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文献原创爪式真空泵噪声控制研究

来源：同韵声学作者：同韵声学

1 引言

爪式真空泵是一种转子为爪形的变容积式真空泵，通过成对的爪形转子之间、转子与泵腔之间以及转子与隔板之间进行有间隙、无摩擦的啮合形成的密闭腔的容积大小变化来完成吸排气过程^[1-2]。具有结构简单，运行平稳，干式无油等显著优点。广泛应用与半导体、光学器件、化工、核工业、薄膜、仪器、医药、生物制药和食品等领域。爪式真空泵在工作过程中不可避免的会产生噪声，特别是功率较大的爪式真空泵会产生较大的噪声，给操作环境造成噪声污染。这一噪声源一般包括泵本体机械噪声和空气动力噪声，机械噪声可以通过提高零部件加工精度来减小，但空气动力噪声难以避免。

本文系统的研究了爪式真空泵噪声的产生机理，设计了减振降噪方案，并通过一台实际机型，开展了噪声控制方案的实施和评价，结果显示，爪式真空泵的主要噪声从126dB(A)降低到78dB(A)，取得了良好的效果。

2 爪式真空泵噪声分析

2.1 噪声产生机理及噪声特性

爪式真空泵噪声是由机件的振动引起的，其噪声主要包括：

（1）空气动力噪声。空气动力噪声是气体的滚动或物体的在气体中运动，引起空气的振动而产生的^[3]。爪式真空泵工作过程中，转子的周期性旋转，会造成气流的扰动、气体与气体相互作用、气体与转子及壳体的相互作用，从而产生噪声。另外，泵出口直接直接排入大气，还存在排气噪声。

（2）机械噪声。泵体中有一对互相啮合的同步齿轮和相互拟合的转子作旋转运动，形成周期性的激振力，该激振力作用于泵体，并且传递给外壳等其它部件，从而引起振动产生噪声；同时，高速旋转的部件由于不平衡质量产生的惯性力也会引起部件振动发声。

（3）电机噪声。电动机是爪式真空泵的动力装置，其噪声是爪式真空泵的主要噪声源之一。电机噪声包括风扇噪声、电磁噪声、轴承噪声和机壳噪声等，

（4）随机性力引起的噪声。齿轮之间的相互摩擦与撞击、主从动转子之间的相互摩擦等机械传动结构产生的随机性力而引起的随机性噪声。

爪式真空泵噪声中，空气动力噪声最为强烈。因此，控制爪式真空泵的噪声主要控制空气动力噪声。

2.2 噪声的频谱特性

图1为爪式真空泵实物图，图2为该泵工作过程中实测的泵出口处的噪声频谱曲线。

泵噪声控制

图1 爪式真空泵

泵噪声频谱

图2 爪式真空泵出口处的噪声频谱曲线

从图2中可以看到，爪式真空泵出口处的噪声达到126dB(A)。其第一阶峰值在131Hz，最大值为其3阶频率点392Hz，达到120dB(A)。

3爪式真空泵噪声控制方案

从图2测试结果可知，针对爪式真空泵降噪的主要工作是设计合适的消声器降低其气流噪声，以及设计相应的吸隔声结构，降低泵体内部噪声通过泵体的传播^[4-5]；同时，在开展吸隔声结构设计时，满足泵体通风散热的需求；最后，需要考虑泵的安装使用空间。

因此，整体降噪方案还需要满足结构紧凑、重量以及环保和使用年限等诸多要求。整体降噪后，希望在泵周围1m处的噪声降低至78dB(A)以内。

3.1消声器壳体隔声设计

由于消声器壳体处噪声到距离其1m处的噪声衰减大约在10dB左右。因此，需要将泵周围1m处的噪声降低至78dB(A)以内，泵通过消声器外壳的噪声不能高于85dB(A)，尽量接近80dB(A)的性能。表1为一级消声器壳体降噪量。

表1 一级消声器壳体降噪量

f(Hz)	消声器入口	目标85dB(A)		目标80dB(A)
f(Hz)	消声器入口	dB(A)	隔声量	dB(A)	隔声量
125	111.9	74.9	37	69.9	42
250	114.3	75.3	39	70.3	44
500	122.8	74.8	48	69.8	53
1000	119.1	75.1	44	70.1	49
2000	113.5	75.5	38	69.5	44
4000	118	75	43	70	48
8000	112.6	75.6	37	69.6	43
16000	104.4	75.4	29	70.4	34
总	126.3	85		80

由表1可知，如要使得泵出口噪声通过消声器壳体衰减至85dB(A)，需要使消声器壳体噪声在125Hz频段隔声量在37dB左右。由隔声定理式(1)有：

（1）

式中：R为隔声量，

m为材料的面密度，

f为声波频率。

同时，由图2可知，对于125倍频程段，其峰值频率在131Hz，可由式(1)计算得到，当材料面密度为78kg/m²时，R_(f=131)=37dB，当R=46.8kg/m²时，R_(f=131)=32.8dB。

而面密度78kg/m²材料相当于10mm厚钢板，面密度46.8kg/m²材料相当于6mm厚钢板。同时考虑到该泵安装使用空间，因此，选用三层2mm厚钢板，并在各层钢板之间添加阻尼材料和吸声材料形成复合隔声结构，从而提升该消声器的隔声量。最终的隔声结构如图3所示：

隔声设计

图3 一级消声器最外层隔声结构

由于安装空间限制，单级消声器不能做的过大，最终采用两级消声器的降噪方案。消声器为阻性消声器，其降噪量随频率增大而增大。因此，设计一级消声器在125Hz频段降噪量为10dB左右，这样二级消声器壳体隔声量在26dB~32dB即可满足要求。由式(1)可知，这时的面密度达到23.4kg/m²时即可满足要求，这对应的材料相对于3mm钢板，二级消声器可采用2mm铁板+2mm阻尼+2mm铁板复合结构，即可满足要求。

3.2 爪式真空泵泵体吸隔声设计

由于采用两级消声器，因此可将这两个消声器置于泵体两侧，再在消声器与泵体侧加装吸声材料，从而使两级消声器对泵体形成一个吸隔声结构，从而降低泵体对外的辐射噪声。同时考虑到泵体的散热要求，因此选用泡沫铝吸声材料^[6]，从而满足泵体的散热要求。

3.3 爪式真空泵振动设计

爪式真空泵噪声虽然以泵内部的气流噪声为主，但泵本身的振动也较大，达到150dB。因此，需要对抽气泵安装隔振，从而降低振动的沿基础的传递。同时考虑到实际运行环境，泵基础为薄壳结构，在泵与基础之间安装隔振是非常有必要的。

由于爪式真空泵的质量大约在40kg，它通过四个基座与基础连接，同时抽气泵基频在131Hz，因此选用刚度100N/mm以内的隔振器件即可。

4噪声控制结果

图4为设计的两级消声器，图5为噪声测量方位及测量结果。其中，图5中下部数据为距离地面10cm噪声值，上部数据为距离地面1m处的噪声值。由图5可知，靠近地面10cm处的算术平均声压级为77.6dB(A)，距离地面1m处的算术平均声压级为75.8dB(A)。均满足噪声算术均值不大于78dB(A)的要求。

泵噪声控制