摘  要 燃气采暖热水炉的声学特性是用户关注的重要性能，有效地降噪技术对于采暖炉性能的提升具有重要的意义。本文详细分析了燃气采暖热水炉的主要噪声源，并用实验测量了主要噪声源的噪声值，通过理论计算验证了关于噪声源的分析，从频谱和振动分析的角度对燃气热水炉的声学特性进行了分析，提出了一种减振层和吸音层组合专利降噪技术(专利号：201520122682.3)，对比了单独使用减振层和吸音层的频谱分布以及降噪效果，减振层和吸音层的叠加是一种多次吸声的结构，该技术可以有效降低整机噪声3dB以上。

    关键词 燃气采暖热水炉；噪声；声压级；频谱；振动；吸声

    1 引言

    燃气采暖热水炉作为一种家用采暖设备被安装在用户室内，并且很多情况下采暖季全天工作，尤其在夜间，燃气采暖热水炉的声学特性已经成为用户所关注的热水性能和安全性能之外的一项重要性能。目前对于燃气采暖热水炉的噪声研究主要集中在声压级测试计算方法[1]、噪声源分析[2]等方面，噪声对于人的影响不仅和声压级有关，也与频谱特性密切关系，对于燃气采暖热水炉的频谱分析以及较为有效的降噪技术方案的研究还较少。本文首先分析燃气采暖热水炉的主要噪声源，并通过实验测试和理论计算验证，进一步分析整机的频谱分布，然后提出并对比测试多种降噪方案，最终提出一种多次吸声结构的专利降噪技术(专利号：201520122682.3)，该技术可以有效降低全频段噪声，同时整机噪声可以降低3～5dB。

    2 噪声源分析

    2.1 风机噪声

    燃气采暖热水炉的风机噪声主要包括机械噪声、气动噪声以及电磁噪声[3]，其中气动噪声又包括离散噪声和宽频噪声，在风机叶轮动平衡良好且叶轮无积灰的情况下，燃气采暖热水炉风机的主要噪声是气动噪声，它的主要分类以及产生的原因见图1[4]。

    风机的机械噪声主要是结构振动引起的，振动一部分是来源于电机自身振动，一部分来源于风机叶轮的偏摆振动，叶轮轴向跳动以及动平衡失效均会引起偏摆振动，同时长期运行叶轮压力面一侧积灰较多，灰尘一旦脱落会严重导致叶轮动平衡破坏，引起叶轮偏摆振动。振动沿着钣金件结构向外传递，最终传递到外观的前面板和左右侧板上，外观前面板和左右侧板多为大平板结构，振动传递会引起平板结构的振动，进而辐射低频噪声，同时长期的电机振动和叶轮的偏摆均会导致电机轴磨损变形，使得振动加剧。

    2.2 燃烧噪声

    燃烧噪声主要是燃气燃烧过程中引起层流、紊流的火焰声音以及振荡燃烧的声音，燃烧噪声主要和引射器、喷嘴等结构有关。另外燃气采暖热水炉多为平衡式燃烧，密封腔体内因燃烧而导致的负压变化，使得密封腔体表面产生一定程度的振动，也会辐射噪声。

    2.3 水流噪声

    燃气采暖热水炉的水流噪声主要是水泵运行过程中引起的水路循环致使水流在管道变径过程中产生的声音。如水流经过热交换器扰流条，以及在水流模块内部的变径均可能产生水流噪声。此外水泵叶轮和水作用产生的压力脉动也会有噪声产生，如果水中有气泡，噪声会更为明显，水流噪声有时会受到水压波动而变化。

    2.4 试验验证

    (1)试验方案

    在分析燃气采暖热水炉主要噪声源的基础上进行试验，分别测试A.O.Smith牌L1PB26-G型采暖热水炉的风机噪声、燃烧噪声、水流噪声以及整机噪声。测试点位于燃气采暖热水炉左右两侧和正前方，测试点距离外壳1m[5]，测试点高度计算式为：

    测试点高度h=（采暖炉顶部距离地面高度+1m）/2(1)

    试验中测试点高度为1.2m，测试在A.O.Smith南京全球工程中心半消音室内进行，本底噪声18dB(A)，测试过程中电压恒定220V，进水流量保持稳定。测试系统图片见图2。

    (2)测试分析

    测试过程中让风机单独运行测试风机噪声，燃烧器单独燃烧测试燃烧噪声，水泵运行单独运行测试水流噪声，同时在整机额定负荷下测试整机噪声，测试结果如表1。

    当有N个噪声源时，整机总声压级的计算式如下:

    式中：L1、L2……LN为各主要声源声压级。

    若已知风机噪声、水流噪声和燃烧噪声，则整机噪声可以通过式2计算，计算过程如下：

    整机噪声=风机噪声+燃烧噪声+水流噪声=

    10lg(1037.61/10+1031.88/10+1033.21/10)=39.73dB(A)

    从以上计算过程可以看出，理论计算出的整机噪声和试验测试得出的整机噪声非常接近，表明整机的主要噪声源是风机噪声、水泵噪声和燃烧噪声，其余的噪声对于整机噪声的贡献较小。此外风机噪声是整机噪声的主要噪声来源，对于风机噪声的控制可以较大程度地降低整机噪声水平。

