CN113252338A - 一种阀外气动噪声的检测装置及估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阀外气动噪声的检测装置及估算方法，属于工业阀门设计领域。方法如下：计算得到所有阀外传声器的平均噪声声压级；计算得到所有阀内传声器的平均噪声声压级；根据隔声质量定理，通过改变混合声源系统的噪声大小，得到阀体噪声隔声量与阀外平均噪声声压级和阀内平均噪声声压级之间的拟合关系；通过改变阀门内的结构以获得所需流场，基于计算气动声学模拟方法，获得该流场下阀内平均噪声声压级；通过得到的拟合关系估算得到该流场下阀门外部的实际气动噪声估算值。本发明能避免高压高温等实验环境的影响，通过数值模拟保证所估算阀外气动噪声值的准确性，可以进一步用于阀门降噪设计来提升阀门的降噪特性，方便快捷且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及气动噪声估算，特别涉及一种阀外气动噪声的检测装置及估算方法，属于调节阀设备技术领域。
背景技术
高压差调节阀往往通过内部节流构件进行节流降压，结构形式有套筒调节阀、迷宫调节阀等。工质往往为高压气体，高压气体介质通过节流区域时，极易产生旋涡、扰流等现象，从而产生很大的噪声；噪声会影响阀门工作的稳定性及工人健康。事实证明，套筒的节流区域会对阀门的噪声产生很大的影响，因此，通过内部节流结构的改进达到更好的降噪效果。
阀门的气动噪声属于调节阀内噪声，内噪声很大程度上受到调节阀和管道壳体的减弱作用，透射到空气中最后传入人耳中。目前，很多阀门噪声的研究没有考虑壳体对噪声的削弱作用，仅仅考虑内流场噪声，对工程的指导意义不大。目前，对于阀门场外噪声估算，国际电工技术委员会最新颁布的标准BS EN60534-8-3:2011，提出计算阀门气体流动噪声预测方法。基于5个过程：(1)确定机械能转化为声能的量；(2)确定阀门机械能转化为声能的转化效率；(3)确定阀内声压级；(4)考虑调节阀和管道壳体对噪声的削弱作用；(5)将壳体表面的声压级转化到远处观察的人能感觉到的声压级。然而，对于阀外噪声估算流程涉及公式较多，并且只限定在特定的阀门，因此不具备普适性与便捷性。
因此，如何准确地考虑到阀体对气动噪声的削弱作用，进行阀外噪声的估算对设计与改进阀门的噪声性能具有重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阀外气动噪声的检测装置及估算方法，以解决现有技术中未考虑阀体对内气动噪声的削弱作用问题以及达到通过改进内部结构改善阀门的噪声特性的功能，提高阀门的稳定性以及可靠性。本发明的装置及方法具有方便、快捷等优点。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种阀外气动噪声的检测装置，包括混合声源系统、阀门进口管道、阀门出口管道、第一传声器和第二传声器；所述混合声源系统置于待检测的阀门内部；所述阀门进口管道的一端与所述阀门的进口端连通，另一端封堵有阀门进口吸声器；所述阀门出口管道的一端与所述阀门的出口端连通，另一端封堵有阀门出口吸声器；若干所述第一传声器分布于阀门的内壁面；若干所述第二传声器分布于阀门的外部，且所有第二传声器与混合声源系统之间的直线距离相同。
作为优选，所述混合声源系统的声压级为80～130dB，包括能输出高声压级和平稳波动噪声信号的低频扬声器和中频扬声器。
作为优选，所有所述第一传声器和第二传声器均与数据显示及处理模块连接，用于收集并显示各监测点处的声压级。
作为优选，所有所述第二传声器均位于距离混合声源系统1～2m处的阀外噪声监测面上；阀外噪声监测面为位于混合声源系统上方的半球形，球心点位于混合声源系统处。
作为优选，所有所述第一传声器和第二传声器均按照测量表面占有的面积区域相等原则布置。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述检测装置的阀外气动噪声估算方法，具体如下：
