立式斜流泵噪聲試驗(yàn)檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

立式斜流泵的噪聲主要來源于機(jī)械噪聲、流體噪聲和電磁噪聲。其檢測基于聲學(xué)與振動的基本原理。

1. 聲壓級測量原理：聲波引起大氣壓強(qiáng)的起伏量稱為聲壓。聲壓級（SPL）是聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對數(shù)乘以20，單位為分貝（dB）。通過傳聲器將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)分析儀處理得到聲壓級。這是噪聲評價基本參量。

2. 聲功率級測定原理：聲功率級（SWL）是表征泵輻射噪聲總能量的物理量，與測量位置無關(guān)。其測定基于聲壓級測量，通過在被測泵周圍假想的測量表面上布置若干點(diǎn)，測量這些點(diǎn)的聲壓級，再根據(jù)相應(yīng)的測量表面面積計(jì)算得出。常用方法有包絡(luò)法（ISO 3744）和聲強(qiáng)法（ISO 9614）。

3. 頻譜分析原理：泵噪聲由不同頻率成分組成。通過傅里葉變換（FFT）將時域聲壓信號分解為頻域信號，獲得噪聲頻譜。頻譜分析能有效識別特定頻率的噪聲成分，如葉頻（葉片通過頻率）及其諧波、軸承通過頻率、電磁頻率等，為噪聲源識別和機(jī)理分析提供關(guān)鍵依據(jù)。

4. 聲源識別原理：

   • 近場聲壓法：利用傳聲器在泵體表面近場掃描，聲壓級大處通常對應(yīng)主要噪聲源。

   • 聲強(qiáng)法：聲強(qiáng)是矢量，具有方向性。通過測量兩點(diǎn)間的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度，可計(jì)算聲強(qiáng)，用于定位聲源和判斷聲能流向。

   • 表面振動法：泵的振動與輻射噪聲密切相關(guān)。通過加速度計(jì)測量泵體表面振動速度級，結(jié)合聲輻射效率理論，可間接評估結(jié)構(gòu)輻射噪聲的貢獻(xiàn)。

二、檢測項(xiàng)目

立式斜流泵噪聲試驗(yàn)檢測項(xiàng)目可分為聲學(xué)性能檢測和關(guān)聯(lián)診斷檢測兩大類。

1. 聲學(xué)性能檢測：

   • A計(jì)權(quán)聲壓級：模擬人耳對頻率的響應(yīng)，是評價噪聲對人體影響常用的指標(biāo)。

   • 聲功率級：泵噪聲輻射總能量的客觀評價，用于產(chǎn)品標(biāo)定和比對。

   • 倍頻程或1/3倍頻程頻譜分析：寬頻帶分析，用于評估噪聲在不同頻率區(qū)間的分布，與噪聲控制措施（如隔聲、吸聲）設(shè)計(jì)直接相關(guān)。

   • 窄帶頻譜分析：高分辨率頻譜分析，用于精確識別離散頻率噪聲成分，進(jìn)行故障診斷和機(jī)理研究。

   • 聲源定位與貢獻(xiàn)量分析：確定泵總噪聲中，如進(jìn)出口、電機(jī)、軸承座、殼體等各部分的具體貢獻(xiàn)。

2. 關(guān)聯(lián)診斷檢測：

   • 振動速度/加速度級測量：在泵和電機(jī)軸承座等關(guān)鍵位置測量振動，分析其與輻射噪聲的關(guān)聯(lián)性。

   • 壓力脈動測量：在泵進(jìn)出口管路安裝壓力傳感器，測量由葉輪旋轉(zhuǎn)和動靜干涉引起的壓力脈動，這是流體噪聲的主要激勵源。

   • 運(yùn)行工況參數(shù)記錄：同步記錄泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)，確保噪聲數(shù)據(jù)在特定工況下獲得，并分析噪聲特性隨工況的變化規(guī)律。

三、檢測范圍

立式斜流泵廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，其噪聲檢測需滿足不同行業(yè)的特定要求。

1. 水利工程與調(diào)水工程：大型泵站是噪聲治理對象。檢測需關(guān)注大功率（數(shù)兆瓦級）泵在多種運(yùn)行模式下的噪聲，評估對泵站內(nèi)操作人員及周邊環(huán)境的影響。要求聲壓級和聲功率級均達(dá)標(biāo)。

