0 引　言

随着风机向大功率、高效率的方向发展，其产生的噪声越来越大，对舱室噪声的影响日益突出，因此越来越受到船舶领域的高度重视。目前世界各国权威组织制定的船舶振动噪声规范值不断降低，为了有效解决船舶舱室的噪声问题，改善船上工作人员的生活与工作环境，有必要对典型船用风机振动噪声源进行测试分析，掌握风机振动噪声源特性，从而针对性地开展振动噪声控制研究，为船舶振动噪声舒适性提供技术支撑。

针对风机振动噪声研究，孔闯等^{[1 − 3]}讨论了不同叶顶间隙和叶顶形状等对轴流风机气动噪声的影响；孙丽慧^[4]研究了变动叶安装角工况下叶片的振动特性和气动噪声特性；熊毅^[5]对风机主要零部件的结构参数进行了改进和优化，分析了叶片数、叶片厚度等结构参数对风机内部流场和气动噪声的影响；崔文豪^[6]以叶片载荷为优化对象，分析了优化前后风机气动噪声的变化。以上仿真研究是从风机本体角度，揭示了风机振动噪声的产生机理，为低噪声风机的设计和控制提供技术支撑。林康等^{[7 − 10]}从改善风机本体的振动噪声角度出发，提出了相应的降噪措施。乐美鑫等^{[11 − 12]}以机舱风机室噪声控制为目标，从降低传递路径角度提出了控制风机振动噪声的具体措施。从工程实际出发，在风机选型确定的情况下，风机振动噪声的表征量如机脚加速度、壳体辐射噪声、进出口噪声可以更为直观地体现风机振动噪声特性，当前的风机仿真方法虽然较为成熟，但仿真和实际仍存在一定的误差，而国内公开发表的船用风机振动噪声实船测试数据较为匮乏。

本文采用实测的方式，对船舶常用的风机开展试验研究，涵盖实船不同风机类型和不同流量范围，详细分析风机机脚加速度、壳体加速度、壳体辐射噪声等振动噪声参数，获得风机振动噪声特性，为船舶振动噪声控制提供更为准确的输入，同时可为后续船舶的风机选型提供参考。

1 风机及其振动噪声源分类 1.1 风机分类

按照气体流动方向，可以将风机分为轴流式、离心式、斜流式和横流式等类型。轴流式风机的气流与轴同向，如电风扇、通风机、空调外机风扇等，具有通风量大、方便灵活、单位能耗低、通风时机易掌握等优点。离心式风机的气流轴向进入风机的叶轮后沿径向流动，具有体积小、压力高、风量小等特点。混流式风机的气体与主轴成某一角度进入旋转叶道，近似沿锥面流动。横流式风机的气体横贯旋转叶道，收到叶片作用升高压力。

实船使用过程中，轴流式和离心式风机居多。通常情况下，船舶机械区舱室风量较大，一般选用轴流风机；而生活区及厨房的风量较小，对噪声要求比较高，一般选用离心风机。

1.2 风机振动噪声源分类

风机的振动表现为叶片振动、机壳振动、电机振动和管道振动^[13]，其中叶片振动主要由叶片表面脉动压力和叶片、轴、轴承的耦合振动引起；机壳振动由边界层脉动压力和轴承力激励引起；电机振动由电磁力、轴承力激励以及转子扭转等引起，管道振动由边界层脉动压力激励和机壳振动传递等引起。

风机运转时主要产生以下几种不同类型的噪声：1）由于风机运转而引起的振动所造成的固体声；2）风机运转时机壳轴承联轴节等发出的机械噪声；3）由于气流通过风机尺寸不一致的进、出口时发生压力变化引起气体脉动而造成的气流噪声。在上述噪声中，气流噪声占主导地位，也是风机噪声控制的重点。

2 风机振动噪声计算

风机的振动多采用仿真计算的方式，鲜有经验公式估算加速度或速度级，故此处只列出风机噪声的估算方法。在已知风机功率、流量、全压或比声功率等基本性能参数时，可采用不同的经验公式计算风机声功率级^[14]。当风机性能和结构参数较全时，可采用以下方式计算风机声功率级和声压级。

1）确定风机比声功率级$ {L}_{W0} $

气动噪声在管路中进行传播时，一方面会受到集气室、直管、圆管等衰减作用；另一方面在管路系统末端风口的终端反射效应以及在测量点处空间效应也会带来噪声衰减。为了得到管路系统中风机产生的噪声级，首先需要了解测试风机的结构数据，常用离心及轴流风机产生的气流噪声数值如表1所示。

