通風(fēng)消聲器性能曲線的探討

方慶川

（深圳中雅機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518031）

引言

對(duì)HVAC（暖通空調(diào)）工程師而言，通風(fēng)消聲器的采用和選型是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，聲學(xué)現(xiàn)象和聲學(xué)術(shù)語(yǔ)概念與HVAC的其他技術(shù)領(lǐng)域特點(diǎn)不同，通風(fēng)消聲器提供商按聲學(xué)專業(yè)思維提供的消聲器性能（傳聲損失/插入損失、氣流再生噪聲聲功率級(jí)和全壓損失系數(shù)等）都是由一組單臺(tái)消聲器孤立的性能組成的數(shù)值表格。如果性能不如意，是否有調(diào)整的余地，不同消聲器的性能是如何變化的，對(duì)以上內(nèi)容HVAC工程師通常認(rèn)識(shí)都較模糊，甚至認(rèn)為消聲器越長(zhǎng)消聲量越大，消聲器越長(zhǎng)壓力損失越大。

HVAC工程師對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能曲線非常熟悉，在通風(fēng)機(jī)的性能曲線上，可看到同一系列的通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量與壓力間的關(guān)系，同時(shí)可根據(jù)該風(fēng)機(jī)在特定轉(zhuǎn)速確定的通風(fēng)管路運(yùn)行時(shí)的工況，包括風(fēng)量（風(fēng)速）、消耗功率、噪聲等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

本文對(duì)通風(fēng)消聲器性能指標(biāo)的表達(dá)進(jìn)行了補(bǔ)充，設(shè)計(jì)類似風(fēng)機(jī)性能曲線的消聲器性能曲線，以方便HVAC工程師對(duì)消聲器性能進(jìn)行系統(tǒng)性了解，在設(shè)計(jì)選型取舍、優(yōu)化其設(shè)計(jì)方案和設(shè)備時(shí)，方向明確。

1 通風(fēng)機(jī)的性能曲線簡(jiǎn)述

如圖1所示，縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)壓力，全壓或靜壓均可，橫坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)流量或流速。以確定的葉片角度、不同的葉輪轉(zhuǎn)速（或固定的葉輪轉(zhuǎn)速不同的葉片角度）的特性曲線為例（除不同的葉輪轉(zhuǎn)速或不同的葉片角度的流量與壓力的關(guān)系曲線外，消耗功率、效率和噪聲，都可以影響風(fēng)機(jī)壓力—流量坐標(biāo)系曲線的形式表達(dá)）。

圖1 通風(fēng)機(jī)性能曲線示意簡(jiǎn)圖

圖1中顯示了4條不同轉(zhuǎn)速時(shí)的風(fēng)機(jī)流量與壓力的關(guān)系曲線。HVAC在完成了通風(fēng)管路的設(shè)計(jì)后，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的全壓損失系數(shù)（阻力系數(shù)）就確定了，根據(jù)伯努利方程，通風(fēng)管道回路的特性曲線也就確定了。

HVAC工程師根據(jù)設(shè)計(jì)所需的通風(fēng)量，在圖1中就可以找到通風(fēng)管路的工況點(diǎn)，從而確定風(fēng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)速，并從其他曲線（未顯示）中獲得風(fēng)機(jī)的消耗功率、效率、噪聲等參數(shù)。

2 擬設(shè)計(jì)的消聲器系統(tǒng)性能曲線

擬設(shè)計(jì)的消聲器系統(tǒng)性能曲線組（見(jiàn)圖2），其橫坐標(biāo)為消聲器的全壓損失系數(shù)[1、2]（以下簡(jiǎn)稱“阻力系數(shù)”），縱坐標(biāo)為消聲器的消聲量和消聲器的氣流再生噪聲，消聲量為指定頻率和帶寬的頻帶傳聲損失/插入損失[1～3]或特定頻譜（如白噪聲、粉紅噪聲等）聲源的A計(jì)權(quán)傳聲損失[4]（以下簡(jiǎn)稱“消聲量”），以分貝〔dB（A）〕表示，氣流再生噪聲用單位迎風(fēng)面積的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)[4]（以下簡(jiǎn)稱“氣流噪聲”），以分貝〔dB（A）〕表示；由于消聲量和氣流噪聲都以分貝〔dB（A）〕表示，將其合并在一張性能曲線圖上，方便使用〔由于消聲量的分貝值是以實(shí)際聲源的聲功率（單位：W）為參照值，參照值并不確定，而氣流噪聲的分貝值是以10～12W為參照值，兩個(gè)指標(biāo)的分貝值由于其基準(zhǔn)不同而意義不同，使用時(shí)注意不要混淆〕。

