一、引言

      噪音污染很快就会成为空气污染和水污染以外威胁人类健康的第三个敌人。随着交通运输、电力、食品、和化工方面对能源需求的日益增长，而能源转换的副产品就是噪音，因此人类环境必被越来越多的噪音所包围。在自动化控制方面，调节阀产生的噪音已成为人们注意的一个焦点，由此国家颁布了一系列法令和法规来控制噪音，这些法律对于人们所承受的工业场所声级和时间限制如下表所示：

持续时间（小时）	声级（分贝A）
8	90
4	95
2	100
1	105
1/2	110
1/4或更少	115

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 表1

  二、有关名词术语

     1.声压级SPL(Sound PressureLevel)           

     SPL指被测声压与参考声压两者振幅比的对数函数，其单位为dB（分贝）。可表示为：

     SPL=20·logP_S/P₀

     式中：P₀—参考声压，其值为0.0002μbar(该值为1000Hz时，人耳可听见的最低声压。
         P_S—被测点声压，μbar。

    2.声音加权网络（SoundWeighting Networks）

     加权网络基于所测量的声音应与所期望的频率响应相一致。研究环境噪声，广泛A—加权网络。它被设计成人耳能感觉的频率的频谱，单位为dB（A）。

    3.闪蒸（Flashing）

     当流体流经调节阀的节流流道后，压力下降到等于或小于其饱和蒸汽压，使其部分液体气化的现象。

    4.空化（Cavitation）

     当液体出现闪蒸，但离开节流流道处压力恢复到其饱和蒸汽压以上，气泡产生破裂，冲击损坏阀内件的现象。

    三、噪音的主要来源及其预估方法

    调节阀噪声主要分为阀内件的机械噪声和流体噪声。

    1.阀内件机械噪声

     阀内件机械噪声是由调节阀内的部件对流经调节阀的湍流所造成的。涡流和湍流冲击阀部件，能够引起振动，波及邻近表面产生噪音，其频率小于1500Hz，具有一种音调的特性。如果这种振动接近阀芯和阀杆组合的固有频率，就会产生共振。Masoneilan调节阀很少发生机械振动噪音，因为他推出了上部导向和套筒导向式调节阀。万一发生机械振动噪音，就必须采取措施，消除造成共振的条件，一般采用提高加工精度、减小配合间隙，加大阀杆尺寸、减小阀芯质量或改变流向等，这些措施的目的主要是改变零部件的固有频率，消除彼此之间激发共振的频率。

    2.流体噪声

     流体噪声可分为流体动力噪声和气体动力噪声两种。

     流体动力噪声主要来源于三种流动状态：流体流动噪声、闪蒸噪声和气蚀噪声。

     1）流体流动噪声指液体在阀的节流过程中始终保持液态，其噪声一般是由液体应力或湍流直接冲击调节阀和管道产生的。这种噪声通常在90dB（A）以下，设计中可以不考虑。

     2）闪蒸是液体经阀节流后变为混合的气、液两相流。其噪声主要来源于两相流的减速和膨胀。目前没有正式的公式来计算闪蒸噪声

     3）气蚀噪声是流体噪声的主要来源。噪声是由气蚀过程中气泡破裂而产生的。当节流处的压力小于液体入口温度对应的蒸汽压PV时，液体开始气化并产生气泡。离开节流处的气液两相流的压力逐渐恢复，当压力大于PV时，气泡被压破。被压破气泡的局部压力可达到6500kgf/cm2,如此高的压力冲击阀内件就会产生很高的噪声和振动，同时导致阀内件极严重的气蚀现象。气蚀噪音是一般超过有关有关规定限度的唯一形式的液体动力噪音。

     那么如何判断是否产生气蚀呢？一般调节阀上的DP小于气蚀起始压降DP起始，阀不产生气蚀。而

     DP_起始=K_C（P₁-P_V）                                  （1）

     式中：K_C——阀起始气蚀系数，（见图1）；
         P₁——阀前压力，bar（绝）；
         P_V——阀入口处液体温度的饱和蒸汽压，bar（绝）。

图 1

      当DP≥DP_起始时，意味着阀开始产生气蚀。设计者必须对阀的噪声进行预估，并对阀内件的结构、材质作慎重考虑。

     气体动力噪声是调节阀噪声的主要来源。它是可压缩流体（气体、蒸汽）节流过程中，机械能转化为声能的直接结果。其转化的比率称为声学效率h，是与调节阀前后压力比P₁/P₂有关的一个物理量。在不同的C_f（调节阀的压力恢复系数）时，普通调节阀的h和P₁/P₂的关系如图2。

     基本上，在阀体节流的最小断面处，压缩流体速度小于音速时，其噪声主要来源于气流断层中的强烈湍流；当其大于音速时，噪声除来源与断层湍流之外，还增加了临界流速产生的冲击波的噪声，压缩流体速度愈快，噪声愈大，并对阀内件的破坏也就愈大。

     阀噪声的预估方法与阀产生噪声的原因是密切相关的。下面就以美国Masoneilan公司提供的计算法和图表来预估噪声。

    1.流体动力噪声计算公式

     根据式（1）计算DP_起始值。

     如果：DP≤DP_起始，表示只产生液体流动噪声，计算公式为：

     SL=10·logC_V+20·logDP-30·log(t)+70.5                        (2)

