工业噪声(inDUSTrial noise)

工矿企业在生产活动中产生的噪声。凡对人心理与生理产生不好影响的声音统称为噪声。工矿企业的生产活动主要包括机械设备运转、工具操作与物料传输等。

工业噪声通常按下述三种方式进行分类。

(1)按工矿企业的行业性质区分为机械制造、冶金、纺织、石油化工、建筑建材、食品加工、造纸、印刷、铁路交通与电子工业噪声。因各行业采用的主要生产工艺与机械设备等不同，产生的噪声污染状况也不同。各行业的车间噪声水平是反映工业噪声状况的一项重要指标，各主要工业车间的噪声级范围见图，其主要噪声源设备和典型车间的噪声级见表。

(2)按工业噪声的幅值以及频率和时间特性区分。在测量期间内，幅值与频谱的变化小到可以忽略不计。实际测量时，声级计指针摆动在3dB以内的噪声称为稳态噪声，反之为非稳态噪声。间断的噪声若持续时间较短(如小于1s)称为脉冲噪声。一系列振幅差不多而间隔时间小于0.2s的脉冲噪声称准稳态脉冲噪声。噪声的峰值频率在1kHz以上的称高频噪声；在350～1kHz的称中频噪声；在350Hz以下的称低频噪声。频谱呈宽频带的称宽频带噪声；反之为窄频带噪声。

(3)振动发声的物件称做声源。通常按照声源是气体、固体或液体，可将噪声分为空气动力性噪声(气流噪声)、机械性噪声(机械噪声)与水动力噪声(水声)。其中水声见于船舶航行与少部分工业管路。为了了解工业噪声的机理和便于研究治理的方法，按照工业噪声源的特点，一般又分为气流噪声、机械噪声、燃烧噪声、管道噪声和电磁噪声等类别。

气流噪声    气流的起伏运动或气动力产生的噪声。噪声级高而影响面广的气流噪声主要有喷气噪声和风扇噪声等。

喷气噪声(喷注噪声)    喷注气流的起伏运动产生的噪声。由空气压缩机、中高压鼓风机、锅炉、内燃机和高炉等高压容器排气产生的噪声都属于喷气噪声。气流由喷口高速喷出，形成喷注，高速气流冲击与剪切周围静止的空气，引起剧烈的气体湍流运动，湍流内各处压力与流速迅速变化，因而辐射出强噪声。喷气噪声属于连续宽频带噪声，高、中、低频成分都有。峰值频率与气流速度、喷口直径等有关，气流速度愈高，喷口直径愈小，峰值频率愈向高频移动。喷气噪声具有明显的指向性，最大噪声分布在喷口轴向30°～45°范围内，在喷注的上游方向最弱。常见的工业气流喷口有排气管口与燃料喷嘴等，形状有收缩喷口与缩扩喷口两种，前者出口处气流速度最大，可以达到临界声速，后者可以达到超声速。由于喷口形状与气流在喷口处流动特性不同，因而喷气噪声的产生机制不同，可以分为亚声速喷气噪声、超声速喷气噪声和喷气啸叫声三种。

(1)亚声速喷气噪声。当喷口内气流的驻点压力(或气室压力)小于临界压力，即(式中p0为环境大气压力；γ为喷注气体的比热比)时，喷口处的气流速度小于临界声速，这种喷注称亚声速喷注，产生的噪声称亚声速喷气噪声，它是湍流噪声。辐射的总声功率与气流速度的八次方成正比：

式中W为总声功率，W；ρ为喷注的密度，kg/m3；v为喷注的速度，m/s；D为喷口直径，m；ρ0为周围大气的密度，kg/m3；C0为周围大气中的声速，m/s；K为常数，等于(0.3～1.8)×10-4。当气流驻压(或气室压力)等于或大于临界压力时，喷口处的气流速度等于临界声速，这种喷注称声速喷注。辐射的噪声声功率与驻压的平方成正比。

