标题调节阀噪音计算

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》规定了工作场所的最大允许声级：每天工作八小时的地方，声级不允许超过90dBA；每天工作六小时的地方；声级不允许超过92dBA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μdBA（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，dB
3、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dBA，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bar
P2 —— 阀后绝压，bar
PV —— 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 0.6~0.9
Y —— 阀的开度，Y=KV/KVS；
Kv—— 阀的流通能力；
KVS— 阀的开度为100%（即最大流量）时的KV值，m³/h；
LA—— 噪声的声级，dBA； 
ρ —— 液体的密度，kg/m³，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，dBA
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。对应于最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，则即可取最大声级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，dBA；
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，oK
ρ —— 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/m³；
△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，dBA；
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=10LgS40/S （5）
式中：
△RM—— 与管壁厚度S有关的校正量，dBA
S40 —— PN40的管壁厚度，mm
S —— 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精确度
（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 > 20dBA
（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=90m³/h
工作温度 t=120℃
要求的KV值 KV=50 m³/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 m³/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/m³；
（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 m³/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/m³ 
要求的KV值KV= 200m³/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=360m³/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），dBA；
LA2F— 液体调节阀由XF及ZY决定的声级（可由图7查出），dBA
LA3 — 液体调节阀由ρ决定的声级（可由图8查出）dBA
△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 dBA；
（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 dBA
（4）由t=120℃，从表3中查出水的密度ρ=940kg/m³；再由图8查出LAB≈0.1dBA，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 dBA
结果与估算值81.7 dBA 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）dBA
LA2G—气体和蒸汽调节阀由X决定的声级（可由图10查出）dBA
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= 200m³/h，从图9中可以查出LA1G=105dBA；
（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=7dBA；
（3）由ρN=0.7kg/m3及t=120℃（由393oK-273），从图11可查出LA4=2dBA；

图11 气体和蒸汽调节阀由ρN决定的声级LA