3. 旋转机械噪声基础

旋转机械的噪声诊断，第一步不是“听”，而是把空气扰动量化为可比较、可追溯的物理量。声压、声强、声功率、声级、频带和指向性，构成了描述一台风机、泵、电机或齿轮箱噪声的六个基本维度。它们回答的问题各不相同：声压回答“某点有多响”，声强回答“能量往哪里流、流多少”，声功率回答“这台机器总共辐射多少声能”，声级把宽达百万倍量级的量压缩成便于读数的分贝，频带分析回答“噪声由哪些频率成分构成”，指向性则回答“噪声往哪个方向辐射更强”。

声压与声级：最直接的测量量

声压是介质中瞬时压强相对于静压的波动量，单位帕（Pa）。人耳可闻阈约 20 μPa，痛阈约 20 Pa，动态范围达 10⁶。为压缩量级，引入声压级：

Lp = 20·lg(p / p0)   (dB)
p0 = 20 μPa（参考声压）

例如测得某测点有效声压 p = 0.2 Pa，则 Lp = 20·lg(0.2 / 2×10⁻⁵) = 80 dB。注意声压级是“某点”的量，随距离、方向、环境反射而变，因此报告声压级必须同时给出测点位置、距离和背景噪声。工程上常用 A 计权声级 dB(A) 模拟人耳对中低频不敏感的特性，旋转机械的宽带噪声评价通常以 dB(A) 为主，而故障特征频率分析则必须回到线性声压级或窄带谱。

声强与声功率：与距离无关的能量量

声强是单位面积上通过的声功率，单位 W/m²，是矢量，方向即声能传播方向。声强级 Li = 10·lg(I / I0)，I0 = 10⁻¹² W/m²。声强测量的价值在于：在近场或存在背景噪声时，声强探头可区分声能“流出”还是“流入”，从而定位主要辐射面。声功率则是声源在单位时间内辐射的总声能，单位 W，声功率级 Lw = 10·lg(W / W0)，W0 = 10⁻¹² W。声功率与测点无关，是评价机器噪声“固有属性”的量。

在自由场中，点声源声强与距离平方成反比，声压级随距离每增加一倍衰减约 6 dB。若已知某机在 1 m 处测得 Lp = 85 dB，且近似自由场，则 2 m 处约 79 dB，4 m 处约 73 dB。这一关系是现场快速估算和测点布置的重要依据，但旋转机械常处于半自由场或混响环境，实际衰减会偏离 6 dB，需用声强法或声功率法修正。

频带分析：把噪声拆成频率成分

旋转机械噪声很少是单一频率，而是由转频、叶片通过频率、齿轮啮合频率、轴承特征频率及其谐波、边频带和宽带气流噪声叠加而成。频带分析把时域信号变换到频域，常用倍频程和 1/3 倍频程：

倍频程中心频率：31.5, 63, 125, 250, 500, 1k, 2k, 4k, 8k Hz
1/3 倍频程：在上述之间插入 40, 50, 80, 100, 160, 200, 315, 400, 630, 800, 1250, 1600, 2500, 3150, 5000, 6300 Hz

例如某风机转速 1500 r/min，转频 25 Hz，叶片数 12，则叶片通过频率 BPF = 25×12 = 300 Hz。若 1/3 倍频程在 315 Hz 处出现显著峰值，应优先怀疑叶片通过频率及其与导叶、蜗舌的相互作用。窄带 FFT 则进一步分辨边频：若 300 Hz 峰两侧出现间隔 25 Hz 的边频，说明存在转频调制，常见于叶片不平衡、安装偏心或气流脉动。

指向性：噪声不是均匀辐射的

指向性描述声源在不同方向上的辐射强弱。旋转机械的进风口、出风口、蜗壳、齿轮箱箱壁往往形成明显指向性。工程上用指向性因数 Q 或指向性指数 DI 表示：

DI = 10·lg(Q)   (dB)
自由空间点声源 Q = 1，半空间 Q = 2，1/4 空间 Q = 4

实测时以机器中心为原点，在水平面内每隔 30° 或 45° 布置测点，记录各方向声压级，绘制指向性图。若某方向比平均值高 6 dB 以上，说明该方向存在主要辐射口或结构共振。指向性数据直接指导降噪措施：在强辐射方向加装消声器、隔声罩或导流结构，往往比整体包覆更有效。

旋转机械噪声的主要产生机理分类

旋转机械噪声按机理可分为三大类，每类对应不同的频率特征和降噪思路。

第一类：机械性噪声。由固体部件的撞击、摩擦、不平衡和结构共振产生。典型来源包括轴承滚动体与滚道的冲击、齿轮啮合刚度变化、联轴器不对中、转子不平衡引起的旋转力。其频率特征通常与转速和部件特征频率严格相关：轴承外圈故障频率 BPFO、内圈故障频率 BPFI、保持架频率 FTF 均可由轴承几何参数和转速计算。这类噪声的治理重点是提高装配精度、动平衡、更换损伤轴承、增加阻尼。

第二类：空气动力性噪声。由气流与叶片、蜗壳、管道相互作用产生，包括旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声源于叶片周期性地切割气流，频率为 BPF 及其谐波；涡流噪声源于湍流边界层、脱流和涡脱落，频谱呈宽带连续谱。风机、压缩机、涡轮的噪声以此类为主。治理手段包括优化叶片型线、增大叶轮与蜗舌间隙、加装消声器和导流片。

第三类：电磁性噪声。电机定转子气隙磁场相互作用产生电磁力波，引起定子铁芯和机壳振动辐射噪声。频率通常为电源频率的 2 倍及其与槽配合相关的边频，如 2f、2f±fr 等。变频驱动时，PWM 载波频率及其边带也会进入噪声谱。治理重点是优化槽配合、增加气隙均匀性、采用斜槽或阻尼绕组。

从测量到判断：一个简化的现场示例

假设某离心风机在 1 m 处测得 A 声级 88 dB，1/3 倍频程谱在 315 Hz 出现 82 dB 峰值，转频 25 Hz，叶片数 12，BPF = 300 Hz。315 Hz 与 BPF 接近，初步判断为叶片通过频率噪声。进一步用窄带 FFT 观察，若 300 Hz 两侧出现 25 Hz 间隔的边频，说明存在转频调制，应检查叶片安装角一致性、叶轮偏心或进口气流不均。若在 50 Hz 处也有明显峰值，则需排查电机电磁噪声或电源谐波。指向性测量若显示蜗壳出口方向比进口方向高 7 dB，则降噪重点应放在出口消声器而非整体隔声罩。