1，振動(dòng)噪聲機(jī)理
眾所周知，輕輕敲擊下音叉就能發(fā)聲，雙手一拍也能發(fā)聲，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的物體或者部件偏離原來位置，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致周圍的空氣介質(zhì)產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生噪聲。聲音在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，低至樹葉飄落沙沙時(shí)非常安靜的聲音；高到嫦娥5號(hào)點(diǎn)火升空瞬間發(fā)出讓人難以忍受的轟鳴聲。
空壓機(jī)噪聲一般屬于較吵和很吵的范圍內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間處于很吵的環(huán)境內(nèi)工作，將對(duì)聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的傷害。
一方面，空壓機(jī)轉(zhuǎn)子等運(yùn)動(dòng)部件在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中受力產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)又會(huì)通過軸承和機(jī)殼等結(jié)構(gòu)支撐部件向外傳遞，通過殼體向外輻射噪聲，產(chǎn)生機(jī)械性振動(dòng)噪聲。另一方面空壓機(jī)工作過程中，氣體壓力升高，壓力就偏離了原來的位置，誘發(fā)壓力波動(dòng)（壓差），通過機(jī)殼和管道等部件向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲，產(chǎn)生流致性振動(dòng)噪聲。因此，根據(jù)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，空壓機(jī)可以劃分為機(jī)械性振動(dòng)噪聲和流致性振動(dòng)噪聲，主要來源于轉(zhuǎn)子等運(yùn)動(dòng)部件和氣流脈動(dòng)的誘發(fā)激勵(lì)。
高校科研單位和行業(yè)同仁對(duì)空壓機(jī)振動(dòng)噪聲控制做了很多研究，從轉(zhuǎn)子剛度設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子嚙合狀態(tài)、機(jī)械部件加工精度，運(yùn)動(dòng)部件間的裝配間隙等方面入手，降低機(jī)械振動(dòng)噪聲源；進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析避免共振，采用雙層壁或者加水套或者油套，應(yīng)用減振墊和選用吸聲效果好的吸聲棉等措施進(jìn)一步阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到有效控制，相反流致性振動(dòng)噪聲逐漸暴露出來，成為制約空壓機(jī)振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素。
2，減振降噪技術(shù)

空壓機(jī)減振降噪技術(shù)路線是通過理論計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，持續(xù)迭代，不斷優(yōu)化。首先，基于空壓機(jī)工作過程流場(chǎng)計(jì)算，將流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為聲學(xué)的激勵(lì)，進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)聯(lián)合仿真，分析預(yù)測(cè)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲特性。其次，通過試驗(yàn)研究來驗(yàn)證并完善流場(chǎng)及聲場(chǎng)的數(shù)值模型，分析壓縮機(jī)幾何特性對(duì)流場(chǎng)及聲場(chǎng)的影響，將結(jié)果反饋到壓縮機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)上，如轉(zhuǎn)子/葉輪型線和間隙、吸排氣流道等部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，源頭上抑制流致性振動(dòng)噪聲。針對(duì)已經(jīng)研發(fā)定型的空壓機(jī)產(chǎn)品，開發(fā)氣流脈動(dòng)衰減腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等，路徑上衰減流致性振動(dòng)噪聲。

2.1 噴油螺桿空壓機(jī)
噴油螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲主要來源于陰陽轉(zhuǎn)子嚙合過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，通過齒輪、軸承和殼體向外傳遞振動(dòng)，輻射噪聲。壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，存在內(nèi)壓縮過程，不可避免的產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，通過吸氣孔口和排氣孔口向外輻射。隨著機(jī)械加工裝配精度的提升，機(jī)械性振動(dòng)噪聲得到控制，流致性振動(dòng)噪聲成為制約著壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的主要因素。噴油空壓機(jī)噪聲以低頻為主，主要集中在陰陽轉(zhuǎn)子嚙合頻率的前6倍頻，尤其是前4倍頻更為明顯。
根據(jù)噴油螺桿機(jī)振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，基于聲波干涉技術(shù)，在排氣端面上設(shè)計(jì)一款氣流脈動(dòng)衰減裝置，即利用旁支流道與主流道的流程差，產(chǎn)生兩路幅值相等、相位相反的氣流脈動(dòng)，相互抵消，從排氣源頭上衰減排氣氣流脈動(dòng)，如圖2所示。通過壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試分析，結(jié)合理論研究，設(shè)計(jì)出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案，使200kW機(jī)組法蘭面振動(dòng)下降到10m/s^2以內(nèi)，優(yōu)化了50%，空壓機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)1m距離處噪聲優(yōu)化5.0dBA，降低到80dBA以內(nèi)。
