调节阀噪音计算

一、前言 众所周知，由于噪声对人体的健康有害，因此，需要设法限制工业装置所产生的噪声的强度。1970年，美国《职业保护和健康条例》规定了工作场所的zui大允许声级：每天工作八小时的地方，声级不允许超过90dB（A）；每天工作六小时的地方；声级不允许超过92dB（A）等等。到目前为止，作为工业设计时的一个依据。 要设法限制噪声，首先就要预先估计出可能产生的噪声之强度。调节阀是炼油、化工等工业装置中一个重要的噪声源。因此，在设计中选用调节阀时，应预先估算出它可能产生的噪声之强度，以便采取相应的措施。目前，我国对于调节阀噪声的研究工作只是刚刚开始，还没有标准的计算方法。本文介绍西德机器制造业协会（VDMA）标准对调节阀噪声的估算，供大家参考。 二、噪声计算中的几个名词术语 1、有效声压 有效声压是声场中一点上的瞬时声压在一个周期内的均方根值，故又称为均方根声压，简称声压，单位是μdB（A）（即微巴）。 2、一个声压级（SPL） 一个声音的声压级，等于这个声音的声压和基准声压之比的常用对数值再乘以20，即 SPL=20lg ＊ P/P0 式中： P —— 有效声压，μbar；P0 —— 基准声压，在听觉量度或空气中声级量度中，取P0=2＊10-4 μbar；SPL—— 声压级，dB3、声级 声级是指位于声场中的某一点上，在整个可以听得见的频率范围内和在一个时间间隔内，频率加权的声压级。声级是用来衡量噪声大小的一个基本量。A声级是以声级计的A网络测得的声压级，单位是dB（A），称为分贝A——加权（Decibel A-wighting）。 本文所介绍的计算方法，系基于已经标准化的试验方案之试验结果。在这和标准化的试验方案里，调节阀装在各向同性的、均匀声场内的直管道中，管道的耐压等级为PN40（参见三之3）。声级计放在调节阀出口法兰的平面内，距管道外壁1米处。计算的结果，即为该情况下的声级。 三、噪声估算公式 1、适用于液体调节阀噪声的估算公式 当介质为液体，在调节阀前后的差压（△P=P1-P2）增大到某一数值的时候，便会由于出现闪蒸、空化现象，而使噪声的声级急剧上升。开始出现空化的点即称为临界点，它所对应的差压即称为临界差压。以此为界，可以把工作状态分成临界差压和亚临界两种，二者的噪声估算公式也不同。（1） 无空化的情况（XP≤Zy） LA = 10LgKv+18Lg（P1-Pv）-5Lgρ+18Lg（XE/ZY）+40+△LF （1） 式中：XF — 液体的压力比，XF=△P/（P1-Pv）=（P1-P2）/（P1-Pv）△P—— 调节阀前后的压差，bar P1 —— 阀前绝压barP2 —— 阀后绝压，barPV —— 液体的蒸气压，绝压bar，水的蒸汽压示于图1

图1 水的蒸汽压

ZY —— 调节阀开度为Y时的Z值（见图2），它是用来说明是否发生空化的一个参数当△P ≤ ZY（P1-PV）时无空化现象发生当△P > ZY （P1-Pv）时有空化现象发生当△P = ZY （P1-Pv）时开始产生空化现象，此差压称为临界差压，记为△PK

图2 是否发生空化的ZY

Z —— 由调节阀型号决定的阀门参数，其数值由阀门制造厂用图线或表格的形式提供； 常用调节阀的Z值如下：旋转球阀 0.1~0.2 蝶阀 0.15~0.25标准单座阀或双座阀 0.3~0.5低噪声阀 0.6~0.9Y —— 阀的开度，Y=KV/KVS；Kv—— 阀的流通能力；KVS— 阀的开度为100%（即zui大流量）时的KV值，m?/h；LA—— 噪声的声级，dB（A）； ρ —— 液体的密度，kg/m?，水的密度示于图3

图3 水的密度

△LF— 由调节阀型号和阀的开度Y=0.75时的压力比XF决定的校正量。它反映了调节阀的声学特性，dB（A）标准单座阀或双痤阀的△LF=0时，低噪声调节阀的△LF曲线由制造厂提供（如图4）。

