在眾多真空獲得設備產品中,羅茨真空泵以其結構緊湊、抽速大、對環境要求不苛刻、維護費用低等特點被廣泛地使用。但是多年來,國內羅茨真空泵的振動、噪聲較國外產品仍有一定的差距。為滿足社會對生活和工作環境日益增高的要求以及增強羅茨真空泵在國內外市場的競爭能力,設計和生產低噪聲羅茨真空泵具有較大的社會和經濟效益。要降低羅茨真空泵的噪聲,首先要對各部件所輻射的聲功率進行分離排隊,查找主要聲源和其對總聲能量的貢獻;同時,確定主要聲源的聲輻射部位。在本研究工作中,以好凱德羅茨真空泵為研究對象,采用聲強測量技術進行聲源的識別和定位,為進一步對該產品的噪聲機理研究和低噪聲設計提供依據。

1 測試原理及系統

1·1 聲強測量原理

雙傳聲器互譜聲強測量技術自80年代問世以來,因其可在普通環境下近場進行聲源聲功率測試和聲源定位,得到越來越廣泛的應用。所謂聲強,是聲場中任一點處在單位時間內穿過與能流方向垂直的單位面積的聲能,即單位面積的聲功率。通常所說的聲強是時均聲強,其定義為:

式中p(t)為聲壓;u(t)為聲質振動點速度,t為時間。

利用雙傳聲器互譜可得到空間中任一點處的聲強值[1,2]

式中gp1p2(f)為雙傳聲器測得的聲壓信號p1(t)和p2(t)的互譜密度函數,im{gp1p2(f)}表示取其虛部,ρo為空氣密度,f為頻率,δr為雙傳聲器間的距離。

由于聲強是個矢量,對被測設備或部件通過測量選定假想封閉包絡面上的聲強可計算出封閉包絡面內聲源輻射的聲功率,且不受外部聲源的影響。

式中w為封閉包絡面內聲源輻射的聲功率;in為封閉包絡面s上的法向聲強。

實際測量時,常采用離散點法[3],即在封閉包絡面上選取適當數量的測點測取法向聲強后計算聲功率,并可得到聲源輻射功率的各種計權窄帶頻譜圖形。由此可見,利用聲強測量技術,可以測量機器整體或部件輻射聲功率的大小,從而實現機器各噪聲源的分離和排隊。

同時,為了尋找設備結構設計的薄弱部位,可以對整機或部件選取適當的測量面,將測量面劃分成二維網絡,測量各網絡測點處的法向聲強值,通過擬合計算得到隨表面位置分布的反映聲輻射高低的三維聲強圖形和等聲強線圖形,進而進行準確的聲源定位。

測量系統

系統由一面對面的雙傳聲器及前置放大器構成的聲強探頭,包括全程控化的電壓放大器、低通濾波器、極化電壓發生器、a/d轉換器的多功能卡與微機構成。二個相距δr=12 cm的傳聲器分別拾取空間相鄰測點的聲壓信號p1和p2,聲壓信號經放大、濾波后進行數字采集,由聲強分析程序計算各個測點的聲強值,然后由聲功率分析程序和空間聲場分析程序計算被測包絡面內聲源的聲功率或被測表面上的三維聲強譜圖和等聲強線圖。

2 好凱德羅茨真空泵的噪聲源排隊

驅動電機通過一梅花形聯軸器與轉子i連接,電機以懸臂形式外掛在端蓋ⅱ的聯軸器支架上。一對支腳固定在泵的殼體上,并通過支座安裝在機架上。端蓋、殼體、轉子和軸承座全部為鑄鐵件,殼體上方正中為進氣口,與被抽系統相連,下方為排氣口,與前級真空泵相接。羅茨泵工作時,在泵腔內的,二個相互垂直的“8”字形的轉子由傳動比為1的一對斜齒輪帶動作反向同步高速旋轉,被抽氣體從進氣口吸入到轉子與泵殼之間的封閉空間內,再經排氣口排出。泵體的外表面由5個部件組成一上、下表面近似于平面,兩側為半圓面的全封閉曲面。

羅茨泵的噪聲來源于電機噪聲、泵體輻射噪聲、聯軸器噪聲和支架輻射噪聲。分別對羅茨泵連同支架、羅茨泵(泵體+電機)、泵體、電機選取不同的包絡面進行聲強法聲功率測試。測量面的選擇、測點數目、系統的精度都滿足iso9614-1的要求。測得的各部件聲功率級(a計權)。

