离心风机基础：鼓风机噪声频谱特性解析与声压级预算方法

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、气动噪声、频谱特性、噪声预算、声压级

引言

在工业通风、物料输送、污水处理及空调系统等诸多领域，离心风机作为核心气力输送设备，其性能的优劣直接关系到整个系统的能效与稳定性。在众多性能指标中，噪声（Noise）是一个至关重要却又常被忽视的环节。过高的噪声不仅是环境污染源，影响人员健康和工作舒适度，也可能是风机本身或系统存在设计缺陷、运行故障的征兆。因此，深入理解离心风机，特别是常用于较高压力场合的离心鼓风机的噪声产生机理、频谱特性，并掌握其噪声预算方法，对于风机技术人员进行产品设计选型、故障诊断及系统降噪优化具有极高的实用价值。本文将从离心风机的基础知识出发，重点解析其噪声的频谱特性，并详细介绍一种实用的噪声预算方法。

第一章：离心风机基础知识回顾

要理解噪声，必先理解其本体。离心风机的工作原理基于离心力（Centrifugal Force）和动能转化。

基本结构：主要由进风口（Inlet）、叶轮（Impeller）、蜗壳（Volute/Scroll）、出风口（Outlet）、主轴（Shaft）及驱动装置（电机等）组成。 工作过程：驱动装置带动叶轮旋转，叶轮叶片间的空气在离心力作用下被甩向叶轮外缘，从而获得动能和压力能；随后，这些高速气流进入截面逐渐扩大的蜗壳，流速降低，部分动能进一步转化为静压能（Static Pressure Energy），最后从出风口以较高的静压输出。 核心参数：
风量（Q）：单位时间内风机输送的空气体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。 风压（P）：风机进出口全压（Total Pressure）之差，单位为帕斯卡（Pa）。全压包含静压（Static Pressure）和动压（Dynamic Pressure）。 功率（N）：分为轴功率（输入功率）和有效功率（输出功率），效率（η）为两者之比。 转速（n）：叶轮每分钟的旋转次数，单位为转每分钟（r/min）。

第二章：离心风机噪声的产生机理

风机噪声是空气动力性噪声（Aerodynamic Noise）的典型代表，其产生根源在于气流流动过程中的非均匀性和相互作用。主要可分为以下几类：

旋转噪声（Rotational Noise / Discrete Tone Noise）：
机理：也称为叶片通过频率噪声（Blade Pass Frequency, BPF Noise）。当叶轮旋转时，叶片周期性地扫过静止的蜗壳舌部（Volute Tongue/Cut-off）或导流器，对附近的空气产生周期性冲击和扰动，形成压力脉动，从而辐射噪声。 特性：这是一种离散的低频噪声，具有明显的音调特性，是风机噪声中最主要的成分之一。其基频（Fundamental Frequency）计算公式为：

叶片通过频率（Hz） = （叶轮转速 (r/min) / 60 ） × 叶片数量（Z）
此外，还存在以基频为倍数的谐波（Harmonics）成分。

涡流噪声（Vortex Noise / Broadband Noise）：
机理：也称为湍流噪声（Turbulent Noise）。气流流经叶片表面时，会在边界层（Boundary Layer）中产生涡流；叶片尾缘（Trailing Edge）会脱落涡流（涡街）；气流在蜗壳内或进出口管道中也会产生剧烈的湍流和涡旋。这些涡流的形成和破裂会引发宽频带的压力脉动。 特性：这是一种连续的宽频带噪声，频谱范围很宽，从中低频到高频均有分布，听起来是“呼呼”的吹风声。其声能主要集中在低频和中频段。
结构共振噪声（Structural Resonance Noise）：
机理：上述气动噪声产生的压力脉动会激励风机部件（如叶片、蜗壳、底座等）振动。当激励频率与部件自身的固有频率（Natural Frequency）重合或接近时，便会引发共振（Resonance），导致该部件大幅振动并作为声辐射体向外辐射噪声。 特性：此噪声会放大特定频率下的噪声级，通常在特定转速下突然出现异常轰鸣声，是设备损坏的潜在隐患。

第三章：鼓风机噪声的频谱特性解析

频谱分析是将噪声分解为不同频率成分并观察其声压级分布的过程，是诊断噪声根源的金钥匙。一台典型的多翼离心鼓风机的噪声频谱通常呈现以下特征：

频谱构成：其频谱是由离散的线谱（Line Spectrum） 叠加在连续的宽频带谱（Broadband Spectrum） 上构成的。
线谱：对应旋转噪声，在频谱图上表现为一个个尖锐的“尖峰”。其中最突出的尖峰即为叶片通过频率（BPF） 及其谐波（2BPF, 3BPF...）。例如，一台转速为2900 r/min、拥有12个叶片的风机，其BPF = (2900/60) * 12 = 580 Hz。在580 Hz、1160 Hz、1740 Hz等处会出现明显的峰值。 宽频带谱：对应涡流噪声，在频谱图上表现为一条起伏的“包络线”，覆盖从几十Hz到上万Hz的广阔范围。
影响频谱形态的关键因素：
叶轮类型：
前向叶片（Forward Curved Blades）：常用于多翼风机，转速较低，风压高。其噪声频谱中，涡流噪声往往占主导，宽频特性明显，但BPF峰值也可能很突出。 后向叶片（Backward Curved Blades）：效率高，高效区宽。其旋转噪声相对较小，频谱相对平坦。 径向叶片（Radial Blades）：强度高，耐磨。其噪声声级通常最高，频谱较宽。
转速（n）：噪声声压级与转速的5.5至6次方成正比（详见下一章）。转速提升，所有频率的噪声声压级都会显著增加，同时频谱会向高频移动。BPF频率与转速呈严格的线性正比关系。 风量和风压：在非设计工况点（特别是大流量区）运行，气流分离和涡流加剧，会导致宽频噪声，尤其是中低频噪声显著增加。 蜗壳舌部间隙（Tongue Clearance）：舌部与叶轮之间的间隙是影响旋转噪声的关键。间隙过小，对气流的周期性冲击增强，BPF噪声会异常增大；间隙过大，则效率下降，涡流噪声可能增加。存在一个最佳间隙范围。 管道系统：风机进出口连接的管道、弯头、阀门等会改变气流状态，产生新的噪声并影响风机本身的噪声辐射。管道弯头等也可能因气流的冲击而产生振动噪声。