图4 低噪声调节阀的声级校正量△LF

（2）有空化的情况（XF>ZY） LA = 10LgKv+18Lg（P1-Pv）-5Lgρ+29Lg（XF-ZY）0.75-（268+38ZY）＊（XF-ZY）0.935+40+△LF （2） 式中各符号的意义全部同前。对应于zui大声级的差压比记为XFM，当XFM≤1.0其值可按下式计算:XFm=0.48 + 0.72 ZY （3） 若以XFM取代式（1）、（2）的XF，则即可取zui大声级LAM。 2、适用于气体和蒸汽调节阀噪声的公式 LA = 14LgKv+18LgP1+5LgT1- 5Lgρ+20Lg（P1/P2）+52+△LG （4） 式中： LA—— 噪声的声级，dB（A）；KV—— 阀的流通能力；P1—— 阀前绝压，bar；P2 —— 阀后绝压，bar；T1 —— 阀前流体的温度，oKρ —— 流体的密度（气体取标准状态下的密度 ρN，水蒸汽取ρ≈0.8），kg/m?；△LG— 由调节阀型号和阀的开度Y=0.75时的压力比X=（P1-P2）/P1决定的校正量，dB（A）； 标准单座阀和双座阀的△LG小到可以忽略不计，低噪音调节阀△LG曲线由制造厂提供（例如图5）。

图5 低噪声调节阀的声级校正量△LG

与管壁厚度S有关的校正量△RM。 在上述式（1）、（2）和（4）中，实际上包含着一个压力额定值为PN40的管道平均衰减量，如果实际使用的管道之压力额定值不是PN40，那么在计算噪声的声级时，在式（1）、（2）和（4）中就应再加上校正量△RM一项进行修正。 △RM可以用下式计算： △Rm=10Lg（S40/S） （5） 式中： △RM—— 与管壁厚度S有关的校正量，dB（A）S40 —— PN40的管壁厚度，mmS —— 实际使用的管壁厚度，mm西德成批生产的钢管，其△RM值如下表所示：

与管壁厚度S有关的校正量△RM

4.估算方法的使用范围及结果的度 （1）该估算方法只考虑了在封闭管道系统中的流体动力学噪声，而并不包括调节阀内部可动部件产生的响声，以及在固体材料中传播的声音，或由于某种原因反射和共振造成的声音放大效应。（2）当测试条件与标准化试验方案有差别时，则应按DIN 458635 BLatt 1进行修正。 （3）调节阀出口处以及管道中的流速不应超过下列极限值： 液体 或 ω≤10式中： ω—流速，m/s；其余符号意义同前。 气体和蒸汽 ω≤0.3ωs 式中： ωs—音速。 （4）1 < KV < 6000 0.01 < X或XF < 1.0（X为气体或蒸汽的压力比）LA > 20dB（A）（5）声级的计算结果存在一个10dB（A）的偏差带。 5、计算举例 例1 已知 流体 水 流量 Q=90m?/h工作温度 t=120℃要求的KV值 KV=50 m?/h 入口压力（绝压） P1=7bar出口压力（绝压） P2=4 bar管道压力额定值 PN40计算采用西德SAMSON工厂生产的单座调节阀，口径为DN80，从工厂提供数据表中查得KVS=80 m?/h ，Z=0. 25。 （1）求出阀的开度Y=KV/KVS=50/80=0.625；由Y=0.625及Z=0.25,从图2中查得ZY=0.28； （2）由t=120℃ ,从图1中查得水的蒸汽压PV=2 bar； （3）求出压力比； （4）由t=120℃，从图3中查出水的密度ρ=940kg/m?； （5）对于标准的单座调节阀△LF=0； （6）∵XF=0.6，ZY=0.28，即XF>ZY，∴该调节阀噪声的声级LA应采用式（2）计算： LA = 10LgKv+18Lg（P1-Pv）-5Lgρ+29Lg（XF-ZY）0.75-（268+38ZY）＊（XF-ZY）0.935+40+△LF = 10Lg50+18Lg（7-2）-5Lg940+292＊（0.6-0.28）0.75-（268+38＊0.28）＊（0.6-0.28）0.935+40+0= 17+12.6-14.9+124-97+40= 81.7dB（A）例2 已知 流体 合成气 流量 Q=40000 m?/h 入口压力（绝压）P1=12.5bar出口压力（绝压）P2=2.5 bar入口温度 T1=393oK标准状态下密度 ρN=0.7 kg/m? 要求的KV值KV= 200m?/h管道压力额定值PN40计算 采用西德SAMSON工厂生产的251型标准单座调节阀，口径为DN150，从工厂提供的数据表中查出KVS=360m?/h；标准单座阀的校正量△LG可以忽略不计，即△LG≈0；则该项调节阀噪声的声级LA用式（4）计算如下： LA = 14LgKv+18LgP1+5LgT1- 5Lgρ+20Lg（P1/P2）+52+△LG= 14Lg200+18Lg12.5+5Lg393- 5Lg0.7+20Lg（12.5/2.5）+52+0= 32.2+19.8+13+0.775-3.12+52= 114.6dB（A） 四、声级的图解法 1、适用于液体调节阀噪声的图解法 液体调节阀噪声的声级LA可以表示为几项之和： LA = LAIF+LA2F+LA3+△LF （6） 式中： LA1F— 液体调节阀由（P1-PV）决定的声级（可由图6查出），dB（A）；LA2F— 液体调节阀由XF及ZY决定的声级（可由图7查出），dB（A）LA3 — 液体调节阀由ρ决定的声级（可由图8查出）dB（A）△LF— 意义同前。

