礦用軸流通風機集流區域主動降噪試驗

于琦,王海橋,劉剛,張任強,陳方興,陳永平, 4,曠穎侖

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;2.湖南理工職業技術學院 智能制造學院,湖南 湘潭 411104;3.湖南科技大學 湖南省礦山通風與除塵裝備工程技術研究中心,湖南 湘潭 411201;4.桂林航天工業學院 能源與建筑環境學院,廣西 桂林 541004;5 湘潭市生態環境局,湖南 湘潭 411100)

軸流通風機作為輔助通風設備,用途廣泛.在礦井巷道等受限空間中,通風機噪聲與反射噪聲混疊,聲場復雜,噪聲污染嚴重.近年來,隨著職業健康教育的普及,工業噪聲防治措施成為重中之重[1].因此,開展礦井通風機的降噪研究,尤其是主動降噪,對通風機噪聲治理研究至關重要.

一般軸流通風機降噪通常圍繞著消聲隔聲、葉片等[2-3].對于風機的消聲隔聲,2008年,方建華等[4]提出了較詳細的隔聲罩設計方案;2019年,王振國[5]闡述了風機房的噪聲治理對策;2019年,徐星[6]提出了抗性消聲器的改進方案,并有良好的降噪效果;2020年,C Felix等[7]研究微孔板式消聲器的聲學特性,在消聲器保持相同的效率和壓力時,可以有效規避高頻噪聲的產生.

關于葉片鋸齒的研究,2010年,梁桂強[8]得出葉片鋸齒各參數對噪聲的影響規律;2017年,為減小尾緣渦脫落對噪聲的影響,唐俊等[9]發現正弦鋸齒尾緣在提升中小流量風機效率的同時,還對低頻噪聲有所改善;2020年,王雷等[10]提出了耦合正弦型鋸齒結構的仿鸮翼葉片尾緣,改善風機運轉時的中低頻噪聲; 2020年,葉學民[11]闡述了鋸齒尾緣的流場特性和降噪機理.另一方面,為有效控制氣動噪聲且使風機達到設計全壓,2016年,通過加彎葉型對風機改進,潘虹宇等[12]發現,升力系數提高,且氣動噪聲降低1.4 dB;同年,孫揚智等[13]指出風機側面的氣動噪聲值最小.對于不同進氣條件下的噪聲研究,2016年,Florian[14]通過試驗研究的方法,分析了畸變進氣條件的噪聲特性;2022年,Benedek[15]研究了不同形狀的進氣口對噪聲的影響.

從軸流通風機的頻譜特性上看,能量譜集中在中低頻[16],且具有強穿透力特性,而被動降噪方式也影響著通風機氣動性能.而降噪本質上是解決聲音在空間的傳播衰減問題,基于聲波相消干涉原理的主動降噪為通風機噪聲治理提供新思路[17].然而,主動降噪技術多用于車內、公路隧道、變壓器[18-20],對于通風機降噪的相關研究較少.因此,本文開展軸流式通風機集流區域在自由空間及受限空間的噪聲特性研究,進行主動降噪試驗研究,揭示風機集流區域的噪聲特性并評價降噪潛力.

1 噪聲分布實驗設計

1.1 通風機及噪聲測量儀器

根據GB/T 2888—2008相關規定,搭建通風機試驗平臺,首先,為減少地面反射噪聲對試驗的影響,布設高度為65 cm的通風機支架,懸掛放置礦用YBT-5.5型軸流式通風機,以測定集流區域噪聲,集流區域中心點高度為100 cm.該型通風機的幾何參數:軸向長63 cm,徑向長45 cm;其中,集流區域,內徑40 cm,外徑48 cm.通風機性能參數如表1所示.試驗設備主要包含礦用軸流式通風機、噪聲測量設備,如圖1所示.

表1 軸流通風機性能參數

圖1 試驗設備

噪聲測量設備選用英國科塞樂公司CEL-63X型聲級計,該聲級計包含主機、防風球、傳聲器、放大器、數據線.具體參數如下:測量范圍為20～140 dB(A),且頻率為12.5～20 000 Hz,計權網絡包括A,C,Z,試驗測量選用A計權網絡,滿足試驗現場測量要求.聲級計配套數據處理軟件為Casella Insight,主要功能是計算各等效聲級下的聲壓級.

1.2 試驗方案

為驗證通風機在自由空間及受限空間下噪聲的區別,風機位置布置條件可分為自由空間,對稱式受限空間,靠壁面受限空間,具體開展以下工作:(1)測量風機集流區域不同測點的噪聲強度;(2)測量不同環境下的風機集流區域噪聲強度;(3)進一步對上述內容進行主動降噪試驗.

以研究集流區域為目標,以風機中軸線為中線,環繞著軸流通風集流區域布設測點,在自由空間、對稱式受限空間、近壁面受限空間分別布設5,5,3個測點,此試驗共選取13個測點(如圖2所示),所有測點均位于集流區域正前方1 m處,左右兩側各1 m處,左右兩側斜45°且1 m處.主動降噪的測點與通風機噪聲測點相同.

