李 達(dá)，阮學(xué)云，吳啟富(.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 300；.南京開拓環(huán)保科技技術(shù)有限公司，江蘇 南京 0000)

0 引言

在工業(yè)企業(yè)中，風(fēng)機(jī)作為重要的噪聲源之一，一直受到人們的關(guān)注。如何有效地降低風(fēng)機(jī)的噪聲，是重要研究方向之一。目前，風(fēng)機(jī)比較成熟的噪聲控制方案是安裝消聲器，通常采用的大多是直管消聲器，對(duì)于一些空間有限，需要改變排風(fēng)口方向的特殊情況下，就需要一款帶彎頭的消聲器，一般采用L型消聲器。目前已有的消聲器大多是是靠工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而沒有系統(tǒng)的理論計(jì)算。

本文將以收塵器為研究對(duì)象，研究排風(fēng)口噪聲特性，在重點(diǎn)研究了風(fēng)機(jī)噪聲的控制方法上，設(shè)計(jì)一款L型消聲器，希望能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)降噪提供有效參考。

1 風(fēng)機(jī)噪聲特性測試及分析

1.1 測試說明

本文將使用愛華聲級(jí)計(jì)來測量噪聲源的頻譜，在噪聲測量中，測點(diǎn)的布置也尤為重要，直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測量過程中噪聲測點(diǎn)將選取3個(gè)測點(diǎn)，一個(gè)布置在距離排風(fēng)出口平面1 m，高1.2 m處。一個(gè)布置在排風(fēng)口軸線45°方向上，距管中心1 m，高1.2 m處。一個(gè)布置在排風(fēng)口中線上，距出口平面1 m，高1.2 m處[1]。對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，來簡單的作為噪聲源的頻譜，防止數(shù)據(jù)的單一性存在誤差。

1.2 噪聲源分析

風(fēng)機(jī)的噪聲源可分為三個(gè)部分：一是電機(jī)本身的噪音：電機(jī)噪音與功率成正比。由于循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量較大，需要采用較大功率的電機(jī)，從而導(dǎo)致電機(jī)噪音較大；二是風(fēng)機(jī)葉輪：葉輪葉片攪動(dòng)空氣從而形成氣流，使得空氣快速流動(dòng)產(chǎn)生噪音，這個(gè)噪聲與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，噪聲越大；三是機(jī)械振動(dòng)：葉輪主軸快速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于配合和精度問題會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的噪音。在三個(gè)噪聲中，氣流噪聲最為明顯。圖1為噪聲源頻譜圖。

根據(jù)圖1噪聲源頻譜可知，風(fēng)機(jī)噪聲在200～2000 Hz范圍內(nèi)噪聲都比較大，屬于一種寬頻噪聲，然而一般阻性消聲器針對(duì)中高頻消聲效果較好，消聲彎頭在500 Hz有較好的消聲效果，抗性消聲器中低頻消聲效果比較好。根據(jù)我們需要消聲的頻率段及各種消聲器的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一款組合式L型消聲器。

圖1 噪聲源頻譜

2 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，由于風(fēng)機(jī)一般安裝在房間里面，而排風(fēng)口在墻體外邊，對(duì)外邊影響較大。因此本設(shè)計(jì)只考慮排風(fēng)口安裝消聲器達(dá)到抑制風(fēng)機(jī)噪聲傳播的目的。由于風(fēng)機(jī)排風(fēng)口噪聲高、風(fēng)量大、頻帶寬，因此本文選用阻性消聲器方案。

2.1 聲波在阻性管道的衰減

其中：L-消聲器的通道斷面周長(m)；S-消聲器的通道有效橫截面積(m2)；l-消聲器的有效部分長度(m)。

消聲系數(shù)φ(α0)與材料的吸聲系數(shù)α0的換算關(guān)系，具體參考文獻(xiàn)[2]。

其中：p1-進(jìn)氣口處入射聲壓；p2-排氣口處透射聲壓；Ain-入口橫截面積；Aout-出口橫截面積。

2.2 消聲器參數(shù)確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 消聲量

根據(jù)現(xiàn)場降噪要求，在實(shí)際工程噪聲控制中，一般要求消聲器消聲量在25 dB(A)。

2.2.2 其他參數(shù)確定

根據(jù)阻性消聲器的設(shè)計(jì)步驟，為減少空氣在消聲器中的流體壓力損失，流體通道的周長面積比為13.33；有效長度為1.5 m；內(nèi)部填充的材料為超細(xì)玻璃棉，綜合吸聲系數(shù)達(dá)到0.94以上，對(duì)應(yīng)φ(α0)為1。

通過公式(1)估算出，1.5 m的直通阻性消聲器的消聲量為20 dB(A)?？紤]到安裝，需對(duì)排風(fēng)口消聲器設(shè)計(jì)一個(gè)彎頭，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，消聲彎頭可以格外增加5 dB(A)以上的消聲效果。考慮到1.5 m的消聲器過高，將設(shè)計(jì)成L型，其中短端設(shè)計(jì)0.5 m，長端設(shè)計(jì)長1 m，中間通過消聲彎頭連接。

2.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與其他參數(shù)相同，改變形狀的原則。設(shè)計(jì)了3種消聲器，如圖2所示，方案1為L型插片式消聲器，方案2為L型蜂窩式消聲器，方案3為L型插片蜂窩式消聲器。

