基于相关分析的开式叶轮气动噪声的试验研究.pdf

2 0 1 3年第 4 l 卷第 1 O期 流体机械 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 201 3 1 O一 0 0 0 1 0 6 基于相关分析的开式叶轮气动噪声的 试验研究 万剑峰 。 杨爱玲 1 ． 上海理工大学 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 ． 河南理工大学 ， 河南焦作 4 5 4 0 0 0 摘要 在半消声室内对不同转速的开式叶轮的噪声进行测量。依据在对称位置的测量的噪声信号具有一定相关性 ， 分别对旋转噪声中的2类噪声 厚度噪声 、 载荷噪声 ， 进行不同测量方位、 转速和频域下的分析。分析结果表明 在开式 叶轮气流的下游测量方位 ， 由于处在湍流声源的近场区域 ， 。 连续等效 A声压级 噪声变小， 而相应的上游位置由于受 湍流噪声的辐射而 J 已 变大； 旋转噪声的 随转速上升而上升 ， 厚度噪声所 占份额随转速变化有下降的趋势， 载荷噪声 所 占份额无明显变化 ； 在频域下也发现在 8 倍叶片通过频率前， 2类噪声都呈急剧下降趋势， 8 倍 叶片通过频率后， 两类 噪声缓慢下降， 并逐渐趋向于 0 。 关键词 开式叶轮； 相关分析； 厚度噪声 ； 载荷噪声 中图分类号 T H 4 3 ； T B 5 3 3 ． 1 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 0 1 Ex p e r i me n t Re s e a r c h o f Ae r o d y n a mi e No i s e of Op e n Ro t o r Ba s e d o n t h e Co r r e l a t i o n An a l y s i s WAN J i a n f e n g ． _ ． YA NG Ai - l i n g 1 ． U n i v e r i s t y o f S H A N G H A I f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 ． H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e w a s me a s u r e me n t o f a e r o d 3 n a mi c n o i s e o f o p e n r o t o r i n s e mi - a n o c h o i c r o o m t h d i f f e r e n t r o t a t e s p e e d s ． a n d r e s p e c t i v e l y a n a l y s i s o f t w o c a t e g o ri e s o f n o i s e s t h i c k n e s s n o i s e ， l o a d n o i s e i n d i ff e r e n t c a s e s of me a s u r e m e n t p o s i t i o n s 、 r o t a t e s pe e d a n d f r e q u e n c y d o ma i n ． No i s e s i g n a l s ， a c q u i r e d b y s o u n d p r e s s u r e s e n s o r s i n s y mme t ri c p o s i t i o n s ， h a v e t h e s o me e x t e n t c o r - r e l a t i o n， S O u s e t h e c o r r e l a t i o n t o an a l y z e n o i s e ． T h e An aly s i s i s a b l e t o i n d i c a t e f o l l o wi n g s t a t e me n t s ． L q o f t h e d o wn s t r e a m a r e a b e c o me s ma l l e r t h a n L q i n s y mme t r i c p o s i t i o n of t h e u p s t r e a m a r e a b e c a u s e o f d i f f e r e n t i n fl u e n c e s b e t w e e n n e a r p o s i t i o n a n d f a r p o s i t i o n c a u s e d b y t u r b u l e n c e n o i s e ． L o f a e r o d y n a mi c n o i s e b e c o me s t r o n