雅之雷德機電科技繪制羅茨真空泵泵體和電機的a計權聲功率窄帶頻譜圖形。由圖可知,泵體噪聲主要分布在370~1700 hz頻率范圍內,并有三個突出的頻率峰值,分別為530,1000和1620 hz;電機噪聲無明顯的優勢頻率,各峰幅值較小,但頻率分布范圍較寬。根據聲功率級測量結果和對聲功率譜圖的分析,可得出以下幾點結論。

(1)按各部件輻射噪聲聲功率大小排列依次為:支架、泵體、電機。

(2)在支架和泵體間若未采取任何隔振措施時,支架輻射的聲功率遠大于羅茨泵輻射的聲功率,因此當使用支架支撐羅茨泵時,需要采取隔振措施。

(3)好凱德羅茨泵(泵體+電機+聯軸器)噪聲的能量主要集中在370~2700 hz之間,噪聲優勢頻率為530,1000和1620 hz。其中泵體聲輻射是羅茨泵zui主要的噪聲源,其噪聲頻率主要分布在370~1700hz頻率范圍,羅茨泵的三個優勢頻率主要來自泵體,它們的噪聲能量占總能量的70%以上。

(4)電機噪聲是羅茨泵整體降噪不容忽視的因素。當電機使用風扇和風罩時,羅茨泵聲功率增加約0·7db。它們在1700 ~2700 hz范圍的貢獻尤為明顯

(5)梅花形結構的聯軸器在高速旋轉時引起周圍空氣擾動而誘發空氣聲,并通過開口處向外輻射,因其輻射,羅茨泵的聲功率級約增加0·5db。

3 泵體聲源定位

由前面的測試分析可知,泵體的聲輻射對羅茨泵總噪聲貢獻zui大。泵體的噪聲主要是由泵體封閉外殼的聲輻射所引起,530,1000,和1620 hz是其聲輻射的優勢頻率,因此這三個頻率產生輻射的原因和部位是研究的關鍵問題。

為查清泵體外殼噪聲輻射的分布情況,在距離端蓋i外側面6cm處取一長36cm,高24cm的測量面,將測量面劃分成12×8網格,測取各網格中點的法向聲強值,可計算出端蓋工側表面輻射的聲功率譜。同時通過插值擬合計算并繪出該表面聲輻射的三維聲強譜圖。

由此可見:①端蓋i側面zui大聲輻射部位在其中部,并沿著徑向逐漸減弱,其聲強等值線圖近似為以端蓋中點為圓心的同心圓。②端蓋i側面輻射聲功率為70·3db,輻射噪聲的主要能量集中在1620hz附近,與羅茨泵整體聲功率譜中1620 hz處有很好的對應關系;在530和1000hz處雖也有峰值存在,但較1620hz處的能量要小得多。

雅之雷德機電科技繪制距泵體柱狀外表面10cm的測量面(外表面展開后得到)的三維聲強譜圖和等聲強線圖。由圖中可見:①泵體上、下面的輻射效率遠大于兩側的圓弧面,上、下面聲輻射的高低依次為進氣口法蘭表面,端蓋ⅰ和端蓋ⅱ上、下面,軸承座ⅰ及軸承座ⅱ上、下表面。②由網格上測點的聲強譜知,泵體外側表面聲輻射的主要頻

率成分是530和1000hz;除在端蓋ⅰ附近外,其它測點在1620 hz未見峰值。③在靠近聯軸器開口處測點的聲強值陡然增大,說明聯軸器開口處存在較強的聲輻射。

4 結論

由以上的實驗可得出如下結論:

(1)羅茨真空泵的噪聲是由多構件振動聲輻射共同產生的,各聲源對總噪聲貢獻大小依次為支架、泵體、電機和聯軸器。

(2)支架因泵體的振動傳遞而產生強烈的振動并輻射出很大的噪聲,通過隔振可有效減小支架的振動聲輻射。

(3)排除支架噪聲輻射后,泵體是zui主要的噪聲源,且其噪聲是由泵體表面聲輻射所產生。輻射噪聲的優勢頻率為530,1000及1620hz。其中1620hz處的噪聲由端蓋ⅰ側表面輻射產生;530和1000 hz處的噪聲主要由泵體上、下表面輻射產生,尤以端蓋ⅰ上、下表面zui為突出。

(4)電機噪聲相對泵體而言并無非常突出的峰值,但在較寬的頻率范圍都有能量分布。其聲功率級僅比泵體小2,是羅茨真空泵整體降噪不容忽視的聲源,zui終將影響到整機降噪效果。