2. 城市給排水與污水處理：泵通常位于居民區(qū)附近或室內(nèi)。檢測需嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注A計(jì)權(quán)聲壓級，并評估隔聲罩、減振基礎(chǔ)的降噪效果。

3. 電力工業(yè)（循環(huán)水系統(tǒng)）：電廠循環(huán)水泵功率大、運(yùn)行時間長。檢測需結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，分析噪聲頻譜中是否包含因汽蝕、葉片損壞或不平衡等故障引起的特征頻率成分。

4. 船舶與海洋工程：船用泵空間受限，背景噪聲復(fù)雜。檢測需在嚴(yán)格的背景噪聲修正下進(jìn)行，并關(guān)注結(jié)構(gòu)噪聲通過船體的傳遞。

5. 工業(yè)冷卻系統(tǒng)：要求泵運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲低。檢測需在額定工況點(diǎn)及常見變工況下進(jìn)行，評估其全工況范圍內(nèi)的噪聲性能。

6. 航空航天試驗(yàn)設(shè)施：用于風(fēng)洞、環(huán)境模擬等特殊場合的泵，其檢測要求極高，需在極低背景噪聲實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，并分析極其微弱的離散噪聲。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要分為基礎(chǔ)測量方法標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 3744《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 反射面上方近似自由場的工程法》：常用的聲功率級測定方法之一，適用于實(shí)驗(yàn)室或滿足聲學(xué)環(huán)境的現(xiàn)場。

   • ISO 9614《聲學(xué) 聲強(qiáng)法測定噪聲源的聲功率級》：適用于現(xiàn)場等非理想聲學(xué)環(huán)境，可進(jìn)行部分包絡(luò)測量和聲源識別。

   • ISO 5198《離心泵、混流泵和軸流泵 水力性能試驗(yàn)規(guī)范》：其中包含噪聲測量的附錄，提供了泵噪聲測試的基本框架。

   • IEC 60034-9《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第9部分：噪聲限值》：對泵的驅(qū)動電機(jī)噪聲提出了限值和測試方法。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB）與機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB）：

   • GB/T 29529《泵的噪聲測量與評價方法》：中國泵噪聲檢測的核心標(biāo)準(zhǔn)，等效采用ISO 3744和ISO 5198等標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了測量環(huán)境、儀器、方法、數(shù)據(jù)處理和評價準(zhǔn)則。

   • GB 3096《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》：規(guī)定了城市各類區(qū)域的環(huán)境噪聲限值，是泵站外環(huán)境噪聲評價的依據(jù)。

   • JB/T 8098《泵的噪聲測量與評價方法》（舊版，已逐步被GB/T 29529取代），但在部分行業(yè)仍有參考價值。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

   • 一致性：中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29529在基本原理和方法上與標(biāo)準(zhǔn)ISO 3744高度一致，保證了檢測結(jié)果的可比性。

   • 側(cè)：標(biāo)準(zhǔn)（如ISO系列）更側(cè)重于通用的、普適性的測量方法。中國標(biāo)準(zhǔn)在采納標(biāo)準(zhǔn)的同時，會結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)情況和環(huán)保要求，給出更具體的應(yīng)用指南和評價指標(biāo)。

   • 限值要求：不同的產(chǎn)品噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)可能存在差異。在出口產(chǎn)品檢測時，需滿足目標(biāo)市場所在或地區(qū)的特定限值標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 準(zhǔn)備工作：

   • 環(huán)境評估：測量前需對測試環(huán)境進(jìn)行背景噪聲和聲場類型（自由場、半自由場、混響場）評估，確保滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（如背景噪聲至少低于被測聲源3 dB，好6 dB以上）。

   • 儀器校準(zhǔn)：使用聲學(xué)校準(zhǔn)器對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

   • 工況穩(wěn)定：確保泵在規(guī)定的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 測點(diǎn)布置：

   • 聲壓法（包絡(luò)法）：以泵為中心，定義一個假想的矩形六面體或圓柱體作為基準(zhǔn)體，在其外擴(kuò)展一定距離構(gòu)成測量表面。在測量表面上按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布置多個傳聲器測點(diǎn)。

   • 聲強(qiáng)法：可貼近泵表面進(jìn)行掃描測量或離散點(diǎn)測量，對測量環(huán)境要求較低。

   • 振動測點(diǎn)：布置在軸承座、電機(jī)殼體等振動傳遞路徑和輻射表面的關(guān)鍵位置。

3. 數(shù)據(jù)采集：

   • 在每個測點(diǎn)同步采集聲壓信號和振動信號（如需要）。

   • 記錄足夠長的時間以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

   • 同步記錄所有運(yùn)行工況參數(shù)。

4. 數(shù)據(jù)處理：

   • 對采集的聲壓信號進(jìn)行A計(jì)權(quán)，計(jì)算各測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級。