試驗測量時環境溫度為10 ℃,環境大氣壓為100.9 kPa,噪聲測量A聲級的標準偏差為2 dB(A),采樣時間15 s,為保證實驗數據可信度,對每個測點連續測量5次,取平均值以降低誤差,其中測量的聲壓級誤差在0.01 dB(A)內,試驗場地背景噪聲遠小于通風機噪聲,根據GB/T 2888—2008相關規定,測量結果可不予修正.

圖2 實驗測點

2 自適應主動降噪裝置

2.1 硬件介紹

自適應降噪系統結構圖如圖3所示,通過使用參考麥克風采集原始噪聲,經自適應濾波器計算后,揚聲器發出等幅反相的次級聲源抵消原始噪聲,誤差麥克風用來采集殘余噪聲.

圖3 自適應降噪系統結構

試驗所用軸流式通風機的主動降噪裝置,如圖4所示.主要包括如下,圖4a為核心處理模塊、圖4b為初級聲源采集模塊、圖4c為次級聲源發出模塊.此外,還配套有TI公司的Code Composer Studio 6.1.3,該軟件具有編碼編譯、調試、仿真、實時分析、燒錄等功能.為有效減少來自主動降噪設備體積對通風機氣流和噪聲的影響,采集原始噪聲的麥克風通過長跳線連接初級聲源采集模塊,同時,連接揚聲器與次級聲源發出模塊,最后通過支架將揚聲器固定在測點位置.

2.2 算法介紹

主動降噪裝置中,核心處理模塊搭載LMS算法,即一種基于隨機梯度的算法[21],并在平方誤差信號的瞬時梯度的負方向上,通過對誤差信號均方值,直接估計得到瞬時均方值,采用梯度估計值,來調整濾波系數.LMS算法的迭代公式為

y(n)=WT(n)X(n);

(1)

e(n)=d(n)-y(n);

(2)

W(n+1)=WT(n)+2μe(n)X(n).

(3)

式中:W(n)為自適應濾波器的系數向量；X(n)為輸入信號；e(n)為誤差信號；μ為步長,分別可表示如下式:

W(n)=[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T;

(4)

X(n)=[x(n),x(n-1),…，x(n-L+1)]T.

(5)

式中:L為濾波器階數,步長取值可參考式(6):

(6)

式中:λmax為R的最大特征值,R為輸入信號自相關矩陣.為了方便計算,可通過E[x2(n)]求和替代,此時得到:

(7)

式中:E[x2(n)]為輸入信號x(n)的強度.

3 通風機噪聲分析

3.1 聲壓級分析

依圖2排序采集各測點聲壓級,結合自由空間及受限空間的通風機3種布設位置進行分析,如圖5所示.

在圖5中,橫軸的變化量“測點”,在縱軸上是“聲壓級”,其單位為dB(A),區域①中均為自由空間下的聲壓級,區域②表示對稱受限空間下的聲壓級,區域③表示近壁面受限空間的聲壓級.由圖5可知,通風機噪聲集流區域各位置的噪聲具有的起伏特性呈現出一定的差異.

圖5 實驗測點

對于風機兩側的點,如區域①中測點4和測點5,區域②中測點9和測點10,當風機位置從區域①變化為區域②時,對風機兩側的聲壓級影響不大;但是,對于斜向45°的測點,如區域①中的測點2和測點3,區域②中的測點7和測點8,當風機位置從區域①變化為區域②時,聲壓級大幅提高,且通風機左側的聲壓級低于右側聲壓級.

此外,當通風機位置處于近壁面受限空間,發現區域③的測點較區域①和區域②測點,聲壓級大幅提升,而造成區域③的測點聲壓級顯著增大的原因是,噪聲聲波在遇到近壁面后反射,入射波和反射波相互干涉,混疊的聲波振幅增大,故測量的聲壓級增大.進一步分析可知,3個區域中的測點1,6,11的噪聲均為對應區域的最高聲壓級,說明在3種空間位置中,正對通風機的集流區域的測點聲壓級最大,將測點1,6,11稱為“典型點組”.接下來,為明確風機處于不同空間位置的噪聲能量變化,以高聲壓級“典型點組”為研究對象,進行頻譜分析.

3.2 頻譜分析

首先,明確分析“典型點組”的頻譜特性,結果如圖6所示,橫坐標為頻率,縱坐標為聲壓級.重點研究旋轉噪聲,尤其是基頻前的低頻段的噪聲特征.