S1：根据每个第二传声器测得的声压级
得到所有第二传声器的平均噪声声压级
S2：根据每个第一传声器测得的声压级Lxi，得到所有第一传声器的平均噪声声压级
S3：根据隔声质量定理，通过改变混合声源系统的噪声大小，得到阀体噪声隔声量R与所有第二传声器平均噪声声压级
和所有第一传声器平均噪声声压级
之间的拟合关系；
S4：通过改变阀门内的结构以获得所需流场，基于计算气动声学模拟方法，获得该流场下所有第一传声器平均噪声声压级
通过S3得到的拟合关系，估算得到该流场下阀门外部的实际气动噪声估算值。
作为优选，所述步骤S1具体如下：
根据每个第二传声器测得的声压级
通过公式(1)计算得到所有第二传声器的平均噪声
其中，
为所有第二传声器的平均声压级，单位为dB；
为第i个第二传声器测得的声压级，单位为dB；N为所有第二传声器的数目；S为阀外噪声监测面的总面积，单位为m2；Si为阀外噪声监测面第i个第二传声器的测量表面占有的面积，单位为m2。
作为优选，所述步骤S2具体如下：
根据每个第一传声器测得的声压级Lxi，通过公式(2)计算得到所有第一传声器的平均噪声声压级
作为优选，所述阀体噪声隔声量R与所有第二传声器平均噪声声压级
和所有第一传声器平均噪声声压级
之间的拟合关系满足公式(3)，
其中，R为阀体噪声隔声的声压级大小，单位为dB；m为阀体单位面积质量大小；a和c均为拟合系数。
作为优选，所述计算气动声学模拟方法采用声学类比积分法。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明可用于工程预估阀外气动噪声的大小，相比于现有技术中的公式计算或粗算预估，本发明可在实验的基础上拟合阀内气动噪声与阀外气动噪声的关系，基于计算气动声学模拟方法，可获得阀内噪声声压级的大小，进而估算实际工况中阀外气动噪声的大小。
2)本发明在实际应用的过程中具备良好的重复性，能够方便快捷地获得阀内和阀外噪声的关系，避免高压高温等实验环境，节约成本，且可以保证估算结果的准确性，为工程应用提供指导。
附图说明
图1为本发明装置的一种结构示意图；
其中：1、阀门进口吸声器；2、阀门进口管道；3、阀外噪声监测面；4、混合声源系统；5、阀门出口管道；6、阀门出口吸声器；71、第一传声器；72、第二传声器；8、数据显示及处理模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种阀外气动噪声的检测装置，该检测装置主要包括混合声源系统4、阀门进口管道2、阀门出口管道5、第一传声器71和第二传声器72。下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
混合声源系统4置于待检测的阀门内部，比如可以置于阀门内部的中心处。混合声源系统4的声压级应当满足80～130dB，主要包括低频扬声器和中频扬声器，用于模拟阀门气动噪声中低频的噪声特性，并能够输出高声压级、平稳波动的噪声信号。阀门进口管道2的一端与阀门的进口端连通，另一端封堵有阀门进口吸声器1；阀门出口管道5的一端与阀门的出口端连通，另一端封堵有阀门出口吸声器6。在阀门进口管道2和阀门出口管道5的外侧两端分别封堵吸声器或者消声器的目的在于，该种设置能够有效模拟阀门中的气动噪声沿管道向上游和下游传播且无反射的实际情况。
