賈興仕,李 勇,張洪軍

(1.中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018；2.香港大學 浙江科學技術研究院,浙江 杭州 311300；3.溫州大學 機電工程學院,浙江 溫州 325000)

隨著人民生活水平的日益提高，抽油煙機逐漸成為必不可少的家用電器之一。目前我國的抽油煙機總體聲功率級一般不大于68 dB[1]，但由于廚房空間較小，經(jīng)過墻壁反射，抽油煙機產(chǎn)生的噪聲依舊是廚房噪聲最主要來源。抽油煙機的噪聲主要來自風扇本身的氣動噪聲和結構機械噪聲，其中氣動噪聲及其引起的氣-固耦合噪聲為其主要噪聲來源[2]。目前對抽油煙機的降噪研究主要有兩個方向：1)通過優(yōu)化風機結構和改善風扇設計實現(xiàn)主動降噪?；谶@種思路，馮琪[3]等人通過優(yōu)化風機口的進出口角度改善流動，從而實現(xiàn)降噪。陳朝暉[4]等人通過改變蝸舌間距來降低抽油煙機噪聲。肖彪[5]等人分析了離心風機出風不均的原因，并對蝸殼進行優(yōu)化設計來降低噪聲。由于要以保證油煙機風量和風壓為前提，以及工藝條件等限制，目前進一步改善降噪效果已很不易。2)通過隔聲、吸聲的方式進行被動降噪。周睿[6]等人通過在入風口設置雙層結構油網(wǎng)來進行隔聲。張立強[7]等人通過在抽油煙機內(nèi)部流場構建微穿孔導流罩來進行吸聲處理。采用吸聲、隔聲的辦法降噪在目前抽油煙機設計方面應用不多，還有一定的潛力。

文中通過在抽油煙機進風通道加裝穿孔板和多孔吸聲材料相結合的聲襯，用以吸收風扇運行等產(chǎn)生的噪聲。研究中設計了吸聲通道內(nèi)襯結構，并對改造前后抽油煙機的噪聲進行測試分析。

1 抽油煙機吸聲降噪方案

1.1 吸聲流道結構

常規(guī)抽油煙機結構和工作原理如圖1(a)，抽油煙機內(nèi)裝一鼠籠式離心風機提供抽力，將廚房油煙通過進風收集器從進風口吸入后，從離心風機的兩側進入風機，從出風口排出。為了增加通道長度，在不影響離心風機的正常工作的情況下，將離心風機旋轉90°，讓氣流從離心風機的單側進氣(圖1(b))，并在進風通道內(nèi)部加裝由穿孔板和吸聲材料構成的聲襯結構。

通常來說，抽油煙機的噪聲頻譜主要分布在中低頻段，并且為寬頻噪聲。多孔吸聲材料在中頻有較好的寬頻吸聲特點，穿孔板與壁面形成的空腔結構在低頻有較好的吸聲效果。實驗測試對象為某品牌抽油煙機，其進風筒矩形橫截面尺寸為366 mm×352 mm?？紤]到離心風機入口為直徑為212 mm的圓形入口，設計了錐形內(nèi)襯進風通道(圖1(b))。穿孔板與進風筒之間的共振吸聲空腔厚度沿軸向逐漸變化，這在一定程度上能實現(xiàn)較寬的吸聲頻帶，同時這種導流設計在保持風量的同時會減小風機入口處的湍流噪聲[8]。

圖1 抽油煙機吸聲改造示意圖

為了研究通道長度的影響，設計了兩種長度尺寸，一種與抽油煙機原型的長度一致，即錐形聲襯的長度為270 mm，直徑從212 mm變化到272 mm；另一種在現(xiàn)有長度的基礎上，將錐形聲襯延長150 mm至420 mm，直徑仍從212 mm變化至272 mm。

1.2 復合吸聲結構

本研究采用的進氣通道內(nèi)聲襯是穿孔板與多孔吸聲材料組成的復合吸聲結構，下面對這種復合吸聲結構吸聲原理進行簡單分析。

1.2.1 穿孔板共振腔

當不考慮穿孔板與通道殼體之間的吸聲材料，穿孔板與通道殼體之間組成一個聲學共振腔。穿孔板共振腔是一種常見的吸聲結構(圖2(a))，由一定穿孔率的穿孔板及其背部空腔構成，等效于多個亥姆霍茲共振器[9]并聯(lián)。當聲波進入小孔后引起穿孔板背部空腔內(nèi)的空氣振動，空氣柱在穿孔板孔頸處往復運動，通過與孔壁及氣流內(nèi)部摩擦將聲能轉化為熱能，實現(xiàn)降噪。當聲波頻率和穿孔板共振吸聲結構的共振頻率一致時，空氣柱在孔頸處的運動幅值和速度達到最大，聲能轉化為熱能也最大，吸聲系數(shù)達到最大(圖2(b))，當頻率偏離共振頻率時，其吸聲系數(shù)急劇下降。單個亥姆霍茲共振器的降噪頻帶較窄，但通過并聯(lián)不同結構的亥姆霍茲共振器就可拓寬共振器的降噪帶寬。