圖2 消聲器系統(tǒng)性能曲線典型圖

典型的消聲器系統(tǒng)性能曲線，舉3組例子：一組是不同長(zhǎng)度的消聲器其消聲量與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2中的實(shí)線；一組是不同通流比[3]的消聲器，其消聲量與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2中的點(diǎn)線；一組是不同的迎面風(fēng)速（以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)速”）時(shí)，消聲器的單位迎風(fēng)面積氣流再生噪聲A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)（以下簡(jiǎn)稱“氣流噪聲”）與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2中的虛線。

類似通風(fēng)機(jī)的用途是通風(fēng)，首先要滿足通風(fēng)量，為保證通風(fēng)量就必須克服管道系統(tǒng)的通風(fēng)阻力，代價(jià)是需要耗電（消耗功率）并會(huì)產(chǎn)生噪聲等。而消聲器的用途是降低噪聲，首先要滿足消聲量，代價(jià)是增加了管道系統(tǒng)的通風(fēng)阻力（體現(xiàn)為阻力系數(shù)）和增加了氣流噪聲。

消聲器的性能參數(shù)一般指：1）消聲量（傳聲損失）；2）阻力系數(shù)（全壓損失系數(shù)）；3）氣流噪聲（氣流再生噪聲聲功率級(jí)）。

有了消聲器系統(tǒng)性能曲線圖（見(jiàn)圖2），HVAC工程師就可以對(duì)同一系列消聲器的消聲性能和阻力、氣流噪聲等代價(jià)的關(guān)系，有一個(gè)全面系統(tǒng)的了解。正如HVAC工程師通過(guò)風(fēng)機(jī)性能曲線，可以知道不同的風(fēng)量，不同的風(fēng)壓，需要消耗多少的電力和產(chǎn)生多大的噪聲。通過(guò)系統(tǒng)性能曲線，可了解并理解同一系列消聲器，其氣流噪聲不僅與迎面風(fēng)速相關(guān)，還與阻力系數(shù)相關(guān)；其傳聲損失，不僅與長(zhǎng)度相關(guān)，還與阻力系數(shù)相關(guān)，與通流比相關(guān)；阻力系數(shù)，不僅與長(zhǎng)度相關(guān)，還與通流比相關(guān)；傳聲損失相同的前提下，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，阻力系數(shù)越小。而且，該圖的曲線組包括的信息量很大。

3 消聲器系統(tǒng)性能曲線組的應(yīng)用

某通風(fēng)系統(tǒng)需要配置一臺(tái)消聲量為-25dB（A）的消聲器，期望阻力系數(shù)不大于2，從某系列消聲器的性能曲線圖（見(jiàn)圖3）中，找到消聲量-25dB（A），過(guò)圓點(diǎn)畫一條平行于橫坐標(biāo)的直線段直至橫坐標(biāo)值為2，見(jiàn)圖3雙點(diǎn)劃線，可看到至少有長(zhǎng)度分別為1.8m、2.1m、2.4m、2.7m和3 m，5 個(gè)交點(diǎn)5 個(gè)選項(xiàng)，箭頭、圓點(diǎn)和圓點(diǎn)這3個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的消聲器長(zhǎng)度分別為1.8m、2.4m和3m〔也就是說(shuō)只要超過(guò)1.8m的選項(xiàng)都可以滿足消聲量達(dá)到25dB（A）和阻力系數(shù)小于2的要求〕為例，對(duì)應(yīng)的消聲器阻力系數(shù)分別約為2.0、1.5和1.1，對(duì)應(yīng)的消聲器通流比分別是0.54、0.6和0.66，當(dāng)迎面風(fēng)速為6m/s時(shí)，這3個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的消聲器，其單位迎風(fēng)面積的氣流再生噪聲聲功率級(jí)分別為52dB（A）、50dB（A）和48dB（A）。