g e r wh e n r o t a t e s p e e d ri s i n g， s i mu l t a n e o u s l y t h e p r o p o r - t i o n of t h i c k n e s s n o i s e i n g r o s s n o i s e b e c o me s ma l l e r ， a n d the p r o p o r t i o n o f l o a d n o i s e i n gro s s n o i s e d o n o t a p p e a r t o c h a n g e o b v i o u s l y ． T h e t w o c a t e g o ri e s of n o i s e s d e c l i n e s h a r p l y i n t h e f r o n t o f 8 t i me s B P F b l a d e p a s s i n g f r e q u e n c y r e s p e c t i v e l y ， a n d d e c l i n e s l o wl y b e h i n d 8 t i me s ， t h e n t e n d t o z e r o ． Ke y wo r d so p e n r o t o r ； c o r r e l a t i o n a n aly s i s ； t h i c k n e s s n o i s e ； l o a d n o i s e 1 ． 引言 开式叶轮应用广泛， 如冷却塔内的冷却风扇、 家用的各种类型的风扇、 电脑 C P U的冷却风扇、 各种水平风力机以及飞机和潜艇的螺旋桨。由于 叶轮是旋转机械的一个不可缺的主要组成部件之 一 ，研究开式叶轮噪声有助解决以上设备的气动 噪声和了解旋转机械气动噪声的机理。在结构上 收稿 日期 2 0 1 21 21 8 修稿 日期 2 0 1 30 9 2 9 基 金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 9 7 6 0 7 2 ； 上海市教委重点学科建设项 目 J 5 0 5 0 1 2 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41 ，No． 1 0， 2 01 3 开式叶轮是旋转机械中最简单机构 ， 从 5 0年前就 开始广泛运用在航天领域 ， 到现在噪声也有显著 下降 ， 可是 N A S Ag G l e n n R e s e a r c h C e n t r e声称 ， 开 式叶轮的噪声 问题一直是一个挑战。 对开式叶轮噪声的研究， 在早期主要把开式叶 轮作为简化的物理模型， 建立不同形式的旋转机械 的噪声预测模型。L o w s o n以开式 叶轮为物理模型 建立压气机噪声预测模型_ 】 J ， F u k a n o基于尾迹脱 落模型建立的噪声预测模型等也都是基于开式叶 轮 ， C ． L e e 、 M． K ． C h u n g由卡 门涡街模型建立的 噪声预测模型_ 3 J 。在 2 0世纪 9 O年代以后， 随着个 人计算机的发展和普及 ， 有更多的人使用数值模拟 方法对开式叶轮的气动噪声进行研究。数值模拟 的优点在于能够对细节进行捕捉， 故对叶顶噪声、 前缘噪声 、 尾迹噪声、 离散噪声等精细的研究和分 析 。数值模拟比试验精细， 能很好的观测到试 验结果 ， 但是这些研究普遍存在一个问题 ， 即数值 结果与实际情况会有一定差异。 对于噪声的分离是很 困难 的， 比如在实际测 量中， 由于地面的影响、 电机 的影响 ， 而且不同噪 声之间的相互干扰 ， 使用测量和信号的提 取变得 困难。相关分析是信号分析中一种手段， 与付里 叶变换分析相比， 它的优势在于 ， 对相位精确 的捕 捉 ， 可以确定声源位置、 转动机械的转速和壁面对 噪声的影响 。 本文利用相关法对噪声中的偶极子和单极子 噪声进行分 析。并进一步分析测量方位 、 转速和 频率对两类噪声的影响。为数值分析和实际旋转 机械进行针对性 降噪 ， 提供依据。 2 试验设备系统 2 ． 1 试 验 环境 试验在上海理工大学半 消声室里进行 ， 半消 声室的尺寸 长 3 7 4 0 m m， 宽 3 3 4 0 m m， 高3 1 5 0 m m， 截止频率 8 0 Hz 。 2 ． 2 测 量设 备 采用 N I 公司 美 国国家仪器有限公司 的 4 4 7 2采集卡进行数据采集， 采集精度 2 4位， 最高 采样频率 1 0 2 ． 4 K S ／ s ， 支持 8通道 同时工作 。声 压传感器采用 B S WA公司的 M P A 2 0 1 型号传感 器。采用 B S WA公司的 C A 1 1 4标定声源。电机 额定功率 0 ． 7 5 k W， 额定频率 5 0 H z 。扭矩仪准确 度 0 ． 5 ， 转 速量程 0～1 2 0 0 0 r ／ m i n ； 变频器采 F U J I 公 司型号为 F R N 7 ． 