圖2 穿孔板共振吸聲原理

根據(jù)馬大猷先生的理論[10]，當聲波入射至穿孔板共振吸聲結構時，其吸聲系數(shù)為

(1)

其中D為穿孔板背部空腔厚度，θ為聲波入射角與法線的夾角，ω為角頻率,c為空氣中的聲速，r為相對聲阻，m為相對聲質量。

相對聲阻r

(2)

t為穿孔板厚度，p為穿孔率，d為小孔直徑，kr為聲阻系數(shù)，其中，聲阻系數(shù)

(3)

式(3)中，k為穿孔板常數(shù)，

(4)

式(4)中，f0為穿孔板的共振頻率。

相對聲質量m

(5)

式(5)中，km為聲質量系數(shù)，

(6)

為了便于分析，假設聲波垂直入射，則cosθ=1，吸聲系數(shù)為

(7)

根據(jù)穿孔板吸聲理論[11]，當聲波頻率為穿孔板共振吸聲結構的共振頻率f0時，其吸聲系數(shù)最大，并滿足

(8)

其中ω0為共振角頻率，f0=2πω0,解方程可得

(9)

由此可得，穿孔板共振吸聲結構的吸聲特性與板厚t，穿孔率p，孔徑d，背部空腔厚度D等因素有關。對此，田漢平[12]推導出共振頻率的估算公式為

(10)

上述公式表明穿孔板吸聲特性與穿孔率、孔徑、板厚等都有關系，實際上當穿孔率較大時(如25%)聲波幾乎無阻礙地穿過穿孔板，穿孔板只起到護面作用。穿孔板吸聲相對于多孔吸聲材料往往用于較低頻率吸聲。

1.2.2 多孔吸聲材料

多孔吸聲材料[13]的種類繁多，但其吸聲原理相同。當聲波入射至多孔吸聲材料時，聲波進入材料內(nèi)部的微小間隙引起內(nèi)部空氣和材料的振動，在內(nèi)摩擦力與粘滯力的作用下，聲能逐漸轉化為熱能消散掉，從而實現(xiàn)吸聲。多孔吸聲材料往往對于中高頻吸聲效果更佳。本研究中選用聚酯纖維吸聲棉作為實驗吸聲材料，其具有耐腐蝕、防水、吸聲效率高、不危害人體健康等特點。在選擇吸聲材料時，容重是影響吸聲性能的重要參數(shù)，容重較小時，吸聲材料孔徑過大，導致聲波與材料之間的相互作用不大，吸聲性能不佳；容重過大時，由于材料密度過大，聲波難以進入吸聲材料內(nèi)部，聲波在吸聲材料表面較多地被反射，亦會抑制吸聲材料的吸聲性能。張斌[14]等人對不同容重的聚酯纖維吸聲棉的吸聲性能進行試驗研究，結果顯示，容重在20～40 kg/m3之間的聚酯纖維吸聲棉均有較好的吸聲性能?？紤]到不引入太多負重，本研究選取容重為20 kg/m3的聚酯纖維吸聲棉。

1.2.3 復合吸聲結構

穿孔板共振吸聲結構在低頻有較好的吸聲效果，但是吸聲頻帶較窄，而多孔吸聲材料雖然吸聲頻帶較寬，但主要集中在中高頻。因此，采用穿孔板和多孔吸聲材料組成的復合吸聲結構，理論上會得到較佳的寬頻吸聲特性。對此，文獻[15]進行了研究，其研究結果表明(圖3)，較低聲阻抗的穿孔板護面對多孔吸聲材料的吸聲性聲能影響較小，并且會使吸聲系數(shù)峰值所在的頻率向低頻移動，復合吸聲結構具有更好的吸聲特性。

圖3 穿孔板對復合吸聲結構吸聲系數(shù)的影響[15]

在進行改造設計之前，對原抽油煙機噪聲特性進行了測試。抽油煙機的A計權聲壓級頻譜圖如圖4，可見噪聲頻帶分布較寬，從80～5 000 Hz均有較高的噪聲分布。因此，在設計復合吸聲結構時，應保證足夠的寬頻吸聲性能?？紤]到實際應用條件和保證吸聲材料的吸聲性能，選取穿孔板的基本參數(shù)為板厚t=0.8 mm，孔徑d=2.5 mm，穿孔率p=23.5%。在此基礎上，在其他參數(shù)保持不變的情況下，通過降低穿孔板的穿孔率來提高低頻吸聲能力，選取的穿孔率為p=3%、6%和12%。

圖4 抽油煙機原噪聲A計權聲壓級頻譜圖

2 實驗測試與結果分析

2.1 實驗裝置

實驗測試裝置如圖5。抽油煙機水平放置于消聲室內(nèi)，出風口通往消聲室以外，并連接一段波紋軟管以模仿實際情況。在消聲室內(nèi)使用四個GRAS40AE自由場麥克風對抽油煙機噪聲進行測試，麥克風Mic1模擬在抽油煙機的正常使用時，人耳所在的位置，位于抽油煙的正上方180 mm的位置，Mic2、Mic3、Mic4分別在距離抽油煙機進風口中心位置800 mm的球面上，其中Mic3正對于抽油煙機的中心，Mic2和Mic4左右分別偏離35°。

