空调系统风机的噪声控制

对于设有空调等建筑设备的现代建筑, 空调设备的运行必然会有噪声。其设置于建筑外部的设备(如冷却塔)以及风机或空调机组通过进、排风口而产生的噪声对建筑周围环境产生影响;而机房振动或风道产生的噪声对建筑房间产生影响。因此为了保护环境, 防止噪声污染, 对于城市区域, 国家标准GB3096 -82 规定了各种区域的噪声要求, 见表1 。

同时有关的规范、标准还规定了室内噪声控制标准。

所谓噪声, 就物理学观点讲, 则是各种不同频率和声强的声音无规律地杂乱组合。而就心理学和生理学观点讲, 凡是使人听之烦噪、讨厌、影响健康和不需要的声音都属噪声。

人耳听觉感到的声音轻响程度, 并不单纯取决于声压级(或声强级)的大小, 而是由声压级(或声强级)与频率的综合结果。因为人耳对不同频率的声音的敏感程度是不同的, 即对高频噪声比较敏感, 听起来较响, 而对低频噪声不敏感。为了使噪声的量度接近人耳的响应特性, 在一般测量声压级的仪器(即声级计)中, 参考等响曲线, 在声级计上设置了三种不同的计权网络A 、B 、C , 使测量时接收到的声信号经网络滤波后按频率获得不同程度的衰减。其中A 网络是模拟人耳对40 方(phon)纯音的响应, 它使接收到的声信号在低频范围衰减相当大, 因此, 用A 网络测得的噪声较为接近人耳对声音的感觉。近年来在噪声测量中,多用A 网络测得的声级来代表噪声的大小,称之为A 声级, 记作dB(A)。A 声级是单一的数值, 是噪声的所有频率成分的综合反映。如果我们想较细致地确定各倍频程的噪声评价,那么就应采用噪声评价曲线。

国标声学组织(ISO)提出一族噪声评价曲线(即NR 曲线)如图1 所示。

噪声评价曲线按噪声级由低到高的顺序进行编号, 它的号数N R 叫做噪声评价数, 规定N R值等于中心频率为1000 赫的倍频程声压级的分贝整数。噪声评价数NR 与声级计A 档读数LA 的换算关系是:N R=LA -5 。

空调工程中主要的噪声源是通风机, 制冷机和机械通风式冷却塔等设备。空调送、排风系统的噪声, 主要是由通风机在运转时产生的, 这种噪声是由空气动力噪声和机械噪声组成。通风机结构的关键部件是装有多个叶片的叶轮, 叶轮旋转时不断对气流施加作用力。作用力的平均部分对应于维持气流运动的推力, 而作用力的交变部分则对应于产生空气动力噪声的激发力。空气动力噪声包括旋转噪声和涡旋噪声。

旋转噪声是指当风机叶片相对于气流运动时, 迎风侧和背风侧所受压力不同。对于给定叶片来说, 流场分布是定常的。对于给定空间位置来说, 由于流场随叶片旋转, 每当一个叶片通过时, 压力起伏变化一次。旋转着的叶片不断地逐个通过, 相应逐个产生压力脉冲而向周围辐射的噪声。每秒钟内通过的叶片数叫做片通过频率,它就是旋转噪声的基频。旋转噪声除了基频外还存在许多谐波成分。通风机的旋转噪声频率是叶片通过频率与其谐波频率的合成, 它由通风机的转速和叶片数目决定。旋转噪声的声压对叶片尖端的圆周速度非常敏感。叶片尖端的圆周速度越高, 则旋转噪声越强, 而且谐波噪声成分增强的速度要比基频噪声大。在近场, 随谐波阶数的增加,声压与圆周速度的二次方至五次方成正比。在远场, 声压与圆周速度的五次方至九次方成正比。这就使得通风机噪声显得高调刺耳。为了降低风机噪声, 一般离心风机叶轮圆周速度V 不应高于18m/s , 轴流风机圆周速度V不应高于20m/s , 否则, 空气动力噪声将明显提高。所以在空调系统中应选用转速较低的后向式离心风机。