5 F 1 S一4 C， 输 出频率 0 ． 1 1 2 0Hz 。 2 ． 3 试验对象 开式叶轮站架高 l m； 叶轮采用半径4 6 0 ra m双 叶片叶轮， 弦长 6 0 m m的 C a r k Y叶型， 安装角4 ． 5 。 。 试验装置如图 1 所示， 测点布置如图2所示。 电 图 1 开式叶轮布置 27 0 。 o 测点 图2 测点方位布置 3 试验结果与分析 如图 3所示 ， 分 别对 8 2 1 ， 1 2 2 7 ， 1 6 2 6 ， 2 0 2 1 ， 2 4 0 9和 2 7 9 5 r ／ m i n， 变化测点位置 ， 从 0 。 到 3 3 0 。 ， 每隔 3 0 。 ， 进行噪声测量 ， 并求出连续等效 A声压 级 L 。 。 ， 测量结果呈偶极子分布。 为了测量在同一时刻下噪声的相关性， 以确 保 2个传 感器测 量差异小。在 0 。 相位， 转速 1 8 0 0 r ／ m i n 下 ， 同一时刻和位置下进行测量。根 据图4 示出的2 个传感器测量结果来看， 它们之 间差异很小。从图 5可以看出在 3 0 。 和 1 5 0 。 随转 速上升 ， 旋转噪声的 L 。 也上升 。 2 0 1 3年第 4 1卷第 1 0期 流体机械 3 1 0 0 7 0 ∞ 7 O 1 0 O 3 ，． 、 神 邑0 -3 3 一 时 邑0 - 3 1 8 O 。 一 一 8 21 r ／ mi ni 一 20 21 r ／ rai n 一 。 一 1 22 7 r ／ mi n 一日一 24 0 9 r ／ mi n 一口 一 1 6 2 6 r ／ mi n一 一27 95 r ／ mi n 图 3 L e q 指N,N 0． 0 a O． 25 f s 传感器 1 O． 0 O． 25 O．5 f s b 传感器 2 图4 2个传感器时域信号对比 图5 3 0 。 和 1 5 0 。 时计权声压级 4 噪声 中的相关分析 通过计算两叶轮对称轴的传感器时域信号的 延时相关系数， 可以得到单极子和偶极子出现的 位置和强弱， 单极子向两对称位置发送的波相位 相同⋯ ， 故可以用最大正相关系数表示； 由偶 极子声压幅射公式 鸺 ] p 一 一 c 。 s ‘ 一 r ’ 1 得出偶极子向两侧发送的波在对称位置相位 相反， 故可用最大负相关系数表示。传感器采集 的噪声信号是 同时包括单极子信 号和偶极子信 号， 如 图6所示 。 邕 1 ． O 皂 一 0 ． 5 一 2． O a 6 0 。 时域 30 31 ． 5 0 3 031 ． 7 5 3 03 2 ． O0 f s b 1 2 0 。 时域 图 6 6 0 。 和 1 2 0 。 时域对 比 在图 6中， P 、 P 分别是在 1 2 0 。 和6 0 。 的位置 时测得的时域信号， 从 P 和 P 的信号来看， 既存 在反相位也存在 同相位信号 ， 同时反相位要强于 同相位信号。作延迟相关分析 ， 两个信 号之 间的 相关 函数为 ∑P 1 t P z t 丁 C o n z - ～ 2 { 至[ P tn ] 至[ P 2 t ] 如图 7所示 点 1纵坐标代表偶极 子在声源 中所占成分， 绝对值越大， 所占成分就越高。点 2 代表单极子在声源中所占成分， 绝对值越大， 所占 成分就越高， 显然， 点 1 的绝对值大于点 2的绝对 值， 说明偶极子 占主要成分。这和图6所观测的 结果一致。 4 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No． 1 0， 2 01 3 0 ． 4 一 O． 6 0． 0 o． 6 T s 图 7 6 O 。 和 1 2 0 。 相关 4 ． 1 不 同转 速 下相 关分析 如图 8所示 ， 虽然数据存在剧烈的变化 ， 但是 和偶极子相关系数要远高于其它 2个测量方位。 说明在 0 。 到 3 0 。 下存在很大成分的四极子噪声或 者其它不相关 因素。 为了进一步分析， 0 。 到3 0 。 下2种相关系数偏 低的原因 ， 分别对 0 。 和 1 8 0 。 、 3 0 。 和 1 5 0 。 以及 6 O 。 和 1 2 0 。 下 1 8 0 0 r ／ m i n的信号做快速付里叶变换， 分析在低频和高频下的声压对 比图 ， 结果如图 1 0 ～ l 3所示 。 O． 0 6 邑0 ． 0 3 0． 56 1 罢 o ． 2 8 0． O0 5 00 1 750 30 00 转 速 r ／ m i n 图8 不同方位下单极子相关系数 如图9所示 ， 偶极子噪声所 占成分变化 随机 ， 并未发现有明显下 降的趋势。故随转速上升 ， 单 极子成分存在下降趋势， 而偶极子成分无明显变 化趋势。 辍 蹙 0． 7 0 0． 0O 转速 r ， m i n 图 9 不同方位下偶极子相关系数 4 ． 2不同测量方位下相关分析 对 比图 8和图 9， 可见在 6 0 。 方位下 ， 单极子 0 ． O6 邑0 ． 0 3 O ． O0 0 5 0 0 ， Hz b 1 8 0 。 