煤礦用主通風(fēng)機(jī)排水口降噪分析與對策

馮濤,吳冠雄，崔凌飛

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300402)

在人類生產(chǎn)生活中，嘈雜的噪聲環(huán)境，首先會妨礙人們的休息和睡眠，令人心情煩躁。一般超過45dB(A)的噪聲，就會影響正常人的睡眠。在大城市的工業(yè)區(qū)，交通要道噪聲都大大超過了45 dB(A)而高達(dá)70～80 dB(A)，有的達(dá)到了90 dB(A)。這些噪聲晝夜不停，給周圍的環(huán)境造成了強(qiáng)烈的噪聲污染，對居民的休息和職工的生產(chǎn)勞動、工作造成了極大的危害。

在煤礦的生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)是不可缺少的通用設(shè)備，煤礦主通風(fēng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的噪聲會直接影響周邊居民和廠區(qū)工作人員的身心健康和破壞當(dāng)?shù)氐陌察o環(huán)境。因此，對主通風(fēng)機(jī)的降噪就引起了煤礦工作人員的重視。在分析噪聲產(chǎn)生機(jī)理基礎(chǔ)上，從噪聲產(chǎn)生的源頭、傳播路徑和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行降噪處理，產(chǎn)生了一定的效果。以往的降噪雖然得到了一定的效果，但是對主通風(fēng)機(jī)排水口的噪聲沒有得到控制。主通風(fēng)機(jī)的排水口一般都比較小，氣流在管道內(nèi)傳播，當(dāng)氣流比較大并且遇到截面變小時(shí)，就會在原有噪聲基礎(chǔ)上產(chǎn)生疊加，噪聲非常大，所以對于主通風(fēng)機(jī)排水口的降噪處理就變得尤為重要。目前國內(nèi)外對于排水口的降噪問題大多數(shù)是通過對主風(fēng)機(jī)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和綜合治理來進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到降噪效果，缺少更多的有針對性的降噪方法和對策。

1 排水口噪聲產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)機(jī)只要正常運(yùn)轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生噪聲，主通風(fēng)機(jī)的噪聲主要就是空氣動力噪聲和機(jī)械性噪聲。其中空氣動力噪聲主要是風(fēng)機(jī)葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和高速氣流在葉片旋轉(zhuǎn)過程中對氣體壓縮和稀疏產(chǎn)生的渦流噪聲，以及兩種噪聲疊加產(chǎn)生的噪聲。而機(jī)械性噪聲主要是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下帶動的風(fēng)機(jī)殼體振動產(chǎn)生的噪聲和電磁噪聲兩種。

排水口作為主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的一部分，肯定受到上述兩種噪聲的輻射影響。排水口既是主通風(fēng)機(jī)排水口，又是含塵氣流的排放口，也是噪聲外排口。由于排水口比較小，所以通過排水口的噪聲主要形式就是高氣流通過后形成的噴注噪聲，噪聲一般屬于中低頻噪聲，所以如何降低低頻噪聲就成為了降噪的關(guān)鍵[1]。

通過上述分析可以知道排水口的主要噪聲來源，所以對排水口的降噪不可能通過改變噪聲源來進(jìn)行控制噪聲。因此只能從噪聲的傳播路徑上來進(jìn)行噪聲的控制處理，達(dá)到降噪的效果。排水口噪聲輻射的部位很顯然就是在出口處，因此主要就考慮在排水口出口實(shí)施噪聲控制。

2 聲音在管道中的傳播特性

聲源在沒有邊界的空間中的輻射是波陣面逐漸發(fā)散的球面聲波。當(dāng)輻射聲源在管道中時(shí)，聲波的傳播方式簡單，在傳播信道中沒有擴(kuò)散，因此聲波可以沿管道傳播很遠(yuǎn)。通過對圓柱形聲波導(dǎo)管性質(zhì)進(jìn)行分析來說明聲波在管道中的傳播特性，假設(shè)管壁是剛性的。

設(shè)有一圓柱形管，半徑為a，一端無限延長。現(xiàn)在用柱坐標(biāo)來描述其聲波方程，設(shè)管的徑向坐標(biāo)為r，極角為θ，軸向坐標(biāo)為z[1]，圓柱形聲波導(dǎo)管模型如圖1 所示，得到三維柱坐標(biāo)波動方程為：

求得管中聲壓解為：

為了得到管中聲波導(dǎo)管的截止頻率，聲壓解又能用以下方式表示：

式（2.2）代表圓柱形聲波導(dǎo)管中的（m，n）次簡正波。除此之外，還可以得到與矩形管相類似的圓柱形聲波導(dǎo)管的截止頻率，即除零以外最低的簡正頻率，計(jì)算公式為：