圖2 消聲器三位模型圖

消聲器殼體用1.5 mm鋼板制作；殼體內(nèi)側(cè)用0.6 mm穿孔板制作(穿孔率30%)；內(nèi)部填充超細(xì)玻璃棉，其孔隙率為0.95，流阻為18500 Pa·s/m2，填空密度48 kg/m3，吸聲材料護(hù)面結(jié)構(gòu)為0.6 mm厚穿孔板。

3 消聲器聲學(xué)仿真及分析

本文采用Virtual.lab軟件進(jìn)行有限元聲學(xué)分析，通過軟件計(jì)算得到進(jìn)出口聲壓量，再經(jīng)過公式計(jì)算得到傳遞損失曲線。以傳遞損失曲線來作為消聲器的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種方案進(jìn)行分析。

3.1 建模與網(wǎng)格劃分

消聲器中內(nèi)板為穿孔板，考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算速度，建模中不考慮穿孔板。在設(shè)定網(wǎng)格大小時(shí)，一般需要保證一個(gè)聲波波長可以包含6個(gè)單元網(wǎng)格，才可以滿足計(jì)算要求[3]。因此，本文模型網(wǎng)格大小設(shè)置為14 mm，計(jì)算有效頻率為2000 Hz。并運(yùn)用SolidWorks建立三維模型，再將三維模型導(dǎo)入icem中進(jìn)行網(wǎng)格處理，最后將畫好的網(wǎng)格導(dǎo)出。

3.2 邊界條件設(shè)置

將網(wǎng)格并導(dǎo)入Virtual.lab軟件中的acoustics模塊運(yùn)用Acoustics Harmonic FEM分析。在Acoustics Harmonic FEM中制作聲學(xué)有限元網(wǎng)格、定義網(wǎng)格類型、設(shè)置材料及屬性、設(shè)置邊界條件等，然后進(jìn)行求解。在Virtual.lab中對(duì)消聲器的邊界條件設(shè)置入口邊界條件：入口振動(dòng)速度1 m/s；出口邊界條件：出口一般為無反射邊界條件，值為416.5 kg/m2·s；邊界條件：消聲器內(nèi)板為穿孔板，采用導(dǎo)納傳遞來代替穿孔板。

3.3 仿真結(jié)果分析

本文以兩種傳統(tǒng)式L型消聲器及一種L型組合式消聲器為研究對(duì)象，通過Virtual.lab軟件中進(jìn)行聲學(xué)分析，得到消聲器進(jìn)出口聲壓，并進(jìn)行后面的數(shù)據(jù)處理從而得到三種消聲器傳遞損失曲線并分析。本節(jié)分析頻率范圍為100～2000 Hz，頻率間隔為50 Hz。圖3為消聲器在1000 Hz頻率下的聲壓分布云圖。由圖3可知三種方案中，組合式消聲器的出口聲壓比前兩個(gè)方案明顯減少。

圖3 消聲器在1000 Hz頻率下的聲壓分布云圖

圖4為3種方案傳遞損失對(duì)比結(jié)果。由圖4可知，方案1 L型插片式消聲器低頻消聲效果較好，但是在1200 ～1400 Hz范圍之間效果較差，不太適合用于消聲寬頻的設(shè)計(jì)要求；方案2 L型蜂窩式消聲器，高頻消聲效果較好，但是在100 ～200 Hz范圍內(nèi)消聲不太理想，也不符合設(shè)計(jì)要求；方案3 L型組合式消聲器，彌補(bǔ)了方案1和方案2的缺點(diǎn)，有良好的寬頻消聲效果，而且風(fēng)機(jī)出口的頻率范圍主要在100～2000 Hz內(nèi)，方案3消聲效果明顯優(yōu)于方案1、方案2。

圖4 三種方案傳遞損失曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過Virtual.lab軟件對(duì)3種方案的消聲器進(jìn)行仿真分析并對(duì)比，可以得到方案3比方案1、方案2都好。本節(jié)將針對(duì)方案3制作實(shí)物，并進(jìn)行現(xiàn)場測試，測量方案的效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測點(diǎn)布置與噪聲源數(shù)據(jù)采集測點(diǎn)布置相同。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)由表1所示。

表1 降噪量倍頻程

由表1可知，安裝消聲器后在1000 Hz降噪量達(dá)到24.3 dB(A)，現(xiàn)場測試降噪量為23.9 dB(A)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

本文對(duì)風(fēng)機(jī)的噪聲特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并開展了消聲器方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。通過仿真分析及試驗(yàn)證明，加裝出口消聲器方案，可有效改善產(chǎn)品噪聲水平，并得出以下結(jié)論：

L型蜂窩式消聲器在100～200 Hz范圍內(nèi)的低頻消聲效果較差；

L型組合式消聲器，擁有插片及蜂窩兩種消聲器的優(yōu)點(diǎn)，可以在100～2000 Hz范圍的頻率內(nèi)有較好的消聲效果；

設(shè)計(jì)的L型組合式消聲器的降噪量達(dá)到23.9 dB(A)，能有效地降低風(fēng)機(jī)排風(fēng)口噪聲。