图 l O O 。 和 1 8 0 。 下 1 8 0 0 r ／ rai n时低频区域对 比 a 0 。 b 1 8 0 。 图 l 1 0 。 和 1 8 0 。 下 1 8 0 0 r ／ ra i n 时高频区域对比 从图 l 0可见， 上下部分不 同之处主要集 中在 两倍叶片通过频率以下 ， 结合流动 ， 可知 1 8 0 。 测量 方位处是叶轮气流的下游， 流体中包含大量较大尺 度的涡团， 涡产生的噪声为四极子噪声 ， 在近场 四 极子噪声频率很低但声压很大， 而远场四极子噪声 频率变化为高频且连续频率； 从图 1 1 可见， 0 。 要比 1 8 0 。 下的声压要高 ， 这是 由于 0 。 处受到四极子声源 o 芑 o。 如 、J a ， 2 0 1 3年第 4 1 卷第 l 0期 流体机械 5 的辐射 在 1 8 0 。 中间频率的尖峰为电机噪声 。由 于人耳对高频要比低频噪声敏感 ， 在测量方位 0 。 的 。 比1 8 0 。 方位高， 如图 1 4 所示。 言O． 1 6 0．O8 0 ． OO 一 0． 1 6 0． 08 0． O 0 O 0 图 l 2 6 O 。 和 1 2 0 。 下 1 8 0 0 mi n时低频区域对比 0． 0 06 O． 00 3 0． O 0 O 0． 0 0 6 0． 0 03 0．00 0 46 0 0 50 0 0 54 00 以Hz b 6 0 。 时域 图 1 3 6 0 。 和 1 2 0 。 下 1 8 0 0 m i n时高频区域对比 l O O 量 8 5 7 0 l 0 0 0 2 00 0 3 00 0 转速 r ／ m i n 图 1 4 0 。 和 1 8 0 。 时计权声压级 在测量 方位 3 0 。 和 1 5 0 。 下和测 量方位 0 。 和 1 8 0 。 下的结果相似， 即 3 0 。 下的 L eq 声压级仍高于 1 5 0 。 的情况， 但程度略小。 如图 l 2所示 ， 已经很难观测到四极子在近场 所产生的噪声 ， 但是从图 1 5可以看出 ， 由于 1 2 0 。 方位下 ， 比6 0 。 方位离下游 的四极子噪声更近 ， 故 在高频区域下 ， 1 2 0 。 的声压 比6 0 。 下略高 ， 故 1 2 0 。 下的 L e q 声压级高于 6 0 。 。 图 1 5 6 0 。 和 1 2 0 。 时计权声 压级 4 ． 3 频域下相关分析 以8 倍叶片通过频率 即4倍转速 作为倍 数， 分别在以下频率区间内 [ 0 4 ] ， [ 4 8 ] ， [ 8 1 2 ] ． ． ⋯ [ 4 n一1 一 4 n ] ， 求解单极子相关数和 偶极子相关数。在此处为了表明单极子和偶极子 的大小 ， 而不做归一化处理。不同转 速频域下相 关系数如图 l 6所示。 50 0 0 誉2 5 0 0 0 1 0 0 0 斗 K 5 0 0 罂 0 5 O 2 5 O O 5 O l 0 0 谐 波 a 2 7 0 0 m i n O 5O 1 O O 谐 波 b 1 8 0 0 mi n O 5 0 1 0 O 谐波 c 9 0 0 mi n 图 1 6 不同转速频域下相关系数 ∞ 肚 ㈤ ∞ 5 、 ， b ， 啪 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 1 0 ，2 01 3 如图 1 6所示 ， 在 8倍 叶片通过频前 ， 载荷噪 声、 厚度噪声急剧下降。在 8倍频率后， 载荷噪 声、 厚度噪声开始缓慢趋向0 ， 即旋转噪声主要集 在 08 倍 叶片通过频率区间。 5 结论 1 由于湍流噪声 的特性 ， 在开式 叶轮的下 游近场区 1 5 0 。 和 1 8 0 。 测量方位处 L 。 声压级要 比以叶 片为轴 的对称 位置 的声 压低 ， 中心位 置 1 8 0 。 测量方位处 L 声压级最小。而 由于受到 湍流噪声的辐射， 在 1 2 0 。 测量方位处 。 。 要高于 6 0 。 的 。 。 2 总体噪声 包括厚度噪声、 载荷噪声和宽 频噪声 所 产生 的声压 级 ， 随转 速上 升而 上升。 并且其中厚度噪声所占成分随转速上升略有下降 趋势 ， 而载荷噪声未见 明显趋势。 3 在各频域分布下 ， 厚度噪声和载荷 噪声 主要集中在0 8 倍叶片通过频率区域， 随着频率 急剧下降； 8 倍叶片通过频率区域后， 厚度噪声和 偶极子噪开始缓慢趋向于 0 。 参考文献 [ 1 ] L o w s o n M V ． T h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f c o m p r e s s o r n o i s e 【 J ] ． J o u r n a l o f A c o u s t i c al S o c i e t y o f A me r i c a ， 1 9 7 0 ， 4 7 1 3 7 1 - 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