离心风机基础知识与噪声特性解析：测量方法、限值标准与控制策略

作者：王军（139-7298-9387）

本篇关键词：离心风机、空气动力噪声、声压级、声功率级、噪声限值、消声器、振动控制

引言

离心风机作为工业与民用领域不可或缺的流体输送设备，其性能优劣直接关系到系统的能耗、效率及运行稳定性。在诸多性能指标中，噪声水平已成为衡量风机质量、决定其应用范围的关键因素之一。随着环保法规的日益严格和人们对工作生活环境舒适度要求的提高，对风机噪声的控制与治理已成为风机设计、制造、选型及使用环节的核心议题。本文将从离心风机的基础知识入手，系统解析其噪声的产生机理、测量方法、限值标准及控制策略，旨在为风机技术从业者提供一份系统性的参考。

第一章 离心风机基础知识概述

离心风机，又称径流风机，是一种依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。其工作原理基于惯性离心力。

1.1 基本结构和工作原理
离心风机主要由以下几个部件构成：

叶轮（Impeller）：风机的核心部件，由前盘、后盘、叶片以及轮毂组成。叶片按其出口角度可分为前向（前弯）、径向和后向（后弯）三种，其形式对风机的压力、流量、效率和噪声特性有决定性影响。 机壳（Casing）：多为蜗壳形，其作用是收集从叶轮中甩出的气体，并将气体的部分动能转换为静压能，最后引导至出口。 进风口（Inlet）：通常为收敛形，以保证气体能均匀地、阻力最小地流入叶轮。 传动组（Drive Assembly）：包括主轴、轴承箱、轴承、底座以及皮带轮（或联轴器）等，用于传递动力，支撑叶轮旋转。

其工作原理是：电机驱动叶轮旋转，叶轮中的叶片迫使气体随之旋转，气体在离心力的作用下被甩向叶轮边缘，从蜗壳形机壳流出；与此同时，叶轮中心部位形成低压区，外部气体在大气压作用下被不断吸入，从而形成连续的气体输送。

1.2 主要性能参数

风量（Q）：单位时间内风机输送气体的体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。 风压（P）：气体在风机内压力的升高值，分为全压（Pt）、静压（Ps）和动压（Pv）。全压等于静压与动压之和，单位为帕斯卡（Pa）。 功率（N）：包括有效功率（Ne = Pt * Q / 1000， 单位千瓦kW）和轴功率（Nsh），后者指风机主轴从电机获得的功率。 效率（η）：风机的有效功率与轴功率之比，是全压效率（ηt = Ne / Nsh * 100%）和静压效率（ηs = Ps * Q / (1000 * Nsh) * 100%）的统称，是衡量风机经济性的关键指标。 转速（n）：风机叶轮每分钟旋转的圈数，单位为转每分钟（r/min）。

这些参数之间的关系由风机的性能曲线表征，它们是风机选型和噪声评估的基础。

第二章 离心风机噪声的产生机理与特性

风机噪声是空气动力性噪声、机械噪声和电磁噪声的综合体现，其中以空气动力性噪声为主，通常占总声压级的90%以上。

2.1 噪声来源

空气动力性噪声：
涡流噪声（湍流噪声）：气流流经叶片表面时，因粘性作用会在边界层产生涡流；当气流与叶片脱离时，也会产生涡流。这些涡流在叶片尾迹区破裂和演化，从而辐射出非稳定的、宽频带的噪声。它是风机噪声的主要成分。 旋转噪声（离散频率噪声）：由于叶轮与静止部件（如舌部）的相对运动，周期性打击气体质点，引起气体压力脉动而产生。其频率是叶片通过频率（BPF = n * Z / 60， 其中n为转速，Z为叶片数）及其高次谐波，表现为明显的 tonal sound（音调声）。 进排气噪声：进气口和排气口处气流速度高、湍流强度大，直接辐射出的噪声。
机械噪声：主要由轴承磨损、装配误差、转子动平衡不良等原因引起的振动产生。 电磁噪声：由电机内交变磁场引起铁芯和绕组振动而产生，频率通常为电源频率（50Hz或60Hz）的倍数。

2.2 噪声的频率特性
风机噪声的频谱通常由宽频带的涡流噪声和离散的旋转噪声峰值叠加而成。低频噪声（<500Hz）传播距离远，难以隔绝；中高频噪声（500-8000Hz）虽然易被吸收和隔绝，但人耳更为敏感。了解频谱特性对于采取针对性的降噪措施至关重要。

第三章 风机噪声的测量方法与评价指标

准确测量是噪声控制和评价的前提，必须遵循严格的国家或国际标准。

3.1 主要评价指标

声压（p）与声压级（Lp）：声压是声波引起的大气压力起伏值，单位为帕（Pa）。声压级是其与基准声压（p0 = 20μPa）比值的常用对数的20倍，单位为分贝（dB）。公式为：声压级 Lp = 20 * log10（p / p0）。声压级是直接反映人耳听觉感受的物理量。 声功率（W）与声功率级（Lw）：声功率是声源在单位时间内辐射出的总声能量，单位为瓦（W）。声功率级是其与基准声功率（W0 = 1pW）比值的常用对数的10倍，单位为分贝（dB）。公式为：声功率级 Lw = 10 * log10（W / W0）。声功率是风机本身固有的声学特性，与测量环境无关，是评价和比较风机噪声水平的客观指标。 A计权声级：人耳对不同频率声音的灵敏度不同。为了模拟这一特性，在声级计中设置了“A计权网络”，对低频声音进行较大衰减，测得的声级称为A计权声级，记为dB(A)。它被广泛用于噪声限值和评价标准中。

