在眾多真空獲得設(shè)備產(chǎn)品中,羅茨真空泵以其結(jié)構(gòu)緊湊、抽速大、對(duì)環(huán)境要求不苛刻、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)被廣泛地使用。但是多年來(lái),國(guó)內(nèi)羅茨真空泵的振動(dòng)、噪聲較國(guó)外產(chǎn)品仍有一定的差距。為滿足社會(huì)對(duì)生活和工作環(huán)境日益增高的要求以及增強(qiáng)羅茨真空泵在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)低噪聲羅茨真空泵具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。要降低羅茨真空泵的噪聲,首先要對(duì)各部件所輻射的聲功率進(jìn)行分離排隊(duì),查找主要聲源和其對(duì)總聲能量的貢獻(xiàn);同時(shí),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(duì)象,采用聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行聲源的識(shí)別和定位,為進(jìn)一步對(duì)該產(chǎn)品的噪聲機(jī)理研究和低噪聲設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 測(cè)試原理及系統(tǒng)

1·1 聲強(qiáng)測(cè)量原理

雙傳聲器互譜聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)自80年代問(wèn)世以來(lái),因其可在普通環(huán)境下近場(chǎng)進(jìn)行聲源聲功率測(cè)試和聲源定位,得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。所謂聲強(qiáng),是聲場(chǎng)中任一點(diǎn)處在單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)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(shuō)的聲強(qiáng)是時(shí)均聲強(qiáng),其定義為:

式中p(t)為聲壓;u(t)為聲質(zhì)振動(dòng)點(diǎn)速度,t為時(shí)間。

利用雙傳聲器互譜可得到空間中任一點(diǎn)處的聲強(qiáng)值[1,2]

式中gp1p2(f)為雙傳聲器測(cè)得的聲壓信號(hào)p1(t)和p2(t)的互譜密度函數(shù),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(qiáng)是個(gè)矢量,對(duì)被測(cè)設(shè)備或部件通過(guò)測(cè)量選定假想封閉包絡(luò)面上的聲強(qiáng)可計(jì)算出封閉包絡(luò)面內(nèi)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(luò)面內(nèi)聲源輻射的聲功率;in為封閉包絡(luò)面s上的法向聲強(qiáng)。

實(shí)際測(cè)量時(shí),常采用離散點(diǎn)法[3],即在封閉包絡(luò)面上選取適當(dāng)數(shù)量的測(cè)點(diǎn)測(cè)取法向聲強(qiáng)后計(jì)算聲功率,并可得到聲源輻射功率的各種計(jì)權(quán)窄帶頻譜圖形。由此可見(jiàn),利用聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù),可以測(cè)量機(jī)器整體或部件輻射聲功率的大小,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器各噪聲源的分離和排隊(duì)。

同時(shí),為了尋找設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱部位,可以對(duì)整機(jī)或部件選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)量面,將測(cè)量面劃分成二維網(wǎng)絡(luò),測(cè)量各網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)處的法向聲強(qiáng)值,通過(guò)擬合計(jì)算得到隨表面位置分布的反映聲輻射高低的三維聲強(qiáng)圖形和等聲強(qiáng)線圖形,進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的聲源定位。

測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)由一面對(duì)面的雙傳聲器及前置放大器構(gòu)成的聲強(qiáng)探頭,包括全程控化的電壓放大器、低通濾波器、極化電壓發(fā)生器、a/d轉(zhuǎn)換器的多功能卡與微機(jī)構(gòu)成。二個(gè)相距δr=12 cm的傳聲器分別拾取空間相鄰測(cè)點(diǎn)的聲壓信號(hào)p1和p2,聲壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波后進(jìn)行數(shù)字采集,由聲強(qiáng)分析程序計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)值,然后由聲功率分析程序和空間聲場(chǎng)分析程序計(jì)算被測(cè)包絡(luò)面內(nèi)聲源的聲功率或被測(cè)表面上的三維聲強(qiáng)譜圖和等聲強(qiáng)線圖。

2 好凱德羅茨真空泵的噪聲源排隊(duì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)一梅花形聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子i連接,電機(jī)以懸臂形式外掛在端蓋ⅱ的聯(lián)軸器支架上。一對(duì)支腳固定在泵的殼體上,并通過(guò)支座安裝在機(jī)架上。端蓋、殼體、轉(zhuǎn)子和軸承座全部為鑄鐵件,殼體上方正中為進(jìn)氣口,與被抽系統(tǒng)相連,下方為排氣口,與前級(jí)真空泵相接。羅茨泵工作時(shí),在泵腔內(nèi)的,二個(gè)相互垂直的“8”字形的轉(zhuǎn)子由傳動(dòng)比為1的一對(duì)斜齒輪帶動(dòng)作反向同步高速旋轉(zhuǎn),被抽氣體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的封閉空間內(nèi),再經(jīng)排氣口排出。泵體的外表面由5個(gè)部件組成一上、下表面近似于平面,兩側(cè)為半圓面的全封閉曲面。