當(dāng)聲源頻率低于fc時(shí)，在管中有唯一的，半徑為a 的圓柱形管中以平面波的形式沿z 軸傳播。

3 聲源噪聲控制對策

根據(jù)能量守恒定律，能量既不能產(chǎn)生也不能消失，但可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。聲波是一種空氣分子的振動能量，通過物體對聲波能量的吸收，能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱。

聲波在理想介質(zhì)中傳播時(shí)沒有能量的損耗，聲波在傳播過程中能量保持不變。然而，聲波在實(shí)際的傳播過程中是通過非理想介質(zhì)，傳播介質(zhì)不僅要吸收聲波的能量，在傳播過程中會產(chǎn)生能量和幅值的衰減。

聲波產(chǎn)生衰減的原因有：1)聲波傳播時(shí)，波陣面在空間中擴(kuò)展，會產(chǎn)生幾何衰減，在總聲波能量不變的情況下，傳播到不同位置的聲波幅值不同。2)介質(zhì)會對聲波能量進(jìn)行吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。3)介質(zhì)中所含有的粒子對聲波會有散射作用，聲波在傳播過程中遇到這些小的顆粒會發(fā)生散射。

使聲波產(chǎn)生衰減的介質(zhì)對聲波能量的吸收有粘滯吸收和熱傳導(dǎo)吸收兩種主要的形式。其中一種形式是粘滯吸收。由于傳播介質(zhì)在聲波傳播過程中會發(fā)生變形，而介質(zhì)本身是具有粘性的，在變形及恢復(fù)的過程中會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化[3]。

根據(jù)對排水口噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和聲波在管道中傳播的特性進(jìn)行分析后，我們可以在排水口安裝消聲器，對排水口進(jìn)行降噪處理。排水口處的空氣動力性噪聲聲壓級最大，所以在排水口安裝消聲器是快速控制噪聲的最有效措施。現(xiàn)在應(yīng)用最多的消聲器根據(jù)其原理主要有阻性消聲器、抗性消聲器、微穿孔板消聲器以及復(fù)合式消聲器。根據(jù)聲波產(chǎn)生衰減的原因和排水口產(chǎn)生的噪聲主要是中低頻噪聲的特性，我們這里使用抗性消聲器。抗性消聲器主要是通過管道截面的突變或在管道中間加旁支共振腔體[1]，使聲波在傳播的過程中引起阻抗，通過聲波的反射、干涉來降低聲能，來達(dá)到消聲的目的。

根據(jù)抗性消聲器的原理，我們可以在排水口安裝一個(gè)多級消聲器，達(dá)到多級降噪的目的，也可以改變截面，在傳播過程中接裝一個(gè)共振腔，來實(shí)現(xiàn)最好的降噪效果。由于是排水口，多級消聲器除了有降噪的作用，還有排水管道的效果，可以在消聲器的末端增加一個(gè)U 型管道，當(dāng)水位不超過U型管的最高水位時(shí)，水會暫時(shí)存儲，這樣聲波就會從空氣進(jìn)入到水中，進(jìn)行一系列反射、折射和干涉使聲能降低，達(dá)到降噪的效果。排水口排出來的水中間會摻雜一些粘性物質(zhì)，根據(jù)聲波衰減介質(zhì)對聲波能量吸收的特點(diǎn)，粘性介質(zhì)會對聲波進(jìn)行吸收和能量轉(zhuǎn)化，達(dá)到降噪的效果。

除了對消聲器結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來達(dá)到降噪效果外，還應(yīng)該在消聲器與排水口連接端口處和排氣口處鋪設(shè)消聲材料，這樣就可以在源頭進(jìn)行高頻噪聲的降噪，完成初次降噪和終極降噪。

4 總結(jié)

對主通風(fēng)機(jī)排水口的噪聲控制，最有效的就是從排水口處，即聲源處進(jìn)行噪聲控制。對已經(jīng)安裝的風(fēng)機(jī)，可以在排水口增加一個(gè)多級消聲器來進(jìn)行噪聲控制，同時(shí)還應(yīng)該對消聲設(shè)備進(jìn)行減振、消聲和隔聲等多方面的處理，來消除因?yàn)闄C(jī)械振動、設(shè)備振動產(chǎn)生的次生噪聲。所以設(shè)計(jì)一種多用途主通風(fēng)機(jī)口排水消聲裝置是很有必要的。