中国科学家马大猷等建立了收缩口喷注的喷气噪声声压级公式为：

式中Lp为垂直于喷注轴线方向上距喷口lm处的喷气噪声声压级，dB；R=ps/p0,ps为喷口内驻点压力，Pa；p0为周围大气的压力，Pa；D为喷口直径，mm。该式适用于声速喷注和亚声速喷注的湍流噪声，R-1值在0.01～100之间。

(2)超声速喷气噪声。对于渐缩渐扩形喷管(拉伐尔管)形成的喷注，喷口处流速可以超过声速，称为超声速喷注，产生的噪声称为超声速喷气噪声。在喷注马赫数M1=v/C0小于2时，其声功率仍满足式(1)。随喷注马赫数的增加，辐射的总声功率从与V8成正比转变到与v3成正比。

(3)喷气啸叫声。若超声速喷口处的压力低于或高于周围大气压力，或是收缩喷口发生阻塞时，会产生一种冲击波噪声，称做喷气啸叫声。阻塞是指下述状况：当收缩喷口内气流的驻点压力(或气室压力)与周围大气压力之比等于1.893时，喷注速度达到局部声速，进一步提高气室压力不能使喷注速度继续增加，这种状态称做阻塞。喷气啸叫声的频谱是离散谱，基频是：

喷气啸叫声的声功率比喷气湍流噪声常常可以高出10dB以上，但容易消除，最简单的办法是在喷口上安装几块沿喷口径向的小翼片以破坏冲击波的自激。

通常，主要采用根据下述原理制造的消声器来降低喷气噪声：(1)降低气流速度。如采用增大排气管截面积，使由于流速过大产生的噪声控制在容许限度内；或对高温排放气体进行水冷，使体积收缩，流速减小。(2)小孔消声。(3)多级节流降压。设计适当的通流截面，使高压气体通过串联的多级节流孔板，压力渐降排空。

风扇噪声    由旋转噪声和涡流噪声组成。通风机、鼓风机、带叶轮的空压机和带冷却风扇的电动机等发出的噪声，主要是风扇噪声。

(1)旋转噪声。由风扇旋转的叶片周期性地打击空气质点，引起空气的压力脉动而产生的噪声。旋转噪声具有明显的离散频谱，其频率为：

式中fi为旋转噪声的频率，Hz；i=1，2，3。……，i=1时，fi为基频，i=2，3，4，……时，fi为谐频；n为风扇转速，r/min；z为叶片数。旋转噪声中，基频的噪声强度最高，其余谐波，按谐频由小到大的顺序依次减弱。

(2)涡流噪声。风扇叶片在转动时，给周围气体以力的作用，使气体产生涡流，形成压力脉动，从而辐射涡流噪声。涡流噪声的频率为：

式中Sr为斯脱路哈尔数，在0.14～0.20之间；。vd为气体与物体的相对速度，m/s；D，为物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影，m；i=1，2，3，……为谐波次数。涡流噪声频率取决于叶片和气体的相对速度，从圆心到最大圆周，相对速度连续变化，因此涡流噪声呈明显的宽带连续谱。

风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成，故风扇噪声的频谱往往是一个宽频带的连续谱上叠加几个突出的线谱成分。其声功率级可用下式计算：

式中Lw为声功率级，dB；Q为风机的风量，m3/h；P为风机全压，Pa；Lw0为风机的比声功率级，dB，是风机在单位风量(1m3/min)、单位风全压(9.8Pa)下工作时产生的声功率级。

防治风扇噪声的办法有：(1)研制低噪声风机，如改进风扇的结构参数，采用强度足够的高阻尼材料制作风机。(2)使用风机的单位首选市售的低噪声风机。(3)对超过噪声标准的风机采用消声或消声、隔振、隔声等综合治理方法。

机械噪声    机械设备及其部件在运转和能量传递过程中产生振动而辐射的噪声。如各种机床、粉碎机械、织布机、电锯、内燃机、起重运输机械、电动机等机电设备的部件或结构，在运转过程中，因为受到摩擦力、撞击力、周期性的交变机械应力或电磁性应力的作用，发生振动而辐射出噪声。主要有五种。

