趙金鵬

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，海軍裝備進(jìn)行了新一輪的升級，對顯控臺等艦船電子裝備的噪聲性能要求越來越高[1-2]。顯控臺是艦船控制系統(tǒng)中重要的硬件平臺設(shè)備，噪聲限值是反映顯控臺工作性能的一項重要指標(biāo)。為滿足國軍標(biāo)對艦船電子設(shè)備噪聲限值的要求，對顯控臺進(jìn)行噪聲源研究和噪聲測試逐漸成為一項重要研究課題[3-5]。

本文從理論分析和試驗研究兩方面對某型顯控臺的整體噪聲水平和主要噪聲源進(jìn)行分析研究，并對顯控臺的降噪治理提出建議。

1 艦船顯控臺噪聲源分析

艦船電子設(shè)備顯控臺的噪聲情況比較復(fù)雜，主要分為3 類：空氣動力噪聲、機(jī)械振動噪聲和電磁噪聲[6]。

空氣動力噪聲是指由流體流動過程中的相互作用或氣體與固體介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生的噪聲，從噪聲產(chǎn)生的機(jī)理看，空氣動力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[7]，顯控臺的主要空氣動力噪聲源是風(fēng)機(jī)。

旋轉(zhuǎn)噪聲是風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時，旋轉(zhuǎn)葉片周期性擾動周圍空氣質(zhì)點，引起空氣動力脈動而產(chǎn)生的噪聲，這種周期性壓力脈動由一個穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量疊加而成。這些脈動分量 f1可用下式表示：

式中：n 為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Z 為風(fēng)機(jī)葉片數(shù)；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

渦流噪聲的形成過程如下：風(fēng)機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)時，周圍空氣在葉片后產(chǎn)生快速渦流，這些渦流由于粘滯力的作用會分裂成一系列小渦流，這些小渦流與渦流的分裂會導(dǎo)致空氣產(chǎn)生擾動，形成壓力波，從而形成渦流噪聲[8]。渦流噪聲是寬頻連續(xù)噪聲，渦流噪聲的頻率 f2可表示為：

式 中： St為斯脫羅哈爾數(shù)，一般St=0.14 ～0.20；v為氣體與物體（葉片與其他障礙物）之間的相對速度；D為物體正表面寬度在垂直與速度平面上的投影；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

機(jī)械振動噪聲是指機(jī)械部件在撞擊、摩擦、交變應(yīng)力的作用下由于振動而產(chǎn)生的噪聲。顯控臺除風(fēng)機(jī)外，其余元器件、結(jié)構(gòu)件都在靜止?fàn)顟B(tài)下工作，產(chǎn)生的機(jī)械振動噪聲并不多[9]。

電磁型噪聲是由電磁場交替變化而引起某些機(jī)械部件或空間容積振動而產(chǎn)生的噪聲，典型的有變壓器和鎮(zhèn)流器發(fā)出的噪聲，與空氣動力性噪聲相比，電磁性噪聲源較小。

某型顯控臺殼體背部裝有2 臺FP-108-1 型交流風(fēng)機(jī)，顯控臺內(nèi)部配置2 個加固機(jī)，每個加固機(jī)配置2 臺4134型直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)配置及主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 某型顯控臺風(fēng)機(jī)配置及主要性能參數(shù)Tab. 1 Configuration of a type of display console fan and main performance parameters

2 理論計算

由噪聲源分析可知，顯控臺的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)，當(dāng)多個噪聲源同時存在時，顯控臺的噪聲總聲壓級可根據(jù)聲壓級疊加公式計算，即

其中， LPT為幾個噪聲源的總聲壓級； LPi為單個噪聲源的聲壓級。

將表1 中顯控臺的風(fēng)機(jī)配置代入公式計算：

由理論計算可知，理想狀態(tài)下顯控臺的噪聲總聲壓級疊加值為51.9 dB（A），噪聲值比較突出，不能滿足艦船設(shè)備噪聲限制的要求。

3 顯控臺噪聲試驗

對顯控臺進(jìn)行噪聲試驗可以對顯控臺的現(xiàn)有噪聲水平進(jìn)行摸底測試，根據(jù)現(xiàn)有噪聲水平可檢測其是否達(dá)到艦船設(shè)備噪聲限制的要求，若不達(dá)標(biāo)，可確定噪聲控制目標(biāo)，并依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平提出合理的降噪措施和建議。