     如果：K_C（P₁-P_V）f²（P₁-P_V），表示产生初始气蚀噪声，计算公式：

     SL=10·logC_V+20·logDP+DP...log14.5(P₂–P_V)–30·log(t)+70.5       （3）

     如果：DP>C_f²（P₁-P_V）且P₂>P_V，则说明产生全气蚀噪声。计算公式从公式（3）中减去下列一项：

    5·log(DP-C_f²（P₁-P_V）)+6                                         (4)

     式中：SL—指距阀下游1米并且离管道表面1米处，测量的A—加权网络声级，dB(A)；
          C_V—额定流量系数；
         t—下游管道壁厚；
         C_f—实际开度的阀压力恢复系数（见图3）；
         P₂—阀后压力，bar（绝）；

     上面各式中C_f和K_C值可查考表1

    2.空气动力噪声计算公式

    （1）气体（不包括蒸汽）

      SL=10log[2.6×10⁵C_VC_fP₁P₂D_2ηT/t³]+SL_g                     (5)

    （2）蒸汽

      SL=10log[5.8×10⁷C_VC_fP₁P₂D_2η(1+0.00126T_sh)/t³]             (6)

      式中：D—下游管道直径
          T—绝对温度，K
          T_sh—过热温度，℃
          SL_g—气体特性系数（见表2）

       C_f、K_C值

 

阀型 （100%开度）	流开		流关
	Cf	Kc	Cf	Kc
单座、双座抛物线阀芯	0.90	0.65	085	0.58
单座、双座减流量阀内件	0.90	0.65	0.80	0.52
单座、双座V型阀芯	0.98	0.80	0.98	0.70
套筒阀			0.90	0.65
单座、双座针型阀内件	0.80	0.64	0.50	0.23
分离阀体	0.75	0.46	0.80	0.51
角阀、文丘里阀型	0.90	0.65	0.48	0.17
角阀抛物线阀芯	0.89	0.64	0.81	0.53
Y形阀	0.75	0.46	0.75	0.46
蝶阀（60%开度）	0.58	0.32	0.58	0.32
球阀、节流型	0.60	0.24	0.60	0.24

表2

 

图2

    四、阀噪声的预防和降低和措施

     了解了阀噪声产生的原因之后，就可以针对不同工况具体分析并采取措施给予防止和降低。

    1.流体动力噪声的预防和降低

     流体动力噪声主要来源于闪蒸、和气蚀。避免了气蚀就降低了噪声。分析公式（1）和（3）可知，采取以下措施使其DP起始就可以防止阀内产生气蚀。

    （1）选用C_f、K_C值大的阀门。
    （2）改变阀的流向提高C_f值
    （3）提高阀前压力P₁。

     如果由于工艺条件所限，气蚀不能避免是，就要选用抗气蚀调节阀，如选用多级阀芯来分散压降，避免气蚀产生。Masoneilan公司研制了一种高压抗气蚀阀，阀芯如图4（参考Masoneilan可变阻流阀芯产品样本）。 

图 3

    2.气体动力噪声的预防和降低

     气体动力噪声的预防与降低措施由以上分析可知，噪声主要与流速有关。这种噪声不但产生在阀的节流处，而且当阀出口口径较小时，可压缩性流体在阀下游的压力扩张，就可以使流速达到声速，从而产生冲击波导致噪声的增加.可以通过声源处理方法(防止噪音的发处生)或管道处理方法(管道隔绝法、消音器此外，或提高管道的标号)来减低或消除空气动力噪音。由于声音一旦发生，实际上就不衰减地在下游管道里传播，因此，声源处理方法是常用的方法。

     声源处理方法：主要是选用低噪声阀代替一般调节阀。其阀内件的结构形式基本分两类。一类是多孔型阀芯；一类是多级将压型阀芯。前者是在阀内件套筒和柱塞上钻许多按一定规律分布的小孔。减小流体通过是的喷射体积，从而降低机械能转化为声能的效应。另外，较小的涡流可将流体产生的声能移到较高的频率，使人不易感到噪声的存在。后者利用摩擦原理降低流速。而且，它的流径设计成逐渐增加流径面积，达到减小流速的目的。

      一般在工程选用的调节阀的预估噪声大于90分贝是，就要选用低噪声阀。

      管道处理方法：即对阀下游管道系统的处理。其方法有三种

    1.使用消音器

      消音器只要直接安装在控制阀的下游，就能有效减低控制阀的噪音。不过，在使用消音器时，经常会遇到一些题。首先，消音器要有效，就需要低流速。但低流速却往往使消音器显得无实用价值，特别是在大流量系统中更是这样。其次，音响要素经常和流体介质不相配合。第三，操作条件可能大恶劣。

    2.提高管道的标号

      增加下游管道的管壁厚度，能够有效减低控制阀的噪音。不过，由于噪音一旦产生，并不迅速沿着下游管道长度消散，因此，这一方法一般必须用在整个下游系统上。

    3.管道隔绝法

      这一方法，和增加管道管壁厚度的方法一样，也能够有效减低所发出的噪音。不过，必须注意三个限制。第一，和改变管道标号的方法一样，隔绝法也必须用在整个下游系统上。第二，必须细心安装隔绝材料，免得材料变成“无效用”，以至严重减低这一方法的有效性。第三，一般用于管道系统的隔热方法，其减低噪音的有效性是有限的。因为合适的材料往往不适用于高温，所用的粘合剂可能熔化，从根本上改变了本身的音响质量和热力特性。实际应用上，由于声音从阀盖和上部装置“漏出”，最大限度只能减小11-12分贝(A)。

    五、结束语

      通过分析Masoneilan公司调节阀噪声的预测和控制，引用其成熟经验和理论，其目的是了为更好的开发和应用国产调节阀。

 

摘自互联网