在阀体内壁面的不同位置设置多个第一监测点，每个第一监测点上分布第一传声器71。所有的第一传声器71均与数据显示及处理模块8连接，用于收集并显示各监测点处第一传声器71监测到的阀内声压级大小。在阀门外部与混合声源系统4距离相同的多处位置设置第二监测点，每个第二监测点上分布第二传声器72。所有的第二传声器72均与数据显示及处理模块8连接，用于收集并显示各监测点处第二传声器72监测到的阀外声压级大小。在实际应用时，可以将所有的第二传声器72均设置于距离混合声源系统1～2m处的阀外噪声监测面3上，阀外噪声监测面3为位于混合声源系统4上方的半球形，球心点位于混合声源系统4处。该种设置的原因主要是考虑到阀门在实际应用时，一般都是贴近地面设置，因此，工作人员在阀外接收到的气动噪声基本都是位于阀门的上方。但若是有需求想要监测阀外全部方位的气动噪声，则可以将阀外噪声监测面3设置为一个球形，球心处与混合声源系统4所在处重合，但该种设置需要的第二传声器72数量过多，成本消耗较大。
为了能够更加全面的接收阀内和阀外的声压级大小，所有第一传声器71和第二传声器72均按照测量表面占有的面积区域相等原则布置。也就是说，阀内噪声监测面(即阀门、阀门进口管道及阀门出口管道共同组成整体结构的内壁面)与阀外噪声监测面均按照等面积原则进行分区，每个分区的面积相等、区域互不重叠且能将阀内噪声监测面或阀外噪声监测面尽可能的覆盖，传声器设置在每个分区的中间处，其中，阀门进、出口管道内的传声器不少于4个，阀门内壁面处的传声器不少于6个。
在实际应用时，可以将所有的第一传声器71和第二传声器72通过物联网技术或有线连接方式与数据显示及处理模块8连接。阀门进口管道2和阀门出口管道5的管长均设置为各管道管径的三倍大小。
该装置在实际应用时，只需要激发阀内混合声源系统4，使其发射出不同大小的中低频噪声作为声源，随后根据第一传声器71和第二传声器72监测到的声压级大小模拟计算实际的阀外气动噪声，具体方法如下：
S1：根据每个第二传声器72测得的声压级
通过公式(1)计算得到所有第二传声器72的平均噪声
其中，
为所有第二传声器72的平均声压级，单位为dB；
为第i个第二传声器72测得的声压级，单位为dB；N为所有第二传声器72的数目；S为阀外噪声监测面3的总面积，单位为m2；Si为阀外噪声监测面3第i个第二传声器72的测量表面占有的面积，单位为m2。
S2：根据每个第一传声器71测得的声压级Lxi，通过公式(2)计算得到所有第一传声器71的平均噪声声压级
其中，Lxi为第i个第一传声器71测得的声压级，单位为dB；
为所有第一传声器71的平均噪声声压级。
S3：根据隔声质量定理，通过改变混合声源系统4的噪声大小，得到阀体噪声隔声量R与所有第二传声器72平均噪声声压级
和所有第一传声器71平均噪声声压级
之间的拟合关系，具体如下：
隔声质量定理指的是单层隔声介质的隔声量和单位面积质量以及频率的对数成正比，可以用如下公式(4)表示：
R＝a lg m+b lg f+c (4)
其中，R为阀体噪声隔声的声压级大小，单位为dB；m为阀体单位面积质量大小；f为噪声频率大小；a,b,c均为拟合系数。
但由于气动噪声的主要频率位于低频，因此为了简便计算，可以假设隔声量(阀体噪声隔声的声压级大小)仅与阀体单位面积质量大小相关，即可以将公式(4)简化为公式(5)，公式(5)具体如下：
R＝a lg m+c (5)
根据公式(5)结合
进而得到阀体噪声隔声量R与所有第二传声器72平均噪声声压级
和所有第一传声器71平均噪声声压级
之间的拟合关系，即如公式(3)所示：
然后可以通过改变混合声源系统4的噪声大小，基于步骤S1和S2来测试得到多组
和
结合公式(3)，最终确定a与c的值，进而得到阀体噪声隔声量R与所有第二传声器72平均噪声声压级
和所有第一传声器71平均噪声声压级
之间的拟合关系。
S4：由于不同的流场对应的阀门内部结构不同，因此，可以通过改变阀门内的结构以获得所需流场情况。基于计算气动声学模拟方法，获得该流场下所有第一传声器71平均噪声声压级
即获得阀门内壁面的声场情况。通过S3得到的拟合关系，估算得到该流场下阀门外部的实际气动噪声估算值。基于该估算值，能够进一步改善阀门噪声特性，降低阀门的流致噪声。
这里的计算气动声学模拟方法可以采用声学类比积分法，在计算阀体单位面积质量时采用的阀体厚度为阀体的计算厚度。