   • 根據(jù)所有測點(diǎn)的聲壓級和測量表面積，計(jì)算A計(jì)權(quán)聲功率級。

   • 對信號進(jìn)行頻譜分析，獲得1/1倍頻程、1/3倍頻程或窄帶頻譜。

   • 進(jìn)行背景噪聲修正、環(huán)境反射修正（如適用）。

六、檢測儀器

1. 聲級計(jì)：分為1級和2級精度，1級精度更高，用于精密測量。應(yīng)具備A計(jì)權(quán)、F（快）檔和S（慢）檔響應(yīng)，并能進(jìn)行頻譜分析。

2. 傳聲器：電容式傳聲器因其頻率響應(yīng)平直、動態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好而被廣泛使用。需配備防風(fēng)罩以減少氣流干擾。

3. 聲強(qiáng)探頭：由一對相位匹配的傳聲器按特定結(jié)構(gòu)組成，用于聲強(qiáng)測量和聲源識別。

4. 多通道數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：用于同步采集聲學(xué)、振動和過程參數(shù)，內(nèi)置FFT分析軟件，能實(shí)時顯示頻譜、時域波形，并進(jìn)行高級分析如相干分析、階次跟蹤等。

5. 振動傳感器：壓電式加速度計(jì)，用于測量泵體和電器的振動。

6. 壓力脈動傳感器：高頻響壓力傳感器，用于測量流道內(nèi)的動態(tài)壓力。

7. 校準(zhǔn)器：聲學(xué)校準(zhǔn)器（如94 dB / 114 dB, 1000 Hz）和振動校準(zhǔn)器，用于測量前后對系統(tǒng)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

七、結(jié)果分析

1. 總體評價：將測量得到的A計(jì)權(quán)聲壓級和聲功率級與合同要求、產(chǎn)品樣本承諾值或相關(guān)/行業(yè)噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，判斷是否合格。

2. 頻譜分析：

   • 峰值識別：在窄帶頻譜中識別出明顯的峰值頻率。

   • 頻率匹配：計(jì)算葉頻（f_b = n * Z / 60，其中n為轉(zhuǎn)速 rpm，Z為葉片數(shù)）及其諧波、軸承特征頻率、電機(jī)極通過頻率等，與頻譜峰值進(jìn)行匹配。

   • 源診斷：

     • 若葉頻及其諧波突出，表明流體動力噪聲是主要來源，可能與葉輪設(shè)計(jì)、汽蝕或進(jìn)出口流動條件不良有關(guān)。

     • 若在高頻段（如數(shù)kHz以上）出現(xiàn)寬頻“駝峰”，可能預(yù)示汽蝕的發(fā)生。

     • 若出現(xiàn)軸承特征頻率，表明機(jī)械摩擦或損傷是主要噪聲源。

     • 若出現(xiàn)電機(jī)電磁頻率，則需檢查電機(jī)質(zhì)量。

3. 聲源貢獻(xiàn)分析：通過聲強(qiáng)掃描或近場測量，確定噪聲輻射的主要部位。例如，若電機(jī)部位聲強(qiáng)高，則主要矛盾在電機(jī)；若在泵蝸殼或出口管段，則優(yōu)化水力設(shè)計(jì)或管路支撐。

4. 振動-噪聲關(guān)聯(lián)分析：分析振動頻譜與噪聲頻譜的相干性。若某頻率處振動與噪聲高度相干，表明該處振動是輻射噪聲的主要原因，可通過減振降噪。

5. 工況影響分析：繪制噪聲級（聲壓級或聲功率級）隨流量變化的曲線。通常，泵在佳效率點(diǎn)（BEP）附近運(yùn)行時噪聲低。偏離BEP，特別是在小流量和大流量區(qū)，噪聲會顯著增大，這為優(yōu)化運(yùn)行方式提供了依據(jù)。

通過以上系統(tǒng)性的檢測與深度分析，不僅能對立式斜流泵的噪聲水平做出客觀評價，更能深入揭示其噪聲產(chǎn)生機(jī)理，為產(chǎn)品的低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造工藝改進(jìn)、現(xiàn)場故障診斷與治理提供精確的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)指導(dǎo)。