2.2 無油螺桿空壓機(jī)
相對(duì)于噴油壓縮機(jī)，無油壓縮機(jī)采用同步齒輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子間不接觸，避免了轉(zhuǎn)子嚙合過程中機(jī)械振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生，以氣動(dòng)噪聲為主。但無油空壓機(jī)缺少了潤(rùn)滑油對(duì)波長(zhǎng)較短的中高頻聲波的衰減，導(dǎo)致中高頻噪聲突出，噪聲頻帶寬，整機(jī)噪聲偏大，壓縮機(jī)近表噪聲甚至超過120dBA。此外，無油機(jī)排氣壓力相對(duì)較小，需要從型線齒形，排氣流場(chǎng)內(nèi)壓力變化曲線、溫度變形等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整齒頂間隙、嚙合間隙和吸排氣端面間隙，力求受力更小，氣流脈動(dòng)更低，從正向設(shè)計(jì)上抑制噪聲。
因此，根據(jù)無油螺桿空壓機(jī)振動(dòng)噪聲特點(diǎn)，開發(fā)內(nèi)壓縮降噪技術(shù)，在壓縮機(jī)升壓過程中就開始衰減氣流脈動(dòng)，降低氣動(dòng)噪聲，此外在排氣管路上研發(fā)出一種寬頻穿孔消聲器，進(jìn)一步衰減空壓機(jī)排氣噪聲，如圖3所示。通過某款無油壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試分析，結(jié)合理論研究，制定出一套定制化的減振降噪技術(shù)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用減振降噪技術(shù)方案后，某款無油壓縮機(jī)應(yīng)用減振降噪技術(shù)方案后，全轉(zhuǎn)速下噪聲降低11～16dBA，將所有轉(zhuǎn)速下噪聲值在85dBA以下。
2.3 離心空壓機(jī)
離心壓縮機(jī)葉輪與汽缸無接觸，運(yùn)動(dòng)部件少，機(jī)械噪聲低，氣動(dòng)噪聲成為主要噪聲源。離心機(jī)屬于速度式壓縮機(jī)，無內(nèi)壓縮過程，氣流脈動(dòng)小，因此，相對(duì)于螺桿壓縮機(jī)，噪聲值更低。離心機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速高，噪聲頻率高，尖銳刺耳，主要以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻噪聲為主。針對(duì)離心壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲控制，首先要進(jìn)行正向低噪設(shè)計(jì)，除了必要的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的分析，還要建立全流道的CFD的模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，然后把流場(chǎng)的結(jié)果和聲場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)-聲場(chǎng)耦合計(jì)算，預(yù)測(cè)空壓機(jī)的噪聲特性。通過流場(chǎng)和聲場(chǎng)的反復(fù)迭代，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定合適的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和噪聲設(shè)計(jì)。
例如葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，在葉片的壓力面和吸力面，不能有明顯的低速流團(tuán)出現(xiàn)，特別是葉輪吸力面容易出現(xiàn)低速流團(tuán)，這對(duì)離心壓縮機(jī)噪聲有非常大的不利影響，同樣對(duì)性能也有不利影響，如圖4所示。在流道設(shè)計(jì)方面的一個(gè)基本原則就是在整個(gè)全流道內(nèi)既不能誘發(fā)新的脈動(dòng)源，又不能放大氣流脈動(dòng)。通過對(duì)離心壓縮機(jī)CFD仿真計(jì)算的結(jié)果分析，蝸舌附近位置處的壓力脈動(dòng)往往較大，需要關(guān)注與優(yōu)化。
根據(jù)離心空壓機(jī)的噪聲特點(diǎn)，基于流場(chǎng)和聲場(chǎng)分析的結(jié)果，首先優(yōu)化設(shè)計(jì)葉輪與蝸殼間的間隙，尤其是葉輪與蝸舌的間隙，從源頭上抑制氣流脈動(dòng)降低氣動(dòng)噪聲，其次設(shè)計(jì)一款寬頻低阻消聲器，從路徑上進(jìn)一步衰減噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，離心機(jī)在5～9.6萬rpm，降噪10dBA以上。
03結(jié)論與展望
3.1 結(jié)論
空壓機(jī)振動(dòng)噪聲主要來源于機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的機(jī)械性振動(dòng)噪聲和壓縮機(jī)升壓過程中產(chǎn)生氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲；在振動(dòng)噪聲特點(diǎn)上，噴油壓縮機(jī)以低頻為主，傳播距離遠(yuǎn)，降噪難度大，無油壓縮機(jī)以中高頻噪聲凸顯，頻帶寬，噪聲大；離心壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高，以高頻為主。
通過轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)，抑制升壓過程誘發(fā)的流致性振動(dòng)噪聲，是空壓機(jī)減振降噪的有效途徑。研發(fā)氣流脈動(dòng)衰減裝置，設(shè)計(jì)寬頻消聲器等減振降噪技術(shù)方案有助于進(jìn)一步降低空壓機(jī)振動(dòng)噪聲。
3.2 展望
減振降噪是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)環(huán)境友好型的一種手段，相信未來空壓機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中這是會(huì)經(jīng)常遇到的問題和常見被討論的話題，需要引起更多的關(guān)注，尤其是噪聲問題突出的無油螺桿鼓風(fēng)機(jī)。
螺桿鼓風(fēng)機(jī)流量大，氣動(dòng)噪聲高，排氣噪聲甚至超過120dBA，是主要噪聲源。目前常用的阻式消聲器低頻效果差，壓損大，還會(huì)污染潔凈的介質(zhì)；而抗式消聲器管徑大，波長(zhǎng)較短的中高頻聲波直接通過排氣管而達(dá)不到的降噪效果?；诠娘L(fēng)機(jī)低中高頻噪聲均較突出，針對(duì)6000rpm以內(nèi)無油機(jī)研發(fā)一種低阻寬頻的抗式消聲器，綜合降噪效果預(yù)計(jì)達(dá)到30～40dBA。