從「聽見噪音」到「找出噪音」

在通風網路中，離心風機必須克服較高的系統壓力損失。然而，其旋轉機械與管道耦合會透過氣流和結構振動產生聲音，並輻射到周圍環境中。其中存在兩條主要的傳輸路徑，分別為經由管道的空氣傳聲，以及由外殼激振所引起的聲學洩漏（acoustic breakout）。

為了理解並釐清這些路徑，我們需要採用流體、結構與聲學分析的協同方法。這類封閉式離心風機可以透過雷射都普勒量測儀（LDV）進行分析，以便將模擬與測量結果進行對比，並實施具體的改進措施以降低噪音並提高效率。

所分析徑向風機的 CAD 視圖

整合式噪音分析流程的方法與步驟

本案例採用整合式工作流程，包含受控的氣動聲學測量、詳細的結構振動擷取以及高保真度的數值模擬。目標是透過豐富的實驗數據集來驗證計算流體動力學（CFD）與計算氣動聲學（CAA），並基於測得的外殼運動來計算輻射聲。

Polytec 測量技術的優勢

Polytec 3D LDV 可在無需附加質量或安裝感測器的情況下，擷取外殼的運轉振型（ODS）與頻域振動速度。這種高密度、非接觸式掃描提供了外殼和管道上空間連續的速度場，隨後將其映射到聲學模擬中。這避免了稀疏點感測器可能產生的空間混疊（aliasing）現象，並保留了精確輻射預測所需的真實結構響應，尤其是在空間梯度較為關鍵的高階模態下。

材料、硬體與軟體

• 測試對象：徑向風機，12 片葉片，直徑 400 mm，轉速 1800 rpm，裝在由四部分組成的鋁製蝸殼中，帶有下游管道，並在無響室中進行消音末端處理。
• 氣動診斷：用於測量升壓、體積流量和效率的測試台；入口處的 3D 熱線風速儀；透過帶有微型感測器的無線遙測系統測量旋轉座標系下的葉片表面壓力。
• 流場與壓力：透過光學窗口在蝸殼蝸舌區域進行 PIV（粒子圖像測速）；嵌入外殼的 56 個微型壓力感測器。
• 結構動力學：對未改造的外殼進行 Polytec 3D LDV 全場振動測量，用於邊界元素法（BEM）模擬。
• 聲學：在 0.5 公尺處布置自由場麥克風，並使用聲強探針進行驗證。
• 模擬：計算流體動力學模擬設置。

LDV 測量設置

結果與範例

• 性能曲線：CFD 在設計流量下較好地重現了風機特性；由於流動分離的複雜性，在部分負載下的偏差有所增加，但總體上仍符合得較好。
• 壁面壓力波動：蝸舌附近模擬的功率譜密度與 Kulite 感測器的測量結果在最高約 5 kHz 範圍內符合較好，展示了非穩態 CFD 在聲源預測中的可行性。
• PIV 對比：蝸舌區域周圍的平均流場結構在模擬與 PIV 測量之間表現出一致性；上部外殼處的流速略有高估，這歸因於 3D 與 2D 測量的差異。
• 聲學源項：基於 PCWE Acoustic Breakout的聲源分布確定了葉輪上的關鍵聲源區域，用於混合聲學建模與分析。

透過 Polytec 3D LDV 測量外殼振動與聲輻射

LDV 顯示，由於風機下游管道壁厚較薄（2 mm），該處表面速度最高，從而確定了其為主要的聲學洩漏區域。由 LDV 速度測量驅動的 BEM 模擬在分析頻段內與麥克風頻譜有較好的符合性；約 90 Hz 處的主要偏差與第一管道模態（葉輪基頻的三倍）一致，這可能是由於未測量的背面被假定為聲硬表面（即振動速度為零）所致。

實際效果

LDV-to-BEM 鏈量化了特定結構面板和模態對輻射噪音的貢獻，指導了有針對性的設計變更，例如局部加強、阻尼或管道壁厚調整。

預期成果與應用範例

• 使用 Polytec 3D LDV 獲取用於 BEM 的高密度運轉振型，從而能夠與麥克風頻譜進行較好的關聯，並識別聲學洩漏的熱點區域。
• 在 LDV 顯示高速度的區域（例如薄壁管道部分）實施改進，優先考慮蝸舌區域的流動控制（基於 PIV/CFD），並透過更新的 BEM/CFD 進行疊代以確認噪音的降低。

徑向風機外殼的表面速度

整合式噪音分析應用的價值

離心風機噪音會影響其是否符合建築和職業噪音標準、人們的舒適度感受以及能源效率。與稀疏的接觸式測量相比，全場工作振動數據有助於建立更合理的輻射模型，並加快噪音控制的疊代過程。已發表的研究強調，在封閉式渦輪機械中，管道接頭、外殼蝸舌與面板模態是常見的噪音源，這突顯了對流體-結構-聲學耦合工作流程的需求。Polytec LDV 透過為輻射模型提供高品質的表面速度輸入，並輔助驗證數值聲學，為這一工作流程提供了支持。

實測驗證模擬，模擬驅動優化

本案例展示了一種整合式實驗-數值計算流程，用於剖析封閉式徑向風機中的流體-結構-聲學交互作用。高保真大渦流模擬（LES）在性能和壓力譜上與實驗表現出合理的符合性，而 PIV 證實了蝸舌處的關鍵流動特徵。至關重要的是，Polytec 3D LDV 提供了所需的全場外殼速度，以便透過 BEM 預測輻射聲並與麥克風測量結果進行對比驗證，揭示了較薄管道部分中的主要聲學洩漏位置。

對於工程人員而言，具體可行的方案非常清晰：透過針對性的測量驗證 CFD/CAA，使用 Polytec 3D LDV 量化外殼振動並驅動 BEM 輻射模型，並在 LDV 顯示表面速度較高的區域實施設計更新。該方法有助於減少不確定性，縮短疊代週期，並在系統層面上實現更穩健的噪音控制。

詳見 Polytec 雷射都普勒測振儀產品介紹 

技術應用窗口：Dr Leo Wu. leo.wu@cadmen.com