(1)回转运动平衡失调，引起机件振动而辐射的噪声。回转运动体是各类机械进行能量传递或作功的主要部件。如电动机、汽轮机的转子是将电能、蒸汽的压力能转换为动能的部件；各种风扇的叶片、搅拌机的螺旋桨，以及切割、钻孔等工具作用于工件的部分是使机械能做功的主要部件。因为回转件动静平衡的失调、接触面的凹凸不平、干涩等因素，运转时发生振动，形成辐射噪声。机械的振动程魔。辐射噪声的强弱与上述因素有关，噪声的频率与回转体的转速有关。而机械在振动状态下运转，会使各部件松动，严重时，若回转体运行的不平衡转动惯量和机械发生共振，会使机械严重损坏。

(2)往复运动惯性力冲击引起振动而辐射的噪声。如刨刀和磨具的切削运动，汽缸活塞、曲柄轴的组合运动等，运动过程不协调便导致冲击和振动，产生噪声。

(3)撞击引起振动而辐射的噪声。常见的有破碎机、球磨机、振捣台、剪板机、打桩机等对物料进行加工，或生产过程中物料的传输、收集时发生的撞击，使机械设备产生剧烈的振动，辐射出强烈的噪声。

(4)接触摩擦引起振动而辐射的噪声。运转的机械设备都有传递动能、变换转速和运动方向或方式的部件，运转时不同部件间发生接触摩擦，引起振动而辐射的噪声。最常见的这种部件有齿轮与轴承等。齿轮的啮合状态、轴承的摩擦种类、表面光洁度及润滑程度等都影响摩擦噪声的大小。例如人字形齿轮的噪声低于正齿轮噪声约10dB，润滑良好的滚珠摩擦噪声也远低于滑动摩擦的噪声。

(5)振动传递引起机架、机罩、机座、基础、管道等振动而辐射的噪声。噪声的强弱与振源本身振动的程度有关。有的振源本身噪声并不大，但若将振动传递给质量轻、辐射面积大或连接松动的部件，则会激发起剧烈的振动，辐射出强烈的噪声，尤其是通过刚性联结的机座、基础，可以将振动的能量传递到远处，使相邻厂房，特别是安装设备机座的楼板下的车间受到强烈的固体声的干扰。

降低机械噪声的主要途径是避免或减少撞击力、摩擦力和周期性作用力。除了从声源上采取措施外，通常采用隔声、吸声、隔振和阻尼等的综合治理办法。

燃烧噪声    燃料(包括固态、液态和气态燃料)在燃烧过程中发出的噪声。燃烧噪声的强度大小和频谱与下列因素有关：(1)燃烧过程中气体流动力与火焰的能量交换状况；(2)燃烧过程中的发声机制；(3)燃料喷嘴，燃烧室的几何形状等。

火焰的发声机制燃烧噪声的机制比较复杂，现在的研究还只限于某些燃料混合气的自由火焰方面。初步研究结果表明，燃烧噪声的总声压级与空气或燃料流的湍流性质有一般依赖关系。若空气和燃料的}昆合很充分，火焰保持稳定层流时，噪声很低；不稳定的湍流焰则会产生强烈的噪声。

频谱特性混合和扩散燃气火焰的噪声频谱是宽带的连续谱，没有明显的离散频率成分。谱峰频率相应的波长大约等于50倍的燃料喷嘴直径。与喷气噪声相比，燃烧噪声的频谱平坦得多。实验结果表明，频谱的形状在近场和远场基本相同，与声源的方向和距离无关。

声场分布火焰边界处总声强最大，即主要声源在火焰的内外锥顶之间(大约离喷口4倍直径处)。在近场燃烧噪声基本没有指向性(距燃料喷嘴30倍半径以内)；距离远得多时，指向性较为明显。

总声压级影响燃烧噪声总声压级的最主要因素为：燃料喷速、燃料喷嘴直径和燃烧速度。实验得出，用丙烯/空气，乙烯/空气，甲烷/空气火焰时，在90。方向与火焰距离为0.95m处，测得的总声压级为：

式中Lp为总声压级，dB；k为实验常数；V为燃料喷速，m/s；V为燃烧速度，m/s；V•U=0.3～2.16m2/s2；d为喷嘴直径，m；d=9.52mm。此外，混合火焰噪声的总声压级还与燃料混合的充分程度有密切关系。当燃烧系统的固有频率与燃烧噪声谱峰的频率接近时，可能会发生共振，使噪声大大增加，甚至会影响燃烧系统的正常运转，应当及时检查并排除。

