艦船顯控臺噪聲分析及試驗研究

趙金鵬

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

隨著現代化技術的飛速發展，海軍裝備進行了新一輪的升級，對顯控臺等艦船電子裝備的噪聲性能要求越來越高[1-2]。顯控臺是艦船控制系統中重要的硬件平臺設備，噪聲限值是反映顯控臺工作性能的一項重要指標。為滿足國軍標對艦船電子設備噪聲限值的要求，對顯控臺進行噪聲源研究和噪聲測試逐漸成為一項重要研究課題[3-5]。

本文從理論分析和試驗研究兩方面對某型顯控臺的整體噪聲水平和主要噪聲源進行分析研究，并對顯控臺的降噪治理提出建議。

1 艦船顯控臺噪聲源分析

艦船電子設備顯控臺的噪聲情況比較復雜，主要分為3 類：空氣動力噪聲、機械振動噪聲和電磁噪聲[6]。

空氣動力噪聲是指由流體流動過程中的相互作用或氣體與固體介質之間的相互作用而產生的噪聲，從噪聲產生的機理看，空氣動力噪聲主要由旋轉噪聲和渦流噪聲組成[7]，顯控臺的主要空氣動力噪聲源是風機。

旋轉噪聲是風機在運行時，旋轉葉片周期性擾動周圍空氣質點，引起空氣動力脈動而產生的噪聲，這種周期性壓力脈動由一個穩態的基頻和一系列諧波分量疊加而成。這些脈動分量 f1可用下式表示：

式中：n 為風機轉速，r/min；Z 為風機葉片數；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

渦流噪聲的形成過程如下：風機葉片在高速旋轉時，周圍空氣在葉片后產生快速渦流，這些渦流由于粘滯力的作用會分裂成一系列小渦流，這些小渦流與渦流的分裂會導致空氣產生擾動，形成壓力波，從而形成渦流噪聲[8]。渦流噪聲是寬頻連續噪聲，渦流噪聲的頻率 f2可表示為：

式 中： St為斯脫羅哈爾數，一般St=0.14 ～0.20；v為氣體與物體（葉片與其他障礙物）之間的相對速度；D為物體正表面寬度在垂直與速度平面上的投影；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

機械振動噪聲是指機械部件在撞擊、摩擦、交變應力的作用下由于振動而產生的噪聲。顯控臺除風機外，其余元器件、結構件都在靜止狀態下工作，產生的機械振動噪聲并不多[9]。

電磁型噪聲是由電磁場交替變化而引起某些機械部件或空間容積振動而產生的噪聲，典型的有變壓器和鎮流器發出的噪聲，與空氣動力性噪聲相比，電磁性噪聲源較小。

某型顯控臺殼體背部裝有2 臺FP-108-1 型交流風機，顯控臺內部配置2 個加固機，每個加固機配置2 臺4134型直流風機，風機配置及主要性能參數如表1 所示。

表1 某型顯控臺風機配置及主要性能參數Tab. 1 Configuration of a type of display console fan and main performance parameters

2 理論計算

由噪聲源分析可知，顯控臺的主要噪聲源是風機，當多個噪聲源同時存在時，顯控臺的噪聲總聲壓級可根據聲壓級疊加公式計算，即

其中， LPT為幾個噪聲源的總聲壓級； LPi為單個噪聲源的聲壓級。

將表1 中顯控臺的風機配置代入公式計算：

由理論計算可知，理想狀態下顯控臺的噪聲總聲壓級疊加值為51.9 dB（A），噪聲值比較突出，不能滿足艦船設備噪聲限制的要求。

3 顯控臺噪聲試驗

對顯控臺進行噪聲試驗可以對顯控臺的現有噪聲水平進行摸底測試，根據現有噪聲水平可檢測其是否達到艦船設備噪聲限制的要求，若不達標，可確定噪聲控制目標，并依據現有技術水平提出合理的降噪措施和建議。