本发明能避免高压高温等实验环境的影响，通过数值模拟的方法能够保证所估算阀外气动噪声值的准确性，可以进一步用于阀门降噪设计来提升阀门的降噪特性，方便快捷且成本低。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种阀外气动噪声的检测装置，其特征在于，包括混合声源系统(4)、阀门进口管道(2)、阀门出口管道(5)、第一传声器(71)和第二传声器(72)；所述混合声源系统(4)置于待检测的阀门内部；所述阀门进口管道(2)的一端与所述阀门的进口端连通，另一端封堵有阀门进口吸声器(1)；所述阀门出口管道(5)的一端与所述阀门的出口端连通，另一端封堵有阀门出口吸声器(6)；若干所述第一传声器(71)分布于阀门的内壁面；若干所述第二传声器(72)分布于阀门的外部，且所有第二传声器(72)与混合声源系统(4)之间的直线距离相同。
2.根据权利要求1所述的一种阀外气动噪声的检测装置，其特征在于，所述混合声源系统(4)的声压级为80～130dB，包括能输出高声压级和平稳波动噪声信号的低频扬声器和中频扬声器。
3.根据权利要求1所述的一种阀外气动噪声的检测装置，其特征在于，所有所述第一传声器(71)和第二传声器(72)均与数据显示及处理模块(8)连接，用于收集并显示各监测点处的声压级。
4.根据权利要求1所述的一种阀外气动噪声的检测装置，其特征在于，所有所述第二传声器(72)均位于距离混合声源系统(4)1～2m处的阀外噪声监测面(3)上；阀外噪声监测面(3)为位于混合声源系统(4)上方的半球形，球心点位于混合声源系统(4)处。
5.根据权利要求1所述的一种阀外气动噪声的检测装置，其特征在于，所有所述第一传声器(71)和第二传声器(72)均按照测量表面占有的面积区域相等原则布置。
6.一种利用权利要求1～5任一所述检测装置的阀外气动噪声估算方法，其特征在于，具体如下：
S1：根据每个第二传声器(72)测得的声压级
得到所有第二传声器(72)的平均噪声声压级
S2：根据每个第一传声器(71)测得的声压级Lxi，得到所有第一传声器(71)的平均噪声声压级
S3：根据隔声质量定理，通过改变混合声源系统(4)的噪声大小，得到阀体噪声隔声量R与所有第二传声器(72)平均噪声声压级
和所有第一传声器(71)平均噪声声压级
之间的拟合关系；
S4：通过改变阀门内的结构以获得所需流场，基于计算气动声学模拟方法，获得该流场下所有第一传声器(71)平均噪声声压级
通过S3得到的拟合关系，估算得到该流场下阀门外部的实际气动噪声估算值。
7.根据权利要求6所述的阀外气动噪声估算方法，其特征在于，所述步骤S1具体如下：
根据每个第二传声器(72)测得的声压级
通过公式(1)计算得到所有第二传声器(72)的平均噪声
其中，
为所有第二传声器(72)的平均声压级，单位为dB；
为第i个第二传声器(72)测得的声压级，单位为dB；N为所有第二传声器(72)的数目；S为阀外噪声监测面(3)的总面积，单位为m2；Si为阀外噪声监测面(3)第i个第二传声器(72)的测量表面占有的面积，单位为m2。
8.根据权利要求6所述的阀外气动噪声估算方法，其特征在于，所述步骤S2具体如下：
根据每个第一传声器(71)测得的声压级Lxi，通过公式(2)计算得到所有第一传声器(71)的平均噪声声压级
9.根据权利要求6所述的阀外气动噪声估算方法，其特征在于，所述阀体噪声隔声量R与所有第二传声器(72)平均噪声声压级
和所有第一传声器(71)平均噪声声压级
之间的拟合关系满足公式(3)，
其中，R为阀体噪声隔声的声压级大小，单位为dB；m为阀体单位面积质量大小；a和c均为拟合系数。
10.根据权利要求6所述的阀外气动噪声估算方法，其特征在于，所述计算气动声学模拟方法采用声学类比积分法。
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