图6 液体调节阀由（P1-Pv）决定的声级LA1F

图7 液体调节阀由XF及ZY决定的声级LA2F

图8 液体调节阀由ρ决定的声级LA

前述之例1可应用图解法求解如下： （1）从图1查得t=120℃时，水的蒸汽压PV=2bar； （2）由P1- PV= 5bar及KV=50，从图6查得LA1F=53.5 dB（A）； （3）由△P=P1- P2=7-4=3bar，及P1-PV=5 bar，从图7查得XF=0.6；在图7上半部分，由XF=0.6及ZY=0.28（参见原例1，系从图2中查出），即可查出LA2F=28 dB（A）（4）由t=120℃，从表3中查出水的密度ρ=940kg/m?；再由图8查出LAB≈0.1dB（A），该值很小，故可以忽略不计； （5）标准单座阀，△LF=0； （6）该调节阀噪声的声级LA为： LA = LA1F + LA2F + LAS +△LF= 53.5+28+0= 81.5 dB（A）结果与估算值81.7 dB（A） 相差无几。 2、适用于气体和蒸汽调节阀噪声的图解法 气体和蒸汽调节阀噪声的声级LA亦可以表示为几项之和： LA = LA1G+LA2G+LA4+△LG （7） 式中： LA1G—气体和蒸汽调节阀由P1决定的声级（可由图9查出）dB（A）LA2G—气体和蒸汽调节阀由X决定的声级（可由图10查出）dB（A）LA4—气体和蒸汽调节阀由ρN决定的声级（可由图11查出）△LG意义同前。

图9 气体和蒸汽调节阀由P1决定的声级LA1G

图10 气体和蒸汽调节阀由X决定的声级LA2G

前述之例2可应用图解法求解如下： （1） 由P1=12.5bar及Kv= 200m?/h，从图9中可以查出LA1G=105dB（A）； （2） 由△P=P1-P2=12.5-2.5=10bar及P1=12.5bar，从图10可查出压力比X≈0.8； 在图10上半部，由X=0.8的垂线和曲线的交点，可以查出LA2G=7dB（A）； （3）由ρN=0.7kg/m3及t=120℃（由393oK-273），从图11可查出LA4=2dB（A）；

图11 气体和蒸汽调节阀由ρN决定的声级LA

（4）标准单座阀，△LG=0； （5）该调节阀噪声的声级LA为： LA = LA1G+LA2G+LA4+△LG = 105 + 2 +0= 114dB（A）结果与估算值114.6dB（A）亦相差无几。 参考文献[1]《Translation of theNationalGermanpaperVDMA 24422 guidelineforthenoisecalculation》;[2]《 Sound level calculations for control sections 》 ReprinefromATM-Meβtechnischepraxis2/1976 P51~54, 3/1976 P83~86;[3] 西德SAMSON厂产品说明书；[4] 《Control valve Handbook》 Fisher controls Company,1977[5]《物理学常用单位制》姜衍智编 上海科技出版社出版，1964；[6]《普通物理学》上册 上海高等工业学校物理学编写组 人民教育出版社出版