一种圆筒状污水泵站降噪工程设计

王孚懋，王 晨，张玉环，张 申，刘青禹

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛266590）

随着我国城市建设的快速发展，原建的市政工程项目如污水泵站、加压泵站、换热站和变电站等逐步被建筑楼群所包围，导致环境噪声与环境振动污染问题愈加突出。工程实践表明，通过吸声降噪等综合性措施，可以有效降低车间的混响噪声。长沙卷烟厂联合工房卷包车间布置大量机械设备，属于典型多声源扁平空间，通过在顶棚及墙面铺设带空气层的蜂窝状钛科丝吸声板，对79个测试点噪声取平均值，车间噪声由85.4 dB(A)降为79.2 dB(A)[1]。

西安市二手房交易大厅由于采用了石板玻璃材质的内凹屋面与矩形建筑空间，颤动回声现象明显，通过悬挂空间吸声体与吸声板措施，室内总吸声量由56.3 m2增加到925.8 m2，平均降噪值达到了13.4 dB(A)[2]。邳州泵站竖井呈椭圆形，内壁为钢板，空间狭窄，混响噪声明显，通过在竖井贯流泵外壳结构上粘贴高阻尼材料以及在椭圆形竖井内壁布置玻璃纤维棉，使得电动机层噪声由90 dB(A)降至74 dB(A)[3]。

青岛经济技术开发区某污水泵站于1996年建成运行，与2014年建成的某居民小区楼毗邻，相距约16 m，该区域属于城市2类声环境功能区，泵站设备运行产生了一定噪声污染。本文针对圆筒状泵站建筑特点和扰民问题复杂性，采取吸声与隔振等综合性噪声治理措施，降低了泵房室内与厂界噪声，工程效果显著。

1 泵站噪声源测试

该污水泵站建筑外形呈圆筒状，如图1所示。

图1 泵站建筑外形

泵房室内空间直径约15.5 m，地下负一层高约8.1 m，地面一层高约6.2 m，总高约14.3 m。泵房安装有7 台格兰富大功率立式水泵，型号S1.100.200.850.4.70 H.D.432.G.N.D.Z，流量Q=612 m3/h，扬程H=75.5 m，最大额定功率85 kW，同步转速n=1 500 r/min，重量W=1 320 kg。出水管直径200 mm，变径管直径300 mm，出水总管直径800 mm，进水管直径1 000 mm。水泵采用单极叶轮，叶片数z=3。水泵安装在泵房地下负一层，自西向东按序号依次排列，常规运行2～4台，5用2备。泵房室外配套除臭间、鼓风机房、控制室、储水池、轴流引风机、送风管、回风管、车间换气扇等辅助设施，泵站设备布局与噪声监测点布置如图2所示。

噪声测试采用了爱华AWA5688 型多功能噪声频谱分析仪、红声ND9 型声级校准器和三脚架。3个噪声监测点布置如图2（a），2（b）所示。

其中P1 测点位于地下4 号水泵1 m 处，P2 测点位于地面工作台东部中央（门内侧），P3测点位于泵房外厂界外1 m 处。测试工况为开启2#和4# 2 台水泵，除臭机、引风机、鼓风机等正常运行。噪声测试采样时间取1 分钟，计算1 分钟等效A 声压级，各监测点统计A 声级监测结果列入表1中，包括LeqA、Lmax、Lmin、L5、L10、L50、L90、L95等。

由此可见，室内监测点符合稳态噪声源的波动要求（3 dB 以内）。泵房地下负一层测点P1 水泵噪声为89.7 dB(A)，地面一层测点P2 工作台噪声85.8 dB(A)，两个测点相距约10 m，说明室内噪声传播衰减较小，机房墙体反射的混响声影响较大。厂界P3测点统计噪声峰值波动范围较大，超过了10 dB(A)，说明交通与生活噪声对测试结果影响较大。

泵房室内噪声1/3 倍频程频谱测试结果如图3所示。采样时间采用1分钟。

在水泵2#与4#运行工况情况下，水泵P1测点与工作台P2 测点的噪声频谱波动形态基本相似，第1阶峰值出现在63 Hz 处，第2 阶峰值出现在125 Hz处，第3阶峰值出现在315 Hz处，第3阶是降噪设计的关键频段。

图2 泵站设备布局与噪声监测点布置

表1 统计A声级监测结果（治理前）

图3 泵房室内噪声1/3倍频程频谱测试结果

根据泵站现场测试分析结果，泵体与管道为主要声源，泵房屋面鼓风机、除臭模块引风机、空调风机等是次要声源。由于泵站圆柱形建筑形态，封闭式空间腔体易产生较大的混响声，加剧了噪声辐射。为此，确定房间吸声与水泵隔振等综合性降噪技术措施。

2 泵房吸声设计

由于泵房墙体已经做过隔声处理，因此以吸声降噪作为设计重点。治理前各倍频程处声压级如表2所示。根据《工业企业设计卫生标准（GBZ1-2010）》[4]，生产车间观察（值班）室噪声限值为75 dB(A)。根据《工业企业噪声控制设计规范（GB/T50087-2013）》[5]，选用NR70 噪声评价曲线，将6 个倍频带允许声压级列入表2，得到各倍频带声压级所需的降噪值（见第3 行），理论设计降噪量10.8 dB(A)。

