高层供水管道系统的噪声控制研究

　　1　引言

　　充液管道是液体传输、传动和控制工程不可缺少的系统元件之一,在化工、船舶、石油、电力、城市给排水等领域有着广泛的应用。在管道动态性能方面,最先开展的是管道振动及稳定性的研究[1、2]。然而从另一方面看,充液管道在输送液体完成其基本功能的过程中,不仅会引起振动,也会使管壁传播辐射噪声,而且声波沿管内液体在管道中传播[3]。在城市高层供水管道系统中,泵房一般设置在一楼地下室或一层内,对水泵运行引起的噪声影响在设计时往往未预先加以考虑。解决管道系统的噪声污染问题,一般根据噪声频谱进行声源分析和采取相关治理措施[4~6],本文试图通过对管道系统的动态特性及管道振动和噪声关系的研究,寻找治理管道系统噪声的普遍规律,并且给出了天津某居民小区泵房噪声治理实例。

　　2　管道系统振动分析

　　管道及其支架和与之相连的各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统,在激励力的作用下系统会产生振动。高层供水系统中电机及水泵中旋转零部件的不平衡及管道中的液体压力脉动是两类主要的激振源。压力脉动是由于泵工作时,使管道内的压力在平均值的上下脉动,处于脉动状态的流体遇到弯管头,异径管,控制阀,盲板等管道元件,产生一定的随时间而变化的激振力,在这种激振力作用下引起管道振动[7]。

　　管道系统动态特性分析主要是获得系统的固有频率及模态振形,以利于寻找噪声源,采取合理的噪声控制方法。本文根据实验模态分析理论,采用多点激振单点拾振的方法进行传递函数的测量,其基本原理是将连续系统进行离散化处理,转化成一个多自由度系统,运动方程用矩阵表示为:

　　系统的频率响应函数(动柔度)为:

式中φr———第r阶模态阵型

　　kr———第r阶模态刚度

　　mr———第r阶模态质量

　　cr———第r阶模态阻尼

　　式(2)反映了模态参数与系统的频率响应函数之间的关系,通过测量系统的频率响应函数可以求解模态参数。

　　3　管道系统噪声分析

　　结构振动辐射功率WR与振动速度v的关系可以定义为[8]:

式中ρ0———流体介质密度

　　c———流体中的声速

　　s———结构辐射噪声面积

　　σ———结构辐射效率(辐射比)

　　式(3)为结构振动与介质相互作用向周围空间辐射噪声的一般公式。结构辐射效率σ是反映结构与周围介质相互作用的物理量,它与结构的形状、几何尺寸及边界条件有关。因此通过降低结构的振动或辐射比可以达到控制结构辐射噪声的目的。