羅茨泵的噪聲來(lái)源于電機(jī)噪聲、泵體輻射噪聲、聯(lián)軸器噪聲和支架輻射噪聲。分別對(duì)羅茨泵連同支架、羅茨泵(泵體+電機(jī))、泵體、電機(jī)選取不同的包絡(luò)面進(jìn)行聲強(qiáng)法聲功率測(cè)試。測(cè)量面的選擇、測(cè)點(diǎn)數(shù)目、系統(tǒng)的精度都滿足iso9614-1的要求。測(cè)得的各部件聲功率級(jí)(a計(jì)權(quán))。

雅之雷德機(jī)電科技繪制羅茨真空泵泵體和電機(jī)的a計(jì)權(quán)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(nèi),并有三個(gè)突出的頻率峰值,分別為530,1000和1620 hz;電機(jī)噪聲無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)頻率,各峰幅值較小,但頻率分布范圍較寬。根據(jù)聲功率級(jí)測(cè)量結(jié)果和對(duì)聲功率譜圖的分析,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)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(jī)。

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

(3)好凱德羅茨泵(泵體+電機(jī)+聯(lián)軸器)噪聲的能量主要集中在370~2700 hz之間,噪聲優(yōu)勢(shì)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(gè)優(yōu)勢(shì)頻率主要來(lái)自泵體,它們的噪聲能量占總能量的70%以上。

(4)電機(jī)噪聲是羅茨泵整體降噪不容忽視的因素。當(dāng)電機(jī)使用風(fēng)扇和風(fēng)罩時(shí),羅茨泵聲功率增加約0·7db。它們?cè)?/span>1700 ~2700 hz范圍的貢獻(xiàn)尤為明顯

(5)梅花形結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起周圍空氣擾動(dòng)而誘發(fā)空氣聲,并通過(guò)開(kāi)口處向外輻射,因其輻射,羅茨泵的聲功率級(jí)約增加0·5db。

3 泵體聲源定位

由前面的測(cè)試分析可知,泵體的聲輻射對(duì)羅茨泵總噪聲貢獻(xiàn)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(yōu)勢(shì)頻率,因此這三個(gè)頻率產(chǎn)生輻射的原因和部位是研究的關(guān)鍵問(wèn)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(cè)面6cm處取一長(zhǎng)36cm,高24cm的測(cè)量面,將測(cè)量面劃分成12×8網(wǎng)格,測(cè)取各網(wǎng)格中點(diǎn)的法向聲強(qiáng)值,可計(jì)算出端蓋工側(cè)表面輻射的聲功率譜。同時(shí)通過(guò)插值擬合計(jì)算并繪出該表面聲輻射的三維聲強(qiáng)譜圖。

由此可見(jiàn):①端蓋i側(cè)面zui大聲輻射部位在其中部,并沿著徑向逐漸減弱,其聲強(qiáng)等值線圖近似為以端蓋中點(diǎn)為圓心的同心圓。②端蓋i側(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)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(jī)電科技繪制距泵體柱狀外表面10cm的測(cè)量面(外表面展開(kāi)后得到)的三維聲強(qiáng)譜圖和等聲強(qiáng)線圖。由圖中可見(jiàn):①泵體上、下面的輻射效率遠(yuǎn)大于兩側(cè)的圓弧面,上、下面聲輻射的高低依次為進(jìn)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(wǎng)格上測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)譜知,泵體外側(cè)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(cè)點(diǎn)在1620 hz未見(jiàn)峰值。③在靠近聯(lián)軸器開(kāi)口處測(cè)點(diǎn)的聲強(qiáng)值陡然增大,說(shuō)明聯(lián)軸器開(kāi)口處存在較強(qiáng)的聲輻射。

4 結(jié)論

由以上的實(shí)驗(yàn)可得出如下結(jié)論:

(1)羅茨真空泵的噪聲是由多構(gòu)件振動(dòng)聲輻射共同產(chǎn)生的,各聲源對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)大小依次為支架、泵體、電機(jī)和聯(lián)軸器。

(2)支架因泵體的振動(dòng)傳遞而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)并輻射出很大的噪聲,通過(guò)隔振可有效減小支架的振動(dòng)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(chǎn)生。輻射噪聲的優(yōu)勢(shì)頻率為530,1000及1620hz。其中1620hz處的噪聲由端蓋ⅰ側(cè)表面輻射產(chǎn)生;530和1000 hz處的噪聲主要由泵體上、下表面輻射產(chǎn)生,尤以端蓋ⅰ上、下表面zui為突出。

(4)電機(jī)噪聲相對(duì)泵體而言并無(wú)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(jí)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(jī)降噪效果。