频谱分析的应用：在现场，通过便携式声学分析仪或麦克风采集噪声信号并进行FFT（快速傅里叶变换）分析，得到频谱图。若发现某个频率存在异常峰值，即可对照BPF计算公式或进行结构模态分析，精准定位问题根源。例如，若580Hz峰值异常高，可重点检查蜗壳舌部间隙；若存在一个与转速无关的固定频率峰值，则很可能是结构共振。

第四章：鼓风机噪声的预算方法

在风机选型或系统设计初期，准确预估风机运行时可能产生的噪声水平至关重要。这里介绍一种基于相似理论和经验公式的声功率级预算方法。

基本概念：声压级（SPL）与声功率级（PWL）
声压级（SPL）：人耳或麦克风实际感受到的声压大小，单位为分贝（dB）。它受测量距离和环境的影响很大。 声功率级（PWL）：表征声源本身在单位时间内辐射的总声能量，是风机固有的声学特性参数，与测量环境无关。是噪声预算的核心。两者可通过以下公式转换（自由场条件下）：

声压级（dB） ≈ 声功率级（dB） - 10 × 以10为底的对数（4 × π × 距离的平方）

声功率级预算经验公式
对于离心风机，其总声功率级（A计权）的经验估算公式为：

声功率级（dB(A)） = 背景常数 + 10 × 以10为底的对数（风量 × 风压的平方） + 修正值

其中：

背景常数：一个与风机类型和效率相关的经验值，通常在100至110 dB(A)之间。对于一般后向离心风机，可取105 dB(A)。 风量（Q）：单位为 m³/s。 风压（P）：单位为 Pa（静压或全压，需注明）。 修正值：需考虑多种因素：
转速修正：公式隐含了转速的影响。若需精确计算，更通用的形式是基于比声功率级（Specific Sound Power Level）。比声功率级（Lws）是指单位风量（1 m³/s）和单位风压（1 Pa）下风机的声功率级，是评价风机声学性能的指标。则：

声功率级（dB(A)） = 比声功率级（dB(A)） + 10 × 以10为底的对数（风量 × 风压的平方）
高效风机的Lws值更低。

工况修正：风机在最高效率点运行时噪声最低。偏离高效点，需增加3-10 dB(A)的修正。 结构修正：如风机进出口有障碍、管道支撑不当等，需适当增加1-3 dB(A)。

示例预算：某系统需选用一台离心风机，要求风量Q=10 m³/s，风压P=1000 Pa。假设选用风机的比声功率级Lws = 20 dB(A)（这是一个较好的水平）。

声功率级PWL = 20 + 10 × lg(10 × 1000²) = 20 + 10 × lg(10^7) = 20 + 10 × 7 = 90 dB(A)
此估算值即为该风机在高效点运行时辐射的总A计权声功率级。

频谱预算（Octave Band Breakdown）
仅有总声功率级还不够，我们需要知道噪声在不同频段的分布以制定降噪措施。通常将总PWL按倍频程（Octave Bands）分解。对于离心风机，其倍频程声功率级可按下表所示比例进行粗略估算（以总PWL为参考）：

注意：此表为一般规律，若风机存在强烈的旋转噪声或共振，其在特定频率的声级会远高于此估算值。

第五章：噪声控制的基本途径

基于以上分析，风机噪声控制需从声源、传播路径和接收点三方面入手。

声源控制（最根本）：
优化气动设计：采用高效后向叶片、优化叶片型线和蜗壳型线、确定合理的蜗壳舌部间隙，从根源上减少涡流和压力脉动。 提高加工与动平衡精度：减少因制造误差和动平衡不良引起的机械振动和气流不均。 选择高效运行点：确保风机在高效区附近运行，避免喘振（Surge）和阻塞（Choke）等不稳定工况。
传播路径控制（最常用）：
消声器（Muffler/Silencer）：在风机进、出口管道上安装消声器，是控制空气动力性噪声最有效的手段。抗性消声器针对低频和BPF噪声，阻性消声器针对中高频宽频噪声，复合式消声器效果最佳。 隔声（Sound Insulation）：制作隔声罩将整个风机机组封闭起来，防止噪声向外辐射。 减振（Vibration Isolation）：在风机底座与基础之间安装减振器（如弹簧减振器、橡胶垫），阻断固体传声路径，防止振动传递到建筑结构。
接收点保护：为操作人员配备耳塞、耳罩等个人防护用品（PPE）。

结语

噪声是评价离心风机综合性能的“试金石”。对风机技术人员而言，掌握其频谱特性如同拥有了一副“听诊器”，能够透过纷繁的声现象洞察内部气动流动的本质与可能存在的缺陷。而科学的噪声预算方法，则是在系统设计阶段规避噪声风险、制定经济有效降噪方案的“路线图”。将理论分析与实践经验相结合，从声源、路径等多维度系统性地解决问题，方能真正实现风机系统的高效、稳定与低噪运行，提升产品竞争力与用户体验。

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