船用離心泵、旋渦泵噪聲檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

泵類設(shè)備的噪聲主要由流體噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲三部分構(gòu)成，其檢測(cè)基于聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)和流體力學(xué)原理。

1. 空氣聲檢測(cè)原理：依據(jù)聲波的波動(dòng)理論，通過(guò)傳聲器在聲場(chǎng)中測(cè)量聲壓信號(hào)。聲壓級(jí)（SPL）是基本測(cè)量參數(shù)。對(duì)于泵的噪聲評(píng)價(jià)，通常測(cè)量A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)以模擬人耳響應(yīng)，或測(cè)量聲功率級(jí)以表征設(shè)備輻射噪聲的總能量。聲功率級(jí)的測(cè)定通常采用聲壓法（如ISO 3744標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工程法），通過(guò)在包圍聲源的測(cè)量表面上布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量聲壓級(jí)并計(jì)算得出，其原理基于聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比關(guān)系。

2. 結(jié)構(gòu)聲檢測(cè)原理：泵的振動(dòng)通過(guò)泵體、基座和管路傳遞，輻射噪聲并可能引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞。振動(dòng)檢測(cè)基于牛頓第二定律，通過(guò)加速度傳感器測(cè)量泵體在關(guān)鍵點(diǎn)（如軸承座、進(jìn)出口法蘭）的振動(dòng)加速度、速度和位移。通過(guò)頻譜分析，可以識(shí)別振動(dòng)主要頻率成分，進(jìn)而追溯至葉輪通過(guò)頻率、軸頻、軸承特征頻率等激勵(lì)源。

3. 流體噪聲檢測(cè)原理：泵內(nèi)流動(dòng)分離、汽蝕、渦旋脫落及壓力脈動(dòng)是流體噪聲的主要成因。壓力脈動(dòng)可通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力傳感器在泵進(jìn)出口管路測(cè)量，其頻譜特性與葉輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉直接相關(guān)。汽蝕噪聲具有寬頻特性，可通過(guò)監(jiān)測(cè)高頻段（通常大于5 kHz）聲壓級(jí)的顯著增高來(lái)判斷汽蝕初生。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

船用泵的噪聲檢測(cè)項(xiàng)目需系統(tǒng)性地覆蓋聲學(xué)與振動(dòng)性能。

1. 空氣聲測(cè)量：

   • 聲壓級(jí)測(cè)量：在泵周?chē)?guī)定位置（如距泵表面1米，距反射面1.5米的包絡(luò)面）測(cè)量A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和倍頻程或1/3倍頻程頻譜。

   • 聲功率級(jí)測(cè)定：通過(guò)聲壓法或聲強(qiáng)法確定泵輻射的空氣聲總功率，是評(píng)價(jià)和比較泵噪聲水平的客觀參量。

2. 振動(dòng)測(cè)量：

   • 機(jī)械振動(dòng)烈度：在泵軸承座或安裝點(diǎn)測(cè)量振動(dòng)速度的有效值（RMS），寬頻帶評(píng)價(jià)整體振動(dòng)水平。這是常規(guī)的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

   • 振動(dòng)頻譜分析：對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT分析，獲取頻率-幅值譜，用于故障診斷和噪聲源識(shí)別。

   • 軸相對(duì)振動(dòng)：對(duì)于滑動(dòng)軸承的大型泵，可能需監(jiān)測(cè)泵軸的徑向跳動(dòng)。

3. 流體動(dòng)力學(xué)測(cè)量：

   • 壓力脈動(dòng)測(cè)量：在泵進(jìn)出口法蘭附近管路安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測(cè)量壓力脈動(dòng)的幅值和主頻，評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)和噪聲的貢獻(xiàn)。

   • 汽蝕噪聲監(jiān)測(cè)：通過(guò)分析高頻段聲學(xué)或振動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)汽蝕（NPSH余量不足）的發(fā)生和發(fā)展。

三、檢測(cè)范圍

船用離心泵和旋渦泵的噪聲檢測(cè)要求覆蓋其廣泛的艦船應(yīng)用場(chǎng)景。

1. 船舶系統(tǒng)：

   • 艙底泵、壓載泵：關(guān)注其運(yùn)行平穩(wěn)性，避免對(duì)船員居住區(qū)造成干擾。

   • 消防泵、總用泵：作為關(guān)鍵應(yīng)急設(shè)備，需確保在惡劣工況下噪聲振動(dòng)不超標(biāo)。

   • 冷卻水泵、循環(huán)泵：長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，對(duì)可靠性和低噪聲有較高要求。

   • 海水淡化給水泵：高壓力工況下需關(guān)注汽蝕和壓力脈動(dòng)。

2. 軍用艦艇：

   • 要求極為嚴(yán)苛，除常規(guī)噪聲指標(biāo)外，更強(qiáng)調(diào)低噪聲、低振動(dòng)的隱身性能。檢測(cè)頻帶更寬，分析更精細(xì)，并需考慮泵作為結(jié)構(gòu)聲源通過(guò)船體向水中的輻射噪聲。

3. 海洋工程平臺(tái)：

   • 如FPSO、鉆井平臺(tái)的泵送設(shè)備，檢測(cè)需符合海上固定平臺(tái)的安全規(guī)范，關(guān)注在易燃易爆環(huán)境下的設(shè)備運(yùn)行安全，振動(dòng)水平是預(yù)測(cè)性維護(hù)的關(guān)鍵指標(biāo)。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船用泵的噪聲振動(dòng)限值、測(cè)量方法有明確規(guī)定。

1. 及國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 3744《聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)和聲能量級(jí) 反射面上方近似自由場(chǎng)的工程法》：空氣噪聲測(cè)量的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