工业生产中，一个燃烧系统除了产生燃烧噪声外，还会有来自燃烧设备等的噪声。如可燃气及空气供应系统中，风机和阀门的噪声，可燃气与空气从燃烧器喷嘴喷出的喷射噪声，以及燃烧炉或燃烧器所在房间的共鸣声等，这些系统合并称为燃烧系统噪声。可以采用下述方法控制：(1)选择低噪声燃烧器。如多孔喷嘴燃烧器等；(2)选用低噪声风机与阀门；(3)在管路连接处加阻尼层，并使燃烧器远离管路元件(如阀门、弯头、三通等)；(4)降低管道内气流速度，减小气流湍动程度；(5)安装时燃烧炉的相对壁面最好不平行，或做成活动可调节的壁面；(6)恰当选择燃烧器在燃烧炉中的位置，并采用合适的消声、吸声结构等。

管道噪声    在管道内产生或沿管道传播的噪声。管道噪声通常包括：阻挡噪声、格栅噪声、阀门噪声。若通过的为液体时，还可能产生空化噪声与水锤噪声。管道噪声属于涡流噪声。

阻挡噪声    气流在管道中和障碍物(如导流片、支架、梁柱等)相互作用时产生的噪声。当障碍物的尺寸比管道横截面的尺寸小得多，管壁具有声学反射特性时，气流产生的向管外自由空间辐射的宽频带总声功率为：

式中W为总声功率，W；k为比例常数，对于空气，圆形管道约为2.5×10-4；Δp为横过障碍物所产生的总压差，Pa；Dp为管道的特征尺寸，m；圆管为管道内径，非圆管以截面积相同的圆管内径估算。ρ为气体密度，kg/m3，c为气体的声速，m/s。

管道内气流阻挡噪声的频谱呈拱架形曲线，谱峰频率fp为：

式中b为比例常数，压差Δp在4×103Pa数量级时，b=0.2，Δp在4×104Pa数量级时，b=0.5；Uc为收缩处的流速，m/s；d为障碍物横截面特征尺寸，m；收缩处的流速uc可实测或由下式估算：

式中v为管道中气流的速度，m/s。

格栅噪声    气流通过栅条、格栅、扩散器或穿孔板时产生的噪声。与产生阻挡噪声的状况区别是：(1)格栅位于管道的一端；(2)管道具有相当大的横截面；(3)通常气流的速度很低。格栅噪声的声功率与气流速度的六次方成比例，总声功率级为：

式中Lw为总声功率级，dB；S为格栅前管道的横截面积，m2；u为格栅前管道中的平均流速，m/s；ξ为标准化的压差系数。

式中ρ为气体密度，kg/m3。

阀门噪声流体通过阀门时产生的噪声。阀门在阻塞气流的情况下，会产生两种噪声：(1)阀门后部的湍流混合过程产生的喷注噪声。(2)阀门后的区域内湍流与复杂的气流场相互作用所产生的冲击噪声。对于阀门两侧的压力比小于3的阀门，这两种噪声都须考虑；压力比大于3的阀门，冲击噪声为主，喷注噪声可以忽略。

防治管道噪声的主要措施有：(1)选用低噪声阀门，如多级降压阀门、分散流道型阀门、迷宫流道型阀门、多级降压与分散流道组合型阀门等；(2)在阀后设置节流孔板；(3)在阀后安装消声器；(4)合理设计与布置管线，如可能时选用大管径以降低流体速度；尽量减少弯头、交叉与管径的突变，尽量防止管道急转弯与T形汇流等；(5)尽量杜绝固体声沿管路传播，将风机、泵体与管路间、管路穿墙时与墙壁间、管道与金属支(吊)架问的刚性联结改为弹性联结等；(6)在管道外涂抹阻尼材料，包扎隔声层(由多孔吸声材料层与薄金属皮或沥青毡、水泥砂浆层、砖层等组成)。