不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究

史慶國 李新 任盤小

摘 要：不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究，主要是研究陣列式消聲器的穿孔板穿孔率、超細(xì)離心玻璃棉容重、消聲模塊的排布、模塊的尺寸以及模塊間的縫隙對(duì)不同噪聲值噪聲消聲效果的影響。

關(guān)鍵詞：穿孔板穿孔率;超細(xì)離心玻璃棉容重;消聲模塊的排布;模塊的尺寸;模塊間的縫隙

中圖分類號(hào)：TU551 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0071-03

0 引言

在地鐵項(xiàng)目中，存在多種噪聲源，如空調(diào)機(jī)組、隧道風(fēng)機(jī)、排熱風(fēng)機(jī)、通風(fēng)風(fēng)機(jī)和列車噪聲等，它們對(duì)地鐵建筑室內(nèi)和室外的聲環(huán)境都產(chǎn)生了不利影響。地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲控制是一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，它不僅關(guān)系到是否滿足環(huán)評(píng)的要求，還關(guān)系到人們的身心健康，是建設(shè)和諧社會(huì)的一個(gè)重要因素。陣列式消聲器相比常規(guī)片式消聲器具有阻力損失較小、消聲器性能優(yōu)越、節(jié)能效果明顯及安裝方便等特點(diǎn)，在節(jié)能、環(huán)保方面具有突出優(yōu)勢(shì)，是大截面地鐵風(fēng)道、隧道、冷卻塔降噪等領(lǐng)域消聲的首選設(shè)備。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 消聲器的性能評(píng)價(jià)

消聲器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括消聲性能、空氣動(dòng)力性能及氣流再生噪聲特性等3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.1 消聲性能

消聲器消聲性能的評(píng)價(jià)通常用消聲量的大小和消聲頻帶特性來表示，消聲量主要是用倍頻帶和A計(jì)權(quán)聲級(jí)消聲量來表示。目前，我們常用的消聲器消聲量是插入損失，插入損失即消聲器安裝前、后在某給定點(diǎn)測(cè)得的平均聲壓級(jí)之差值，如下式所示：

ΔL=-

評(píng)價(jià)說明：ΔL即消聲量越大越好。

1.1.2 空氣動(dòng)力性能

空氣動(dòng)力性能是評(píng)價(jià)消聲器性能的又一重要指標(biāo)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)通常是壓力損失或壓力系數(shù)。消聲器的壓力損失是氣流通過消聲器前、后的平均全壓的差值ΔP。消聲器的阻力系數(shù)ζ是氣流通過消聲器前后的壓力損失與氣流動(dòng)壓的比值。

ΔP=-

ζ=，Pv=10

式中ΔP—壓力損失值，Pa;Pv—?jiǎng)訅褐?，Pa;ρ—空氣密度，kg/m3;v—消聲器內(nèi)平均氣流速度，m/s;g—重力加速度，m/s2。

評(píng)價(jià)說明：阻力系數(shù)ζ越小越好，表明越節(jié)能。它主要與消聲器的結(jié)構(gòu)及通過它的氣流速度v有關(guān)。

1.1.3 氣流再生噪聲

消聲器氣流再生噪聲就是當(dāng)氣流以一定的速度通過消聲器時(shí)，由于氣流在消聲器內(nèi)所產(chǎn)生的湍流噪聲（以中高頻為主）以及氣流激發(fā)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲（以低頻為主）。氣流再生噪聲的大小取決于消聲器的結(jié)構(gòu)形式和氣流速度。

1.2 影響消聲器性能的因素

1.2.1 計(jì)算公式

阻性消聲器的聲衰減量可以通過R.Rogers的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，因此陣列式消聲器和片式消聲器聲衰減量計(jì)算公式如下：

ΔL=Ф（α0）

Ф（α0）=4.34×

式中Ф（α0）—是與材料吸聲系數(shù)α0有關(guān)的消聲系數(shù);α0—正入射吸聲系數(shù);P—消聲器通道截面周長(zhǎng)，m;S—消聲器通道截面積，m2;l—消聲器的有效長(zhǎng)度，m。

通過上式，我們可以看到：（1）消聲器的聲衰減量與消聲系數(shù)成正比，消聲系數(shù)隨著吸聲材料吸聲系數(shù)的增加而增加。（2）消聲器的聲衰減量與消聲通道的周長(zhǎng)P成正比。（3）消聲器的聲衰減量與消聲器的長(zhǎng)度l成正比。（4）消聲器的聲衰減量與消聲器通道凈斷面積S成反比。

1.2.2 影響因素

根據(jù)上述公式和對(duì)公式的分析，來研究以下問題。

（1）吸聲系數(shù)：1）厚度的影響：對(duì)于阻性消聲器的吸聲材料即超細(xì)離心玻璃棉，其吸聲系數(shù)隨著厚度的增加，低頻吸聲系數(shù)有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著厚度的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨緩。因此，我們將陣列式消聲器吸聲體的厚度取為380mm，其影響吸聲系數(shù)的計(jì)算厚度為380/2=190mm;傳統(tǒng)地鐵片式消聲器消聲片的計(jì)算厚度為200/2=100mm;由于陣列式消聲器吸聲材料的計(jì)算厚度大于片式消聲器吸聲材料的計(jì)算厚度即190>100mm，因此該結(jié)構(gòu)陣列式消聲器的消聲系數(shù)大于傳統(tǒng)片式消聲器的消聲系數(shù)，則在此情況下陣列式消聲器的結(jié)構(gòu)和消聲性能較傳統(tǒng)片式消聲器是有利的。2）容重的影響：對(duì)于阻性消聲器的吸聲材料即超細(xì)離心玻璃棉，其吸聲系數(shù)隨著容重的增加，低頻吸聲系數(shù)有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著容重的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨緩。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，吸聲材料的最佳容重在32～48kg/m3，容重超過48kg/m3后吸聲系數(shù)變化較小和經(jīng)濟(jì)性較差。