    整机1/3倍频频谱分布如图3所示，分别是在整机最大负荷和最小负荷测试所得，从频谱分布可以看出整机在400Hz左右的中高频段出现峰值，该频段处的噪声主要来源于风机；此外低频段100Hz左右处的噪声也较为突出，结合图4外壳钣金件的振动幅值图可知该处的噪声主要是钣金件振动导致，主要的振动源是风机，风机振动经过传递最终通过大平板结构的外壳钣金件辐射低频噪声，此外燃烧过程中密封腔室内的负压振动也会一定程度辐射低频噪声。

    综上所述，对于风机的噪声控制是燃气采暖热水炉声学特性提升的关键；从频谱分析的角度，控制钣金的振动可以一定程度降低低频噪声辐射，中高频段噪声的降低相比低频噪声降低则较为容易，采取一些吸隔声的方案则较为有效。

    3 降噪方案测试分析

    3.1 方案介绍和测试

    通过前面的分析，燃气采暖热水炉声学性能的提升可以通过降低钣金件振动和吸隔声等手段。钣金件振动的抑制目前常规的手段是从降低振动源振动和传播途径减振两方面考虑，风机作为主要的振动源，其机械振动性能已经有很多研究和控制，本文主要涉及传播途径的减振。

    本文减振方案主要是通过在外壳钣金件上增加减振阻尼材料（后文统一称为减振层），以此降低大平板结构的低频噪声的辐射。中高频的噪声主要通过柔性吸声材料（后文统一称为吸音层）。图5和图6分别是在外壳钣金件内侧增加减振层和吸音层。

    表2是单独使用减振层、单独使用吸音层以及减震层和吸音层叠加使用的声压级测试结果。图7为测试结果柱状图。从表2和图7中可以看出，单独使用减振层和单独使用吸音层对于整机的噪声降低均没有两者配合使用的效果好，且降低噪声均低于3dB，人耳感知不明显。但是吸音层和减振层配合使用，对于整机的噪声降低有3.74dB，降噪效果明显。

    3.2 方案频谱分析和推广

    如图8所示，为单独增加减振层与否对外壳钣金件振动影响的频域分析，图9为时域分析图，从图8和图9可以看出，增加减振层可以较大程度地降低外壳钣金件的振动，尤其在200Hz以下的低频段，降幅达50%以上。

    图10为单独增加减振层对于整机声压级的1/3倍频分布图，从图中可以看出单独使用减振层，对于整机在低频段的噪声降低有较好的效果。图11为单独增加吸音层对于整机声压级的1/3倍频分布图，从图中可以看出单独使用吸音层可以很大程度降低中高频的声压级，对于低频噪声的降低也有益处。

    图12为减振层和吸音层叠加使用整机的1/3倍频图，从图中可以看出，采用该方案可以有效降低整个频段的噪声值，叠加的效果是单独使用的累加。结合表2中的降噪数值，可以看出该降噪方案以及效果较为明显。

    减振层和吸音层的叠加使用发挥了减振层和吸音层各自的效果。叠加后可以降低整机噪声3dB以上。该组合降噪方案形成了多次吸声的降噪结构，减振层的使用对于提升钣金件强度，降低钣金件的隔声量损失均有益处，进而提升了钣金件的隔声能力，使得更多的声能经过增加减振层的钣金件后被反射，从而再次经过吸音层，再次被吸音层吸收部分声能，如图13所示。通常燃气采暖热水炉外壳是密封式的，在密闭外壳内侧增加组合降噪结构，可以使声能在外壳内被吸音层多次吸收而不轻易向外透射，从而不仅可以降低低频噪声的辐射，而且可以使得吸音层的效果得到最大的发挥，使得全频段的声压级都能降低。

    4 结论

    (1)本文在分析燃气采暖热水炉主要噪声源的基础上，通过实验测试和理论计算，验证了噪声源分析的准确性；燃气采暖热水炉的主要噪声源是风机噪声、燃烧噪声和水流噪声，风机噪声是燃烧采暖热水炉的主要噪声源。

    (2)从频谱分析的角度分析了燃气采暖热水炉的声学特性，整机的1/3倍频的声压级分布可以看出中高频段的噪声是整机噪声的主要来源，低频段噪声主要是外壳钣金件振动导致。

    (3)提出一种将吸音层和减振层叠加的专利降噪技术（专利号：201520122682.3），可以有效降低整机噪声3dB以上，该专利技术的推广应用对于提升燃气具产品的品质具有重要的作用。

    参考文献：

    [1]燃气壁挂炉噪声分析方法探讨[C].2014年燃气应用专业委员会年会论文集,2014.8.

    [2]王勃，周生伟.采暖热水炉风机噪音分析[D].《壁挂炉月刊》,2015.6.

    [3]季伟锋.微型轴流风扇噪声机理及特性预测的研究[D]. 上海交通大学,2003.

    [4]张红辉.发动机轴流冷却风扇低噪声气动性能分析与控制研究[D].重庆大学,2002.

    [5]GB25034-2010《燃气采暖热水炉》.中国标准出版社.2010.9.

    点评：

    燃气采暖热水炉的噪声是影响用户使用舒适度的重要指标。论文作者通过理论计算与实验验证的方法对燃气采暖热水炉产生的噪声进行了分析，确定了三种主要噪声源。分析了噪声产生的原因及影响因素，并相应的提出了降低噪声的措施与方法。有效降低噪声达3dB以上，并申请了专利。

    论文评审组一致认为，该研究选题切合实际，研究成果显著。论文理论及研究路线正确，结构清晰，表述清楚。望作者根据实际安装系统进行进一步研究，在该领域取得更多成果。