圖3 消聲器選型示意圖

也就是說(shuō)，對(duì)于某個(gè)特定要求，可能有若干個(gè)滿足要求的解決方案，不同的解決方案，各種代價(jià)不同，有了系統(tǒng)性能曲線，就可以全面把握。在不同的項(xiàng)目不同的情況下，不同代價(jià)的取舍標(biāo)準(zhǔn)可能也會(huì)不同，有時(shí)候因?yàn)榭臻g所限，消聲器越短越好，那么阻力代價(jià)就要大一點(diǎn)，日后的運(yùn)行成本也會(huì)高一些。同時(shí)，氣流噪聲不同，也可能會(huì)影響最終的消聲效果（是否對(duì)最終消聲效果產(chǎn)生影響，還要結(jié)合聲源的數(shù)據(jù)）。

另外，在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，同一系列的消聲器，其吸聲構(gòu)件規(guī)格尺寸相同，當(dāng)其通流比不同而流量相同的時(shí)候，其迎風(fēng)面積和迎面風(fēng)速會(huì)不同，因此不會(huì)同時(shí)均為6m/s的迎面風(fēng)速，需要根據(jù)選定的通流比形成的迎風(fēng)面積，按準(zhǔn)確的迎面風(fēng)速確定單位面積的氣流再生噪聲聲功率級(jí)，并按準(zhǔn)確的迎風(fēng)面積得出準(zhǔn)確的氣流再生噪聲聲功率級(jí)。

注意，在流量相同的前提下，通流比的變化導(dǎo)致迎風(fēng)面積變化、迎面風(fēng)速和片間風(fēng)速變化，上述應(yīng)用舉例在迎面風(fēng)速均為6m/s的曲線上查標(biāo)差值只是一個(gè)簡(jiǎn)易的過(guò)程和近似的結(jié)果，并不嚴(yán)謹(jǐn)精確。流量為固定值時(shí)，通流比變化導(dǎo)致的氣流再生噪聲A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)的變化值〔以dB（A）表示〕，可以按下式估算。

式中：

R1—通流比之一；

R2—通流比之二；

LW,A,1—通流比為R1的消聲器的氣流噪聲A聲功率級(jí)；

LW,A,2—通流比為 R2的消聲器的氣流噪聲A聲功率級(jí)；

K—系數(shù)，通常在50～60之間，視消聲器結(jié)構(gòu)而定，由消聲器供應(yīng)商提供。

4 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)消聲器性能曲線的設(shè)計(jì)繪制，目的是方便設(shè)計(jì)選用的HVAC工程師對(duì)消聲器性能有一個(gè)系統(tǒng)的了解，方便設(shè)計(jì)選用的HVAC工程師在初步設(shè)計(jì)選型時(shí)可以自主比較、取舍和優(yōu)化。

消聲器的選型是通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制設(shè)計(jì)方案中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，一個(gè)完善嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)噪聲控制設(shè)計(jì)方案，還需要對(duì)整個(gè)管路的傳聲損失、壓力損失和氣流噪聲進(jìn)行計(jì)算，及對(duì)環(huán)境背景噪聲有確切了解，并且要掌握現(xiàn)場(chǎng)的側(cè)向傳聲特性，及對(duì)噪聲控制區(qū)域的自由場(chǎng)/混響場(chǎng)特性的確切了解，但消聲器的選型畢竟是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

通風(fēng)消聲器性能曲線的繪制依據(jù)，是消聲器的聲學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)原理，以及具體結(jié)構(gòu)確定的消聲器若干樣機(jī)在嚴(yán)格鑒定的消聲器測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量數(shù)據(jù)，可適當(dāng)考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的代表性側(cè)向傳聲。

通風(fēng)消聲器性能曲線的縱坐標(biāo)是傳聲損失和氣流噪聲的分貝數(shù)值，其中傳聲損失的數(shù)值，可以是基于不同頻譜特性聲源的A計(jì)權(quán)傳聲損失，例如白噪聲、粉紅噪聲、紅噪聲和已知頻譜的聲源，也可以是某一指定帶寬的單頻聲的傳聲損失。根據(jù)用戶的需要，消聲器的提供商均可以按本文所述的方式，以系統(tǒng)性能曲線組圖，全面描述消聲器的整體、系統(tǒng)性能。