圖6 典型點組的頻譜

在圖6a與圖6b中,此時兩基頻分別為494.8 Hz和494.9 Hz,可見此時的風機位置的變化幾乎不改變基頻位置.由圖6c可知,基頻向橫軸的負半軸方向發生遷移,這是由于近壁面的存在,結合集流區域負壓區和間隙區域負壓區,通風機周圍會存在嚴重的回流現象,即通風機從出風口的風流流回集流口,造成風流動能損失[22],該回流現象在頻譜中的表現為基頻位置發生顯著變化,此時變化為445.2 Hz.

當通風機的位置從自由空間變為受限空間時,基頻處的聲壓級減小;在受限空間下,通風機位置由兩側對稱分布變為近壁面時,基頻處的聲壓級有小幅度減小,發生此變化的主要原因是通風機靠近壁面時集流區域的流場形態發生顯著的改變,而通風機的主要噪聲分為旋轉噪聲及渦流噪聲,此時,在風機轉速減小的同時,基頻處的旋轉噪聲在通風機整體噪聲的占比減小.但是,根據實測的測點1,6,11的聲壓級,發現聲壓級逐漸增加.而在100～300 Hz,噪聲聲壓級大幅提升;在200～500 Hz,增加多個噪聲峰值,受限空間對聲場的影響表現在該頻段,這是基頻處聲壓級變低而通風機整體噪聲聲壓級變高的原因.

4 通風機主動降噪實驗

4.1 降噪后的聲壓級變化

按照通風機位置及測點順序進行降噪,并對降噪后的聲壓級進行測量,得到圖7.圖7顯示,在區域①和區域②中,測點5和測點10分別為對應區域的最高聲壓級點,其中,“典型點組”測點1,6,11的聲壓級變化最大,由3個區域均為最高點變化為僅在③區域為最高點.測點1由78.9 dB(A)降低為71.7 dB(A),測點6由79.6 dB(A)降低為73.7 dB(A),測點11由81.8 dB(A)降低為79.0 dB(A),“典型點組”的降噪平均值達5.3 dB(A).

圖7 各測點降噪后聲壓級

由圖7可知,風機噪聲降噪量不同,說明受渦流噪聲影響,各個測點的降噪難度亦不相同,例如,從降噪前測點2的聲壓級小于測點3,變為測點2聲壓級大于測點3.為評價各點的降噪難度,對比各測點的降噪量,繪制表2.

表2 各測點降噪量

對于斜向45°的測點,在對測點進行降噪后,發現測點2的降噪量小于測點3的降噪量,測點7的降噪量小于測點8的降噪量,可見,以通風機中軸線為中線,通風機集流左側區域降噪難度大于右側.對于風機兩側的點,例如測點4和測點5,測點9和測點10,降噪后,發現測點4的降噪量大于測點5的降噪量,測點9的降噪量大于測點10,發現通風機左側的降噪難度小于右側.對于近壁面受限空間的測點,比較降噪量發現,測點13的降噪量為3個測點的最大值.對于“典型點組”的測點的降噪量,測點1>測點6>測點11,可見近壁面使測點11的聲場更復雜,不僅造成測點聲壓級的增大,還提高了該測點的降噪難度.

結合各測點的降噪難度,為保證降噪效果,自由空間、對稱式受限空間的揚聲器布設在集流右側區域以及風機的左側區域;對于近壁面的風機,揚聲器可布設在風機的側面.若僅考慮降噪效果,在3種空間位置下,揚聲器可放置在集流區域正對方向.

4.2 主動降噪后的頻譜變化

對采集的“典型點組”測點進行頻譜分析發現,測點1,6,11基頻處的聲壓級分別降低至75.62,66.02,64.52 dB(A).為了清晰觀察降噪前后差異,對頻譜圖進行簡化處理,得到圖8.

圖8 典型點組降噪前后頻譜

從圖8可知,各頻段范圍內的聲壓級各不相同,0～200 Hz時,聲壓級較小;當超過200 Hz時,聲壓級大幅提升;在中頻段的聲壓級中,基頻處聲壓級均為最高.當對“典型點組”進行降噪后,中低頻段有較好的降噪效果,而部分高頻段出現降噪后的噪聲聲壓級上升的情況,總的來說,“典型點組”的中低頻段的降噪效果好于高頻段,尤其是0～200 Hz,對于自由空間和對稱受限空間的基頻附近范圍聲壓級大幅下降.當風機位置處于近壁面受限空間時,經近壁面作用后的聲場復雜,導致中頻段的降噪效果減弱,故導致測點11的降噪量遠低于測點1和測點6.

5 結論

1)集流區域正對方向,在自由空間下,降噪量可達7.2 dB(A);受限空間下,空間對稱分布時降噪量為5.9 dB(A),近壁面處降噪量為2.8 dB(A).

2)在通風機集流區域,對于斜向45°的測點,左側降噪難度高于右側;對于兩側的測點,左側降噪難度低于右側.為達到較好的降噪效果,揚聲器可布設在集流右側區域以及風機的左側區域.

3)當通風機位置從自由空間變為受限空間時,噪聲能量變化集中在100～500 Hz.