贯流式风机工作时, 由于流体从叶轮流道出口处流出时与蜗舌碰撞产生旋转噪声, 直叶风机的叶片与蜗舌平行, 气流撞击蜗舌的能量比较集中。使用国产的直叶和斜叶叶轮产品(D=0 .09m , L =0 .614m , Z =35 ,θ=5°), 在同一国产室内机上测定。结果表明, 在风量相同的情况下, 直叶风机的A 声级噪声为41 .7dB , 而斜叶风机的A声级噪声仅为39 .3dB , 降噪效果达2dB 之多。因此, 采用叶片倾斜安装的贯流式叶轮, 由于沿轴向压力脉动具有相互抵消的效果, 可以有效地降低贯流式风机的旋转噪声。

风机叶片相对于气流运动时, 气流绕过叶片在叶片后缘也会有涡旋的产生, 发展与脱体过程, 从而辐射涡旋噪声。降低风机涡旋噪声的一个重要因素是降低叶片进口处气流的相对加速度系数, 而离心式通风机叶片的几何形状对片进口处气流的相对加速度系数的影响非常大, 因此要降低风机的涡流噪声就必须正确设计叶片的几何形状。

离心风机叶轮出口气流与蜗舌作用的交变力使气流密度发生变化, 是风机产生旋转噪声的因素之一。变风量空调系统可以通过改变阀门开度或风机转速等方法来改变风量。但阀门调节会引起系统内静压过高产生噪声、漏风等缺点。而如果采用变频调速方法来调节风机的送风量, 变速调节流量后, 使实际工况下风机叶轮的出口气流速度降低。这样叶轮出口气流与蜗舌作用的交变力引起的气流密度的变化减少, 降低了旋转噪声。同时物面上涡脱落产生的变应力引起的气流密度的变化也少, 使涡旋噪声也降低。又因为风机噪声的声功率与流速的六次方成正比, 这样实际工况下风机的噪声就有了较大的降低。

机械噪声是由固体振动产生的, 包括空调系统设备本身或系统中构件的机械振动。如通风机的机械振动, 以及轴承、联轴器等传动装置的偏摆、碰撞、摩擦和其它机件运转不平衡产生的噪声。对于同一系列风机, 如果机械加工质量低劣,会使比声功率级大幅度提高。为了减少机械噪声, 对风机应讲究其结构的合理性, 装配的精密性和良好的平衡性能。在风机传动中, 直联传动比联轴器传动的噪声小, 三角胶带传动噪声最大。为了避免碰撞和振动还应控制运动零部件结合处的间隙, 并尽可能采用噪声低的滑动轴承。为了避免碰撞和振动还应控制运动零部件结合处的间隙, 并尽可能采用噪声低的滑动轴承。为了减少机械振动应在风机安装时设置有效的隔振垫或隔振器, 以减少传递到基础上的机械振动。此外, 还可以在风机机壳上敷设阻尼涂料, 以降低机壳的机械振动产生的噪声。

主动噪声控制(简称ANC)是利用声干涉原理来降低噪声。它通过对噪声源的跟踪、识别,产生一频率相同、相位相反, 并有相当幅值的抵消信号, 经过放声设备输出, 与原噪声干涉, 从而达到控制区域内的噪声降低。为了能够在希望区域内有效地降低噪声, 要求产生的抵消声场与原声场在时间和空间上匹配, 以跟踪噪声源的变化并在控制区域内实现噪声的降低。轴流通风机的噪声主要由风叶旋转时的叶片通过频率及其低次谐频成分构成。利用多通道自适应主动控制系统能够在时间和空间范围使抵消声均与原声场较好地得到匹配, 从而有效地抑制那些幅值高的离散频率的噪声, 而使噪声得到较大的降低。当然作为空调系统还可以采用降低风管内的空气动力阻力, 改进风管结构, 在风机室、制冷机房、空调器的进风口、空气分配器以及部分风管内敷设吸声材料, 设置消声器等方法来控制噪声。

随着建筑业的崛起, 空调设备已成为现代建筑中必不可少的部分。空调设备的运行总是会产生一些噪声的。为了控制噪声, 设备制造商应对空调设备的结构、形式予以改进, 降低运转时产生的噪声;工程界应优先考虑选用噪声低、振动小的空调设备, 并采取有效的降噪减振措施, 将噪声对室内外环境的影响控制在国家允许的噪声标准范围内。为人们的生活和作创造良好的声学环境。