3.1 噪聲試驗方法

顯控臺的噪聲試驗選用某型顯控臺，風機主要布置在顯控臺內部和背部。試驗設備選用B&K 音頻分析儀和標準傳感器4191，試驗設備均經過標定并在有效期內。試驗環境為室溫25 ℃，相對濕度69%，大氣壓力101.3 kPa，試驗背景噪聲的聲壓級比被測設備運轉時噪聲的聲壓級低10 dB 以上。

由顯控臺的外形尺寸確定試驗設備屬于小型設備，噪聲試驗檢測點的位置如圖1 所示。傳聲器放置在距離顯控臺1 m 處的5 個位置，分別檢測各個測量點的聲壓級（A 計權）。

傳聲器布置完成后，將顯控臺通電（220 V/50 Hz）開機后滿負載工作，分別檢測各個測量點的聲壓級，每個測量點的檢測持續時間為30 s 以上，試驗數據采集完成后對其進行分析和傅里葉變換得出每個測量點的噪聲頻譜圖和聲壓級，試驗測量分析系統圖如圖2 所示。

3.2 噪聲聲壓級分析

圖2 測量分析系統圖Fig. 2 Measurement analysis system diagram

將音頻分析儀采集的數據導出并進行傅里葉變換，可得某型顯控臺在滿負載工況下，其前、后、左、右、上共5 個測量點處各頻率段的噪聲聲壓級和頻譜圖，顯控臺噪聲在31.5～8 000 Hz 頻率段范圍內的測量結果如表2 所示。

表2 某型顯控臺噪聲試驗數據匯總表Tab. 2 A summary of the noise test data of a type of display console

由表2 可知，顯控臺噪聲分別在中心頻率為125 Hz，250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 的頻段內噪聲聲壓級比較突出，由此可判斷顯控臺的噪聲源主要在這4 處頻率段。

3.3 噪聲頻譜分析

當設備有多種噪聲源同時存在時，需要對噪聲進行分析和識別，這樣在進行降噪設計時才能夠有針對性，只有對最大的噪聲源進行有效控制，才能達到降噪目的。常用噪聲源識別方法是頻譜分析，將音頻分析儀采集的數據進行傅里葉變換即可得顯控臺前部測量點的頻譜圖，如圖3 所示。

圖3 顯控臺前測量點頻譜圖Fig. 3 Display control stage measuring point spectrogram

由噪聲源理論分析計算可得風扇的噪聲頻率，本文研究的風機有2 種類型，以4314 型風機為例，將風機轉速1 550 r/min 代入風機旋轉噪聲計算公式得該型噪聲頻率為129.2 Hz，對應頻譜圖中125 Hz 頻率段，可知129 Hz 為4314 型風機噪聲的基礎頻率，其噪聲峰值為52.7 dB（A），250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 分別為4314 型風機的2 倍頻、3 倍頻和4 倍頻，對應峰值為46.5 dB（A），45.5 dB（A）和46.4 dB（A），倍頻之后風機噪聲的峰值有所衰減，但噪聲仍然很明顯。

4 降噪設計

1）對風機進行優化設計或重新選型。風機葉片高速攪動空氣會產生很大的高頻噪聲，通過控制風機轉速，選用葉片不均勻分布的風機，或不同材料的風機，優化風機氣流通道，使其盡量避免拐角、突變截面形成渦流，采用流線型設計等方法對風機進行優化選型，降低風機噪聲。

2）對風機殼體進行降噪結構優化。風機殼體內壁表面設計選用新型復合材料泡沫鋁，泡沫鋁是一種微孔泡沫金屬，比重在0.3～0.2 g/cm3之間，可有效降低風機運行過程中產生的高頻振動、空氣噪聲和阻尼噪聲的擴散。

5 結 語

艦船電子裝備顯控臺的噪聲源比較多且復雜，通過噪聲源理論分析和試驗研究發現顯控臺的主要噪聲源是風機，理論分析與試驗研究結果一致。在艦船的顯控臺設計和生產過程當中采取風機優化設計、風機殼體結構優化設計和風機重新選型等綜合降噪措施，可在一定程度上降低艦船顯控臺噪聲。