噪声治理前，泵房内壁面平均吸声系数按下式计算

式中：为房间内壁面平均吸声系数；Sk为第k个结构体吸声面积，m2；αk为第k个结构体吸声系数，泵房内壁结构体包括屋面、地面、墙体和门窗。其中，屋面与地面面积均为54.8 m2，内墙（不含门窗面积）912 m2，铝塑复合门窗面积（控制室）16 m2，采光窗面积共48.7 m2,合计泵房内壁面总面积1 021.6 m2。其中，治理前屋面、地面与墙体均为水泥抹灰结构各结构体倍频程吸声系数取值为0.04～0.07。吸声处理前的平均吸声系数计算值列入表2（见第4行）。

对于室内混响声场，房间常数定义为R=Sαˉ/(1-αˉ)，声传播吸声降噪量按下式计算[6]

式中：R1为治理前房间系数，m2；R2为治理后房间系数，m2；为治理前吸声系数；为治理后吸声系数。房间吸声量定义为A=，S为房间总面积，单位均为m2。考虑到都是小数，式（2）简化为

A声级与声压级的关系为

式中：LA为A 声级，dB(A)；LPi为第i个倍频程线性声压级，dB；ΔLAi为A计权网络声压级修正值，dB(A)；n为倍频程个数。

按照式（3）计算倍频带设计平均吸声系数，如500 Hz 处=0.05×100.1×8.5=0.35 ，列 入 表2第5行。

吸声体结构：内墙壁+钢架网片空气层+钢龙骨架+超细玻璃棉毡+玻璃纤维护面布+铝塑穿孔护面板。玻璃棉厚度100 mm，容重40 kg/m3；护面板穿孔率8 %，孔径5 mm。查产品说明书或声学材料手册，得到吸声系数，如表2第9行[7]。

按照表2依次计算，得到需要吸声材料的数量（见第10 行），最大吸声面积为764.4 m2，位于1 000 Hz 处。按照吸声体面积S1=764.4 m2，原墙面S2=1 021.6 m2，重新计算泵房内穿孔板+超细玻璃棉结构平均吸声系数，根据式2进行校核验证，设计降噪量85.8-74.8=11.0 dB(A)，降噪效果满足NR70 噪声评价曲线。以上计算基于2 台泵运行工况，由于满负荷下需要4～5 台泵同时运行，考虑到设备检修、方便施工，美观性等工艺要求，工程中采取屋顶与墙面满铺吸声体方案，实际吸声面积大于计算值。

3 水泵隔振设计

由于水泵运行时存在偏心激振力或旋转不平衡力，以及叶片的流体扰动等，隔振设计需要考虑旋转工频的影响，如25 Hz，75 Hz，150 Hz等。

对于水泵的垂向运动，基础力传递率ηb按下式计算

式中：N0为传递到基础的力，N；F0为激振力，N；ζ为阻尼比；r为频率比。

当无阻尼时，振动传递率简化为

表2 泵房吸声降噪计算步骤（P2测试点）

当ηb选定后，所需频率比为

为简化计算，取阻尼比ζ=0，力传递率ηb=0.05。由式（7）得，频率比r=4.583。根据电机转速，得激振频率ƒ=n/60=25.0（Hz），隔震器设计频率ƒn=ƒ/r=5.5（Hz）。为保持平衡，选用4 个隔振器并联在泵的底座四角，单个隔振器静载荷W1=m×g/n=3 234（N）。根据隔振器静载荷与固有频率，选取JSD-530 型橡胶隔振器，相关参数列入表3中。

根据橡胶隔振器选型参数，取阻尼比ζ=0.07，频率比最小r0=ƒ/ƒ0=4.997，按式（5）得隔振传递率最小ηb=0.05，固有频率5.5 Hz，也避开了水泵的旋转基频25 Hz[8]，符合设计值要求。

4 工程效果分析

泵房噪声治理工程结束后，在同样的工况下进行了现场噪声监测。泵房噪声治理前后的倍频程监测结果如图4所示。

分别给出了P1和P2测点的监测结果，并与理论计算结果进行了比较。总体来看，噪声频谱监测结果与理论设计值的变化趋势基本一致，实测值（深色蓝线）整体小于理论设计值（淺色红线），说明采取吸声与隔振等综合性降噪措施，工程效果优于单纯的吸声措施。

表3 隔振器选型设计

图4 治理前后泵房噪声倍频程监测结果

由图4(a)可知，P1测点（4号泵位置）实测A声级82.3 dB(A)，降低了6.8 dB(A)；250 Hz 处声压级最大降幅达到16.2 dB，说明减振措施抑制了低频峰值噪声。由图4(b)可知，P2 测点（工作台）实测A 声级68.2 dB(A)，降低了17.6 dB(A)；2 kHz 处声压级降幅达到20.0 dB，说明泵房内混响噪声与设备振动控制效果显著。经监测部门测试，治理后厂界噪声昼间48 dB(A)，夜间42 dB(A)，满足1 类声环境功能区噪声限值要求，即厂界噪声昼间小于55 dB(A)、夜间小于45 dB(A)。

5 结语

通过对圆筒状建筑结构特点与声源分析，确定了泵房吸声与隔振等降噪工程方案。按照运行2台泵工况，选用NR70噪声评价曲线，设计吸声处理面积764.4 m2，占泵房全部内面积的70.4%，理论计算A 声级达到了74.8 dB(A)。考虑到大负荷下需要运行3～5台泵，工程中采取了屋面与墙面满铺吸声体方案。选取JSD-530 型橡胶隔振器，水泵隔振效率达到95%以上。现场噪声监测结果表明，泵房室内工作台位置单点降噪量达17.6 dB(A)，水泵1米处降噪量达6.8 dB(A)，厂界噪声满足1 类声环境功能区噪声限值要求，获得了预期工程效果。