2）计算中心频率增量BFI

$ BFI=nr/60 。$

(1)

式中：BFI为叶片频率增量，dB；n为风机叶片数；r为风机转速，r/min。

频率增量确定后，可以通过表2来确定该频率适用于哪个倍频程。然后再从表1中得到相应的BFI的值，再将这个值加到最终的计算结果之中。

3）计算风机效率矫正值EFF

当风机的实际运行效率小于90%时，需要针对每个中心频率对风机的声功率级进行相应的效率矫正。表3为风机效率矫正的数值。

4）计算各频段最终声功率及声压级

由式(3)可得风机各中心频率下的频带声功率级，再根据式(4)计算得到风机的频带声压级，再通过对各频带声压级进行能量求和，获得风机1 m处的总声压级。

$ {{L}_{W}=L}_{W0}+FLW+BFI+EFF，$

(2)

$ {L}_{P}={L}_{W}-10\mathrm{lg}\left(\frac{S}{{S}_{0}}\right)。$

(3)

式中：$ {L}_{P} $为声压级，dB；S为传递面积，m²；$ {S}_{0} $为单位面积，m²。

传递面积看作与测量表面面积相等。以下列规定为准：①求进口或出口的声功率级时的传递面积为$ 4\mathrm{{\text{π}} }{r}^{2} $。双进气风机开口为二处时，每一处为上述面积，风机整体为其2倍；②求机器整体声功率级时其传递面积为$ S=2\mathrm{{\text{π}} }{r}^{2} $。

3 风机振动噪声测试及特性分析 3.1 测试设备及测试方法

结合实际船舶使用需求，选择风量大于20000 m³/h的轴流或离心风机开展振动噪声测试及分析。被试风机的性能参数和测试环境如表4所示。

参考JB_T 8689-2014《通风机振动检测及其限值》、GB T 2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》、GJB 4058-2000《舰船设备噪声、振动测量方法》和GJB 763.4A-2020《舰船噪声限值和测量方法 第4部分：舰船设备振动测量》，采用三向加速度计和传声器分别测量风机的加速度和声压级，试验所用仪器仪表见表5。试验时为了提高测试结果的准确性，对工厂环境下的风机管道设置了消声末端^[15]。

振动测点布置图如图1所示。

振动测试方法：开启风机至额定转速，测试风机机脚、风机筒体、风机顶部和风机基座的垂直、横向和纵向测点振动速度。实船环境下，x为船长方向；y为船宽方向；z为垂直于风机机脚底面方向。工厂环境下，x为风机径向（筒体处加速度的垂向）；y为风机表面的切向方向；z为风机的轴向。

噪声测试方法：开启风机至额定转速，采用传声器测量风机的出气口辐射噪声和壳体辐射噪声。测量通风机出气口辐射噪声时，当叶轮直径小于或等于1 m时，测点位置S是在与出气口轴线45°方向上，与出气口中心的距离为1 m；当叶轮直径大于1 m时，测点位置S是在与出气口轴线45°方向上，与出气口中心的距离等于叶轮直径。测点位置应选在无气流涡区处和电动机噪声影响较小的地方。测量机壳辐射噪声时，测点位置在通风机主轴水平面内、经过叶轮几何中心的直线上，距离壳体1 m处。

在试验中对于风机噪声应根据测点位置C₁、C₂…C_n，由式(5)求出平均噪声级：

$ L_A=10\times\mathrm{log}\left(\sum_{i=1}^n10^{0.1L_i}\right)-10\mathrm{log}\left(n\right)。$

(4)

式中：L_A为平均A声级，dB(A)；L_i为测量值，dB(A)；n为测点数。

3.2 振动测试结果及分析 3.2.1 轴流风机振动分析

因篇幅受限，仅展示LFF型和CZ80型风机各测点3个方向的加速度总值，如表6所示。LFF轴流风机振动加速度1/3倍频程频谱如图2所示。可以发现，轴流风机的机脚和顶部的加速度级基本一致，y和z方向的筒体加速度级比机脚略有降低。弹性安装的风机振动传递到基座的加速度明显降低，各个方向均有隔振效果，总加速度级降低了15 dB，体现了良好的减振性能。刚性安装条件下，风机振动从设备本体的机脚向基座和筒体传递的过程中，振动几乎没有衰减效果，因此在装船时，应采取弹性安装，隔离风机振动向基座的传递。

