hz等。

對于水泵的垂向運動，基礎力傳遞率ηb按下式計算

式中：N0為傳遞到基礎的力，N；F0為激振力，N；ζ為阻尼比；r為頻率比。

當無阻尼時，振動傳遞率簡化為

表2 泵房吸聲降噪計算步驟（P2測試點）

當ηb選定后，所需頻率比為

為簡化計算，取阻尼比ζ=0，力傳遞率ηb=0.05。由式（7）得，頻率比r=4.583。根據電機轉速，得激振頻率?=n/60=25.0（Hz），隔震器設計頻率?n=?/r=5.5（Hz）。為保持平衡，選用4 個隔振器并聯在泵的底座四角，單個隔振器靜載荷W1=m×g/n=3 234（N）。根據隔振器靜載荷與固有頻率，選取JSD-530 型橡膠隔振器，相關參數列入表3中。

根據橡膠隔振器選型參數，取阻尼比ζ=0.07，頻率比最小r0=?/?0=4.997，按式（5）得隔振傳遞率最小ηb=0.05，固有頻率5.5 Hz，也避開了水泵的旋轉基頻25 Hz[8]，符合設計值要求。

4 工程效果分析

泵房噪聲治理工程結束后，在同樣的工況下進行了現場噪聲監測。泵房噪聲治理前后的倍頻程監測結果如圖4所示。

分別給出了P1和P2測點的監測結果，并與理論計算結果進行了比較。總體來看，噪聲頻譜監測結果與理論設計值的變化趨勢基本一致，實測值（深色藍線）整體小于理論設計值（淺色紅線），說明采取吸聲與隔振等綜合性降噪措施，工程效果優于單純的吸聲措施。

表3 隔振器選型設計

圖4 治理前后泵房噪聲倍頻程監測結果

由圖4(a)可知，P1測點（4號泵位置）實測A聲級82.3 dB(A)，降低了6.8 dB(A)；250 Hz 處聲壓級最大降幅達到16.2 dB，說明減振措施抑制了低頻峰值噪聲。由圖4(b)可知，P2 測點（工作臺）實測A 聲級68.2 dB(A)，降低了17.6 dB(A)；2 kHz 處聲壓級降幅達到20.0 dB，說明泵房內混響噪聲與設備振動控制效果顯著。經監測部門測試，治理后廠界噪聲晝間48 dB(A)，夜間42 dB(A)，滿足1 類聲環境功能區噪聲限值要求，即廠界噪聲晝間小于55 dB(A)、夜間小于45 dB(A)。

5 結語

通過對圓筒狀建筑結構特點與聲源分析，確定了泵房吸聲與隔振等降噪工程方案。按照運行2臺泵工況，選用NR70噪聲評價曲線，設計吸聲處理面積764.4 m2，占泵房全部內面積的70.4%，理論計算A 聲級達到了74.8 dB(A)。考慮到大負荷下需要運行3～5臺泵，工程中采取了屋面與墻面滿鋪吸聲體方案。選取JSD-530 型橡膠隔振器，水泵隔振效率達到95%以上。現場噪聲監測結果表明，泵房室內工作臺位置單點降噪量達17.6 dB(A)，水泵1米處降噪量達6.8 dB(A)，廠界噪聲滿足1 類聲環境功能區噪聲限值要求，獲得了預期工程效果。