3.1 噪聲試驗方法

顯控臺的噪聲試驗選用某型顯控臺，風(fēng)機(jī)主要布置在顯控臺內(nèi)部和背部。試驗設(shè)備選用B&K 音頻分析儀和標(biāo)準(zhǔn)傳感器4191，試驗設(shè)備均經(jīng)過標(biāo)定并在有效期內(nèi)。試驗環(huán)境為室溫25 ℃，相對濕度69%，大氣壓力101.3 kPa，試驗背景噪聲的聲壓級比被測設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲的聲壓級低10 dB 以上。

由顯控臺的外形尺寸確定試驗設(shè)備屬于小型設(shè)備，噪聲試驗檢測點的位置如圖1 所示。傳聲器放置在距離顯控臺1 m 處的5 個位置，分別檢測各個測量點的聲壓級（A 計權(quán)）。

傳聲器布置完成后，將顯控臺通電（220 V/50 Hz）開機(jī)后滿負(fù)載工作，分別檢測各個測量點的聲壓級，每個測量點的檢測持續(xù)時間為30 s 以上，試驗數(shù)據(jù)采集完成后對其進(jìn)行分析和傅里葉變換得出每個測量點的噪聲頻譜圖和聲壓級，試驗測量分析系統(tǒng)圖如圖2 所示。

3.2 噪聲聲壓級分析

圖2 測量分析系統(tǒng)圖Fig. 2 Measurement analysis system diagram

將音頻分析儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行傅里葉變換，可得某型顯控臺在滿負(fù)載工況下，其前、后、左、右、上共5 個測量點處各頻率段的噪聲聲壓級和頻譜圖，顯控臺噪聲在31.5～8 000 Hz 頻率段范圍內(nèi)的測量結(jié)果如表2 所示。

表2 某型顯控臺噪聲試驗數(shù)據(jù)匯總表Tab. 2 A summary of the noise test data of a type of display console

由表2 可知，顯控臺噪聲分別在中心頻率為125 Hz，250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 的頻段內(nèi)噪聲聲壓級比較突出，由此可判斷顯控臺的噪聲源主要在這4 處頻率段。

3.3 噪聲頻譜分析

當(dāng)設(shè)備有多種噪聲源同時存在時，需要對噪聲進(jìn)行分析和識別，這樣在進(jìn)行降噪設(shè)計時才能夠有針對性，只有對最大的噪聲源進(jìn)行有效控制，才能達(dá)到降噪目的。常用噪聲源識別方法是頻譜分析，將音頻分析儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換即可得顯控臺前部測量點的頻譜圖，如圖3 所示。

圖3 顯控臺前測量點頻譜圖Fig. 3 Display control stage measuring point spectrogram

由噪聲源理論分析計算可得風(fēng)扇的噪聲頻率，本文研究的風(fēng)機(jī)有2 種類型，以4314 型風(fēng)機(jī)為例，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 550 r/min 代入風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲計算公式得該型噪聲頻率為129.2 Hz，對應(yīng)頻譜圖中125 Hz 頻率段，可知129 Hz 為4314 型風(fēng)機(jī)噪聲的基礎(chǔ)頻率，其噪聲峰值為52.7 dB（A），250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 分別為4314 型風(fēng)機(jī)的2 倍頻、3 倍頻和4 倍頻，對應(yīng)峰值為46.5 dB（A），45.5 dB（A）和46.4 dB（A），倍頻之后風(fēng)機(jī)噪聲的峰值有所衰減，但噪聲仍然很明顯。

4 降噪設(shè)計

1）對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或重新選型。風(fēng)機(jī)葉片高速攪動空氣會產(chǎn)生很大的高頻噪聲，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選用葉片不均勻分布的風(fēng)機(jī)，或不同材料的風(fēng)機(jī)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)氣流通道，使其盡量避免拐角、突變截面形成渦流，采用流線型設(shè)計等方法對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化選型，降低風(fēng)機(jī)噪聲。

2）對風(fēng)機(jī)殼體進(jìn)行降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化。風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)壁表面設(shè)計選用新型復(fù)合材料泡沫鋁，泡沫鋁是一種微孔泡沫金屬，比重在0.3～0.2 g/cm3之間，可有效降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的高頻振動、空氣噪聲和阻尼噪聲的擴(kuò)散。

5 結(jié) 語

艦船電子裝備顯控臺的噪聲源比較多且復(fù)雜，通過噪聲源理論分析和試驗研究發(fā)現(xiàn)顯控臺的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)，理論分析與試驗研究結(jié)果一致。在艦船的顯控臺設(shè)計和生產(chǎn)過程當(dāng)中采取風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計、風(fēng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和風(fēng)機(jī)重新選型等綜合降噪措施，可在一定程度上降低艦船顯控臺噪聲。