从图3可知，风机的线谱特性明显，机脚测点位置的Z向为垂向。由于安装螺栓没有全部安装就位，3个机脚的垂向振动都不是线谱的最大值。传递至基座的振动主要是径向和垂向，即便机脚的Y向振动较大，在向基座传播时得到明显衰减，可见垂向振动最容易沿连接螺栓向下传递。CZ-80A型的风机振动低频段在3个方向上均大于CZ-90A，但是2000 Hz以上的高频段S则是CZ-90A的振动较大，同一位置CZ-90A机脚测点的总加速度级为138.02 dB，略大于CZ-80A的 137.26 dB。因此，虽然CZ-90A型风机的流量增大，但是其结构尺寸及质量增大导致其全频段内振动与CZ-80A的振动变化不大。不同风机机脚振动加速度级对比图如图4所示。

3.2.2 离心风机振动分析

VE.0B.3.02、VE.0C.3.04和VS.0C.3.05离心风机的机脚测点的振动测试结果如图5所示，可见VE.0B.3.02型风机的中高频振动级最大，在31.5 Hz和2500 Hz频段出现了明显的振动峰值。VE.0C.3.04型风机各个方向的振级均低于另外两型风机。

各个方向加速度级及总加速度级如表7所示，0C型风机3个方向的振动中垂向振动最大，而0B型风机3个方向的振动中y向振动最大，风量从27000 m³/h增加至36000 m³/h后，振动加速度级增加15.28 dB，继续增加至64000 m³/h，振动加速度级仍然增加13.9 dB，可见流量持续增大，振动不是线性增加的。

3.3 噪声测试结果及分析 3.3.1 轴流风机噪声分析

从图6可知，CZ-80低频段高于CZ-90，高频段二者相反，这与图4的振动特性一致。JCZ型风机的噪声频谱特性与二者不同，在250 Hz主频处声压级有极大值。A-N8L5型轴流风机风量增加时，中高频噪声随之增大，但80 Hz以下低频噪声频谱无明显变化。

将轴流风机振动噪声值列于表8，可以发现，轴流风机的振动噪声总级与风量密切相关，风量增加，风机的振动加速度总级和噪声总级均增大。

3.3.2 离心风机噪声分析

3种离心风机的空气辐射噪声测试结果如图7所示，VS.0C.3.04和VS.0C.3.05的声压级频谱曲线的峰值频率重合，整体趋势基本一致，振动加速度总级随着风量增加而增大，但噪声总级变化较小。

0C两型风机结构形式类似，风量相差不大，因此声压级频谱曲线趋势几乎一致。而0B型风机的内部结构形式不同，该风机的风量最大，振动加速度级明显大于0C两型风机，但声压级反而小于0C两型风机。因此，离心风机的噪声受内部结构的影响较大，0B型风机的内部结构低噪声设计明显优于0C型。

根据式(1)～式(4)计算各型风机的噪声，并与测试数据进行对比，结果列于表8中。可以发现，风机的实测噪声声压级均大于计算值，因此风机噪声的计算公式给出了下限，实际运行过程中，噪声级会高于经验公式给出的估算值。

值得一提的是，风机噪声的估算值受风机种类、叶片数、风机流量和压力等性能参数影响，参数越详细计算值越精确，本文所测试的风机参数信息有限，故估算值存在一定误差，且测试环境对风机噪声的测试结果也存在一定影响，因此表8的数据仅供参考。

4 结　语

1）风机机脚振动基本是垂直方向的振动加速度幅值最大，风机流量增加，导致离心风机的离心力增大，轴流风机的叶轮失衡加剧，因此风机的振动增大；风机振动频谱以一倍及其多倍频为主，振动最大的频率与基频一致，水平、垂直方向振动大于轴向振动，这主要是叶轮不平衡引起的。机脚振动加速度级在120～160 dB，对于舒适性要求较高的舱室，实船安装时可采取弹性安装降低风机机脚振动。

2）不同型号的风机噪声频谱特性略有不同，声压级基本随着风量的增大而增加，但也与风机的结构形式、转速和振动等有关，噪声总级在80～115 dB(A)范围内，噪声水平较高的风机需采用消声器等降噪措施。

3）风机噪声是一个稳态噪声，中高频较为显著，且在较宽频段上都呈现幅值较高的特性。

4）与轴流风机相比，同等流量下，二者低频噪声相差不大，轴流风机高频噪声会呈现衰减趋势，而离心风机在中高频段声压级变化不大，这是因为离心风机的气流方向变化90°，气流运动过程会产生较大的涡流，由此可见紊流噪声对其高频段的影响较轴流风机更大。