张 浩，冯 涛，刘碧龙，刘 克

（1.中国科学院 噪声与振动重点实验室（声学研究所），北京 100190；2.北京工商大学 机械工程学院，北京 100048）

泵是水管路系统的主要动力元件，同时也是重要的噪声源。研究水泵流噪声特性对管路系统降噪具有重要意义。水泵流噪声是流体介质与泵机叶轮、蜗壳等结构相互作用产生的，机理比较复杂，实验方法则是研究水泵流噪声特性较为直接和有效的方法。

1995年，Morgenroth[1]建立了离心泵流噪声测试系统，研究了蜗舌形状与水泵流噪声的关系。2000年，Rzentkowski等人[2]给出了离心泵传递矩阵的预测模型。Bardeleben[3]使用双端口模型[4]测量了离心泵的流噪声特性。冯涛等人[5―7]建立了离心泵流噪声测试系统，对离心泵流噪声与其水力学参数的关系进行实验研究，并指出高传递损失情况下双端口模型可以简化为单端口模型。2010年，吴瑞[8,9]对基于声相似律测量旋转机械流噪声的方法进行了改进，并用这种方法测量了轴流风扇和离心泵的流噪声。王秋阳[10]、钟荣等[11,12]分别以泵在不运行状态下的散射矩阵为基础，根据双端口模型，得到了离心泵的声源特性。熊海芳等[13]、蒋爱华等人[14]对国内外离心泵流噪声的产生机理、数值计算和实验研究进行了总结。但是尚未见到有关水泵上下游声压级差与水泵各项参数的变化关系的研究。

本文对TQWH40-100型离心泵的流噪声进行了实验研究。直接测量了五种不同尺寸叶轮的离心泵在不同转速时上下游的流噪声，研究了泵的上下游声压级差与泵转速以及轮舌间隙的关系，并分析了其产生的原因。

1 离心泵流噪声测试系统

图1、图2分别是管路实验系统的原理图和实物图。实验选用上海天泉泵业TQWH 40-100型离心泵。泵流量12.5 m3/h，扬程32 m，额定功率3 kW，转速2 900 r/min，进水口和出水口口径均为0.04 m，闭式叶轮，有5个叶片。额定工况下管道中水的流速为2.76 m/s，远小于水中的声速，因此可以忽略水的流动对流噪声的影响。离心泵的电机由变频器驱动，可以稳定地调节泵的转速。管道系统内径为0.04 m。为了抑制流噪声与管壁振动的耦合作用影响，系统使用厚度为0.02 m的不锈钢管。水罐用以分隔水泵上游和下游的辐射噪声。

图1 管路实验系统原理图Fig.1 Schematic of experiment setup

图2 管路实验系统实物图Fig.2 A photo of experiment setup

图3 是离心泵流噪声测试系统示意图。在离心泵前后各布置两个水听器，1#、2#水听器分别距离离心泵入口1.2 m和0.62 m，3#、4#水听器分别距离离心泵出口0.62 m和2.51 m。水听器型号为中科院声学所研发的CS-3型水听器。水听器信号通过B ＆ K PULSE 3560C采集进入计算机进行分析处理。

2 离心泵流噪声测试结果分析

2.1 额定工况

图4表示离心泵在额定工况运行时，四个水听器测量得到的流噪声自谱。横轴代表频率，纵轴代表流噪声声压级。离心泵流噪声表现为宽带噪声和叶频及其倍频处的离散噪声叠加。如图4中标注所示，频谱的最高点在第一阶叶片通过频率（BPF）处。离散噪声的幅值比宽带噪声高20～40 dB，集中了流噪声的大部分能量。

图3 流噪声测试系统示意图Fig.3 Layout for measurement of pump noise

图4 额定工况下离心泵的流噪声Fig.4 Flow noise of pump running under standard condition

2.2 流噪声与转速、叶轮尺寸的关系

实验采用了原型叶轮和四种不同半径的改型叶轮进行流噪声测试，具体的尺寸在表1中给出。图5是四种改型叶轮的照片。

表1 叶轮的尺寸Tab.1 Dimensions of impellers

图5 改型叶轮Fig.5 Modified Impellers

图6 和图7表示水泵下游3#水听器流噪声总声压级和BPF声压级与离心泵转速的关系。横坐标表示离心泵的转速，纵坐标代表声压级。不同标注的线代表不同叶轮半径的变化情况。图6和图7可以看出，离心泵下游的流噪声BPF声压级和总声压级均随离心泵转速的增加而增加。这是因为水泵流噪声的一个主要来源是叶轮和蜗舌的干涉作用引发的偶极子声源。当叶轮转速增加时，声源强度也随之增加。同样，当叶轮半径增加导致轮舌间隙减小时，声源强度也会随着增加，这一点在图6和图7中也有所反应。图6和图7中原型叶轮在最高转速均有一个下降，这可能是由于测量误差引起的。