   • ISO 10816-7《機(jī)械振動(dòng) 在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量評(píng)價(jià)機(jī)器振動(dòng) 第7部分：工業(yè)用泵機(jī)組》：規(guī)定了各類泵的振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

   • IEC 60534-8-4《工業(yè)過(guò)程控制閥 第8-4部分：噪聲考慮 液動(dòng)流流經(jīng)控制閥產(chǎn)生的噪聲預(yù)測(cè)》：雖針對(duì)控制閥，但其流體噪聲機(jī)理對(duì)泵有參考價(jià)值。

   • 船級(jí)社規(guī)范：如DNV-GL、ABS、LR等各大船級(jí)社的規(guī)范中，對(duì)船舶設(shè)備的噪聲振動(dòng)有具體限值和要求。

2. 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 29529《泵的噪聲測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》：等效采用ISO 3744等標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)內(nèi)泵噪聲測(cè)量的核心標(biāo)準(zhǔn)。

   • GB/T 29531《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》：等效采用ISO 10816系列，規(guī)定了泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)。

   • CB/T 3483《船用泵振動(dòng)噪聲測(cè)量方法》：船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)船用泵的特殊安裝和使用條件制定了更具體的測(cè)量方法。

   • GB/T 7021《離心泵名詞術(shù)語(yǔ)》：對(duì)汽蝕等概念有明確定義。

對(duì)比分析：標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC）體系更為通用和基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基本與接軌，但船用領(lǐng)域的具體標(biāo)準(zhǔn)（如CB/T）更貼近中國(guó)造船工業(yè)的實(shí)際需求。船級(jí)社規(guī)范則具有強(qiáng)制執(zhí)行力，其限值通?；诖笆孢m性、安全性和隱身性要求，可能?chē)?yán)于通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測(cè)方法

1. 測(cè)點(diǎn)布置：

   • 聲學(xué)測(cè)量：按照選定的標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 3744）布置傳聲器陣列，形成包絡(luò)面。背景噪聲需修正。

   • 振動(dòng)測(cè)量：在泵驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的軸承座三個(gè)正交方向（水平、垂直、軸向）布置加速度傳感器。

2. 工況控制：檢測(cè)必須在泵的額定工況（流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速）或規(guī)定的測(cè)試工況下進(jìn)行，并記錄介質(zhì)、溫度、壓力等參數(shù)。汽蝕噪聲檢測(cè)需通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力來(lái)改變NPSHa。

3. 數(shù)據(jù)采集與分析：

   • 使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集聲學(xué)和振動(dòng)信號(hào)。

   • 對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析（FFT），尋找特征峰值及其對(duì)應(yīng)頻率。

   • 對(duì)瞬態(tài)或非穩(wěn)態(tài)過(guò)程（如啟停、汽蝕發(fā)展），可進(jìn)行階次分析、小波分析等。

4. 聲源識(shí)別技術(shù)：

   • 聲強(qiáng)法：可用于在復(fù)雜聲場(chǎng)中識(shí)別泵本體的主要噪聲輻射部位。

   • 表面振動(dòng)法：測(cè)量泵殼表面的振動(dòng)速度，可估算結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

   • 相干分析：分析振動(dòng)信號(hào)與聲學(xué)信號(hào)之間的相干性，判斷振動(dòng)對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。

六、檢測(cè)儀器

1. 聲級(jí)計(jì)：具備A計(jì)權(quán)、F/S時(shí)間計(jì)權(quán)，并能進(jìn)行1/1或1/3倍頻程頻譜分析。需定期用聲學(xué)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)。

2. 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：高精度、高動(dòng)態(tài)范圍，支持同步采集聲學(xué)和振動(dòng)信號(hào)。

3. 加速度傳感器：ICP型為常用，需考慮其靈敏度、頻率范圍和安裝方式（磁座或膠粘）。

4. 動(dòng)態(tài)壓力傳感器：高頻響，用于測(cè)量壓力脈動(dòng)。

5. 聲強(qiáng)探頭：由一對(duì)相位匹配的傳聲器構(gòu)成，用于聲強(qiáng)測(cè)量和聲源定位。

6. 信號(hào)分析軟件：具備FFT、階次跟蹤、相干分析、聲功率計(jì)算等高級(jí)功能。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)有效性檢查：確保背景噪聲、測(cè)試工況、儀器校準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2. 與標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比：將測(cè)量的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、聲功率級(jí)、振動(dòng)烈度與適用的標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 29529、GB/T 29531、船級(jí)社規(guī)范）中的限值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否合格。

3. 頻譜分析：

   • 若頻譜在葉輪通過(guò)頻率（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻）及其諧波處出現(xiàn)峰值，主要源于葉輪-蝸殼/導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉。

   • 若在軸旋轉(zhuǎn)頻率處出現(xiàn)峰值，可能與轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中有關(guān)。

   • 若出現(xiàn)軸承特征頻率（內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體故障頻率），預(yù)示軸承可能存在缺陷。

   • 寬頻帶噪聲的增強(qiáng)，通常與湍流、汽蝕有關(guān)。汽蝕初生時(shí)，高頻段（>5kHz）聲壓級(jí)會(huì)顯著升高。

4. 綜合診斷：結(jié)合聲學(xué)、振動(dòng)和壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多源信息融合分析，精確識(shí)別主導(dǎo)噪聲源（機(jī)械、流體或電磁），為低噪聲優(yōu)化和故障診斷提供依據(jù)。例如，高振動(dòng)但空氣噪聲正常，表明結(jié)構(gòu)傳遞路徑是主要問(wèn)題；反之，則可能是空氣聲直接輻射為主。