3.2 测量方法概述
测量标准主要有国际标准化组织的ISO系列（如IS 5136, IS5801）和中国的GB/T系列（如GB/T 2888《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》）。测量方法主要分为声压级法和声功率级法。

声压级测量法：
现场测量（工程法）：通常在风机进、出口口45度方向距离1米或管口当量直径1倍处，以及机壳周围距离1米处布置多个测点。测量的是特定点的声压级，结果受环境影响大，主要用于现场噪声评估和故障诊断。 自由场或半自由场测量（标准试验法）：在消声室或半消声室中进行，可精确测量声压级并推算声功率级。
声功率级测量法（更为科学和通用）：
声压法：通过测量包围风机的假想测量表面（如半球面、矩形六面体）上多个点的声压级，来计算出声功率级。根据测试环境的精度要求，分为精密法、工程法和简易法。 声强法：通过测量包围声源的封闭面上的声强矢量（单位面积上通过的声功率）来计算声功率级。此法抗背景噪声干扰能力强，可在现场非消声环境下使用，应用越来越广泛。

测量时需记录风机的工况点（风量、风压、转速）、测点位置、环境背景噪声等信息，并对背景噪声进行修正。

第四章 风机噪声的限值标准解析

噪声限值标准是强制或指导风机设计、生产和选型的法规性文件。

4.1 国际与国内主要标准

国际标准：IS13347系列标准规定了工业风机声功率级的测量方法。IS 14694和IS14695则规定了工业风机振动与噪声的限制要求。 中国国家标准：
GB 19761《通风机能效限定值及能效等级》：虽然核心是能效，但高能效风机通常意味着更优的气动设计，间接关联更低的噪声水平。 GB/T 2888《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》：规定了统一的测量方法，是噪声评价的基础。 JB/T 8690《工业通风机噪声限值》：这是目前国内针对风机噪声最为直接和具体的行业标准。它根据比声功率级（定义见下文）对不同类型的通风机（离心、轴流）规定了A计权声功率级的限值。

4.2 限值标准的核心：比声功率级
风机噪声与其运行工况强相关。为了公平地比较不同系列、不同型号、不同尺寸风机的噪声水平，引入了“比声功率级（LwsA）”的概念。

其定义为：在最佳效率工况点下，单位流量（1 m³/h）和单位全压（1 Pa）所产生的声功率级。
计算公式为：比声功率级 LwsA = LwA - 10 * log10（Q * Pt²） + 19.8
（其中LwA为A计权声功率级，dB(A)；Q为流量，m³/s；Pt为全压，Pa）

JB/T 8690标准的核心就是对比声功率级LwsA进行限值。它将风机按类型和系列划分，例如：

后向离心风机：LwsA ≤ 27 dB(A) 前向多翼离心风机：LwsA ≤ 39 dB(A) 径向离心风机：LwsA ≤ 32 dB(A)

这意味着，一个低噪声设计的后向离心风机，其比声功率级必须控制在27 dB(A)以下。用户在选择风机时，应优先选择比声功率级低的产品。

第五章 风机噪声控制策略

风机噪声控制遵循“源—路径—接收者”的控制原则。

5.1 从声源控制（最根本的方法）

气动设计优化：采用计算流体动力学（CFD）技术，优化叶型、叶片数和叶轮与蜗舌的间隙，减少涡流和流动分离，从而从根源上降低空气动力噪声。后向叶片风机效率高、噪声低，是优选。 结构设计优化：提高转子动平衡精度，选用高精度轴承，保证装配质量，以降低机械噪声。采用加强筋等方式提高机壳刚度，避免共振辐射噪声。 选用低噪声型号：在选型时，在满足性能要求的前提下，优先选择声功率级或比声功率级更低的风机。

5.2 在传播路径上控制（最常用的方法）

消声器（Muffler/Silencer）：在风机进、出口管道上安装消声器，是控制空气动力噪声最有效的手段。抗性消声器针对低频噪声，阻性消声器针对中高频噪声，复合式消声器则可覆盖更宽的频带。 隔声（Enclosure）：为风机加装隔声罩，将噪声隔绝在罩体内。隔声罩需考虑设备的散热通风，通常需设计成带有消声器的隔声通风结构。 隔振（Vibration Isolation）：在风机底座与基础之间安装弹性隔振器（如橡胶隔振垫、弹簧隔振器），防止振动通过基础结构传播而产生固体传声和二次辐射噪声。 吸声处理：在风机房墙壁、顶棚铺设吸声材料或结构，减少室内混响，降低整体噪声水平。

5.3 接收点防护
作为最后一道防线，为操作人员配备耳塞、耳罩等个人防护用品（PPE）。

结论

噪声性能是现代离心风机核心竞争力的重要体现。对风机技术人员而言，深入理解离心风机噪声的产生机理，掌握其科学、标准的测量方法与评价体系，熟知并运用相关的噪声限值标准，是进行风机设计优化、正确选型以及实施有效噪声治理的先决条件。控制风机噪声是一项系统工程，应从声源、传播路径和接收者三个环节综合考虑，其中通过先进的气动与结构设计从源头上降低噪声，是最为经济有效的根本途径。随着仿真技术、新材料和新工艺的不断发展，低噪声、高效率将成为未来离心风机技术发展的永恒主题。

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