图6 离心泵下游3#水听器总声压级Fig.6 Total sound pressure levels of 3#Hydrophone

图7 离心泵下游3#水听器BPF声压级Fig.7 BPF sound pressure levels of 3#Hydrophone

图8 和图9表示水泵上游2#水听器流噪声的总声压级和BPF声压级随离心泵转速的变化。图中只给出了四种改型泵的测量结果。水泵上游的总声压级随泵转速增加而略有增加，并且轮舌间隙的改变对声压级的改变很小。当转速在2 000r/min以下时，水泵上游BPF声压级随转速增加改变不大，高于2 000r/min时，BPF声压级先明显下降，然后逐渐上升。产生这种情况的原因可能是因为在离心泵转速较小的条件下，产生BPF流噪声的偶极子声源可能并不占绝对的主要地位，总声压级还会受到单极子声源和四极子声源的影响；因此，才会导致总声压级随转速稍有增加，而BPF声压级则没有类似明显的规律。

图8 离心泵上游2#水听器总声压级Fig.8 Total sound pressure levels of 2#Hydrophone

图9 离心泵上游2#水听器BPF声压级Fig.9 BPF sound pressure levels of 2#Hydrophone

2.3 水泵上下游流噪声声压级差

从上节可以发现，实验中水泵下游的流噪声声压级要高于上游，下面具体分析水泵两侧的声压级差的变化规律及其产生的原因。

图10表示离心泵两端总声压级之差与离心泵转速的关系。图中显示总声压级差随着离心泵转速的增加而增加，并且叶轮半径越大，总声压级差也就越大。对比图6和图8可以发现，虽然泵的上游和下游的声压级均会随着转速增加而增加，但是下游的增加速度要大于上游。水泵下游的流噪声声压级会随着叶轮半径的增加而增加，而上游的流噪声声压级几乎与叶轮半径没有明显的变化关系。说明离心泵的主要噪声源更靠近泵的出口位置，更易于向下游传播，而由于离心泵壳体和旋转叶轮对声波的阻隔作用，不易于向上游传播，因此才导致离心泵下游声压级要高于上游。

图10 离心泵3#水听器与2#水听器总声压级之差Fig.10 Total sound pressure level differences of 3#Hydrophone and 2#Hydrophone

3.结语

本文在实验室条件下对TQWH40-100型离心泵的流噪声特性进行了实验研究。直接测量了水泵上下游各两点的声压，观察了流噪声声压级与水泵转速以及叶轮尺寸的变化关系，探讨了水泵上下游声压级差产生的原因。

研究结果表明：离心泵流噪声表现为宽带噪声和离散噪声的叠加，在叶片通过频率及其倍数频率处，集中了大部分能量；离心泵的流噪声会随着叶轮转速的增加而增加，随着轮舌间隙的减小而增加。由于离心泵流噪声主要来源于更靠近水泵出口位置的轮舌干涉作用，并且辐射噪声受到壳体和旋转叶轮的阻隔，因此离心泵下游的声压级要高于上游的声压级，两者的声压级差大致随着泵转速的增加而增加，随着轮舌间隙的减小而增加。

[1]Morgenroth.Sound generation by a centrifugal volute pump at blade pass frequency[D].Hamilton,McMaster University,1995.

[2]G. Rzentkowski and S. Zbroja. Experimental characterization of centrifugal pumps as an acoustic source at the blade passing frequency[J].Journal of Fluids and Structures,,2000,14:529-558.

[3]Bardeleben.Acoustic characterization of a centrifugal pump using a two port model[D].Hamilton,McMaster University,2004.

[4]Lavrentjev J,Åbom M,Bodén,H.A measurement method for determining the source data of acoustic two-port sources[J].Journal of Sound and Vibration,1995,183(3):517-531.

[5]冯 涛，刘 克，等.离心泵水动力噪声测试系统的研制[J].流体机械，2005，33(4)：27-30.

[6]王 晶，冯 涛，等.离心泵流动噪声与其水力学参数关系的实验研究[J].流体机械，2007，35(5)：8-11.

[7]杜 鑫，冯 涛，等.高传递损失条件下双端口模型的简化[C].2009全国环境声学学术会议论文集，中国北海，2009年12月，93-97.

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[9]吴 瑞.旋转流体机械流动噪声源特性研究[D].北京，中国科学院声学研究所，2010.

[0]王秋阳.离心式海水泵流噪声仿真与实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

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[2]钟 荣，等.水泵的水动力噪声源特性测试[C].第十三届船舶水下噪声学术讨论会，中国鹰潭，2011年8月，302-307.

[3]熊海芳，等.离心泵内部流动诱导噪声的研究[J].水泵技术，2007，3：7-9.

[4]蒋爱华，等.离心泵噪声研究的综述和展望[J].振动与冲击，2011，30(2)：77-84.