（2）消聲通道的周長(zhǎng)P：我們通過設(shè)計(jì)合理的消聲器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化，從而在消聲器相同斷面尺寸上獲得更大的消聲通道周長(zhǎng)，因此來改變消聲器的消聲性能。

（3）消聲器通道凈斷面積S：一般而言，消聲器通道凈斷面積S越小，也表示消聲通道的寬度也越小和消聲性能越好。為了獲得最佳的消聲器的聲衰減量，我們希望消聲通道的寬度較小但通道面積較大，這樣對(duì)降低空氣在消聲器內(nèi)的流速和氣流再生噪聲的控制是非常有利的。

（4）消聲器的長(zhǎng)度：一般而言，消聲器的聲衰減量隨長(zhǎng)度的增加而增加。我們需要做的是提高單位長(zhǎng)度的消聲器聲衰減量，以此來獲得消聲器的經(jīng)濟(jì)性和良好的效果。

（5）穿孔板結(jié)構(gòu)：在消聲器內(nèi)吸聲材料的表面設(shè)置鍍鋅穿孔板，穿孔板的板厚、孔徑、間距、穿孔率和板后吸聲材料的厚度等都會(huì)影響吸聲系數(shù)的大小和吸聲頻帶的寬度。一般而言，當(dāng)穿孔率大于20%時(shí)，穿孔板的聲質(zhì)量很小，其聲學(xué)作用也降低了，此時(shí)整個(gè)吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性主要取決于板后吸聲材料的特性，而穿孔板僅僅成為吸聲材料的護(hù)面板。

2 不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究

根據(jù)前面的描述，我們知道陣列式消聲器的消聲性能與穿孔板的穿孔率、消聲模塊的排布、模塊的尺寸以及模塊間的縫隙及超細(xì)離心玻璃棉的容重等有關(guān)。下面我們對(duì)此做進(jìn)一步研究，探索一種最佳的匹配和應(yīng)用效果。

2.1 孔板穿孔率的影響

在采用相同容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3的230消聲模塊不變的情況下，通過改變孔板穿孔率為15%、25%和35%，分別測(cè)試在低頻、中頻、高頻的噪聲下的消聲效果，我們得到如表1和圖1數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：當(dāng)當(dāng)穿孔率大于20%時(shí)，穿孔板的聲質(zhì)量很小，其聲學(xué)作用也降低了，此時(shí)整個(gè)吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性主要取決于板后吸聲材料的特性，而穿孔板僅僅成為吸聲材料的護(hù)面板。選用孔板穿孔率為25%為最佳，對(duì)消聲性能、強(qiáng)度、平整度、經(jīng)濟(jì)性最好。

2.2 消聲模塊排布的影響

采用容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，290×290的模塊進(jìn)行測(cè)試。我們得到如表2和圖2數(shù)據(jù)：

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們知道，當(dāng)間距在120～200mm之間，阻力損失在100～30Pa之間，達(dá)到消聲性能和阻力損失的平衡最佳狀態(tài)。

結(jié)論：在阻力損失有要求的情況下，選用間距150～185為最佳，它對(duì)消聲性能、阻力損失、綜合節(jié)能最好。

2.3 消聲模塊的尺寸變化的影響

采用容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，對(duì)不同消聲模塊230×230、290×290和380×380進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試不同模塊組成的陣列式消聲器，我們得到如表3和圖3數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：當(dāng)消聲模塊增大時(shí)，陣列式消聲器的消聲性能在中、低頻率上有較大的增加。這基本符合阻性消聲器的吸聲材料即超細(xì)離心玻璃棉吸聲系數(shù)的特性，即其吸聲系數(shù)隨著厚度的增加。容重不變、孔板穿孔率不變（25%）時(shí)，消聲模塊越大低頻消聲效果越好，但超過400以上時(shí)，由于模塊大，重量重，搬運(yùn)不太方便，對(duì)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度要求提高較多，經(jīng)濟(jì)上略微差一些。選用380×380的模塊消聲效果為最佳，對(duì)消聲性能、強(qiáng)度、平整度、經(jīng)濟(jì)性最好。

2.4 吸聲玻璃棉容重變化的影響

采用孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，180×180的模塊在容重24、32和48kg/m3時(shí)，分別測(cè)試在低頻、中頻、高頻的噪聲下的消聲效果。我們得到如表4和圖4數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：隨著超細(xì)離心玻璃棉容重的增加，陣列式消聲器在低頻消聲性能有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著容重的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨勢(shì)與此相同。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，吸聲材料的最佳容重在32～48kg/m3，容重超過48kg/m3后吸聲系數(shù)變化較小，相對(duì)經(jīng)濟(jì)性較差。

3 結(jié)語

通過以上研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間和噪聲指標(biāo)要求，在福州地鐵2號(hào)線上選用的陣列式消聲器，采用孔徑為Ф3、穿孔率為25%、容重48kg/m3填充（或針對(duì)噪聲源在不同噪聲值的情況下可采取32-48kg/m3填充）、380×380的模塊為主，控制流通比在50%-56%之間，可達(dá)到最佳的消聲性能和阻力損失的平衡，確保滿足《環(huán)評(píng)報(bào)告》和用戶要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬大猷主編.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002：502-520.

[2] 張雙喜，楊莉萍，郭鐵明，等.超細(xì)玻璃棉導(dǎo)熱系數(shù)的研究[J].新型建筑材料，2005（05）：50-52.

[3] 季振林著.消聲器聲學(xué)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：北京科學(xué)出版社，2016：47-50.