改造前后的油煙機抽氣流量經(jīng)測試比較接近，大約為17 m3/min。待抽油煙機運行平穩(wěn)后，麥克風開始采集信號，數(shù)據(jù)采樣頻率為40.96 kHz，共采集409 600個點，即采樣時間為10 s。

圖5 實驗測試裝置

2.2 吸聲通道長度影響

針對抽油煙機原型和長短兩種吸聲通道的改造模型進行了噪聲測試對比，測試都是在最大檔流量情況下進行的，穿孔板穿孔率均為23.5%。圖6為Mic1測得的三種情況下噪聲結果，圖6(a)為A計權聲壓級頻譜曲線，圖6(b)為累積能量頻譜曲線(將各頻率的聲功率累積作為能量累積)。圖中可見，噪聲能量主要分布在100～5000 Hz，綠色曲線對應較短吸聲通道，在400 Hz以上吸聲效果顯著，累積能量下降50%左右，100～400 Hz頻段內(nèi)吸聲效果不顯著；藍色曲線對應長吸聲通道，在整個頻段上噪聲都有較為明顯下降，累積能量降為原型的30%，更長的吸聲通道顯然有更好的吸聲效果。

圖6 Mic1改造前后噪聲頻譜對比

表1 各測點A計權總聲壓級對比

其它三個測點數(shù)據(jù)可做類似分析，噪聲頻譜與圖6類似，不在文中給出。表1列出了4個麥克風測得的各油煙機模型A計權總聲壓級，其中頻率取值范圍為20～10 000 Hz。表中數(shù)據(jù)可見，Mic3所在位置噪聲降低不明顯，其他3個位置噪聲均有比較明顯降低，長短吸聲通道的降噪量分別為3.6 dBA和3.8 dBA。表1數(shù)據(jù)也表明，抽油煙機噪聲指向性比較明顯，不同方向噪聲下降情況差別較大，但在Mic1、Mic2和Mic4三個位置方向降噪效果明顯，對于實際使用是比較有利的。就Mic1所在對廚房烹飪?nèi)藛T影響較大的位置，此處短長兩個吸聲通道模型降噪量分別達到2.8 dBA和4.7 dBA。

2.3 穿孔率影響

針對穿孔率23.5%，12%、6%和3%四種情況進行了測試，測試實驗中吸聲通道為420 mm，即長吸聲通道。圖7和圖8分別為四種穿孔率情況下的A計權聲壓級頻譜圖和噪聲能量累積曲線。圖7顯示，穿孔率23.5%對應的曲線在較高頻率段數(shù)值明顯低于其他曲線，低頻處略高于其他曲線。結合圖8的噪聲能量累積曲線可以更加清楚地觀察降噪規(guī)律，顯然，穿孔率23.5%曲線在300～1 000 Hz區(qū)域明顯高于其他3條曲線，這是由于23.5%穿孔率穿孔板在低頻段吸聲能力弱，對于200～300 Hz左右頻段的吸聲效果不佳；而在1000～8000 Hz的較高頻段，23.5%穿孔率穿孔板吸聲效果優(yōu)于其他穿孔板。

對于上述觀察可做如下解釋：穿孔板共振吸聲結構對于低頻噪聲有較好的吸聲效果，多孔吸聲材料吸聲頻帶處于中高頻。對于23.5%穿孔率的穿孔板，因為穿孔率太大，聲學共振腔效果非常弱，因此低頻吸聲效果很差，但中高頻吸聲效果好；對于其他3種較低穿孔率情況，穿孔板低頻吸聲效果得以體現(xiàn)，但由于低穿孔率阻礙了部分聲波進入后面的多孔吸聲材料，使得中高頻吸聲效果變差，整體吸聲性能反而有所下降。

各個測量點的總噪聲聲壓級列于表3，可以看到，相對于原油煙機的60.3 dBA噪聲平均聲壓級，4種穿孔率的吸聲通道吸聲水平分別達到3.8 dBA，3.5 dBA，3 dBA，2.5 dBA。

圖7 不同穿孔率下噪聲A計權聲壓級頻譜圖

圖8 不同穿孔率下能量累積圖

表2 不同穿孔率A計權總聲壓級

3 結 論

本文針對抽油煙機降噪技術進行了研究，采用在油煙機進風通道進行消聲的方法進行降噪，文中介紹了改造設計方法和實驗測試情況。主要工作和結果如下。

1)穿孔板和多孔吸聲材料相結合的吸聲聲襯可顯著降低抽油煙機噪聲，降噪量可達3.8 dBA。

2)通過延長吸聲聲襯的長度可在一定程度提高降噪能力，特別是對于Mic1位置，即烹飪?nèi)藛T所在位置降噪量更為明顯。

3)穿孔率降低可改善低頻降噪效果，但會抑制吸聲材料的中高頻吸聲，導致總體降噪量隨著穿孔率的降低而略有減小。