風機排風口L型消聲器的設計及仿真

李 達，阮學云，吳啟富(.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 300；.南京開拓環(huán)?？萍技夹g有限公司，江蘇 南京 0000)

0 引言

在工業(yè)企業(yè)中，風機作為重要的噪聲源之一，一直受到人們的關注。如何有效地降低風機的噪聲，是重要研究方向之一。目前，風機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，對于一些空間有限，需要改變排風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)驗設計，而沒有系統(tǒng)的理論計算。

本文將以收塵器為研究對象，研究排風口噪聲特性，在重點研究了風機噪聲的控制方法上，設計一款L型消聲器，希望能夠為風機降噪提供有效參考。

1 風機噪聲特性測試及分析

1.1 測試說明

本文將使用愛華聲級計來測量噪聲源的頻譜，在噪聲測量中，測點的布置也尤為重要，直接影響數(shù)據(jù)的準確性。在測量過程中噪聲測點將選取3個測點，一個布置在距離排風出口平面1 m，高1.2 m處。一個布置在排風口軸線45°方向上，距管中心1 m，高1.2 m處。一個布置在排風口中線上，距出口平面1 m，高1.2 m處[1]。對測得的數(shù)據(jù)進行平均處理，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

風機的噪聲源可分為三個部分：一是電機本身的噪音：電機噪音與功率成正比。由于循環(huán)風機風量較大，需要采用較大功率的電機，從而導致電機噪音較大；二是風機葉輪：葉輪葉片攪動空氣從而形成氣流，使得空氣快速流動產(chǎn)生噪音，這個噪聲與電機的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，噪聲越大；三是機械振動：葉輪主軸快速轉(zhuǎn)動，由于配合和精度問題會產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生較大的噪音。在三個噪聲中，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，風機噪聲在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，本文設計一款組合式L型消聲器。

圖1 噪聲源頻譜

2 消聲器結構設計

在實際工程中，由于風機一般安裝在房間里面，而排風口在墻體外邊，對外邊影響較大。因此本設計只考慮排風口安裝消聲器達到抑制風機噪聲傳播的目的。由于風機排風口噪聲高、風量大、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的換算關系，具體參考文獻[2]。

其中：p1-進氣口處入射聲壓；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)確定及結構設計

2.2.1 消聲量

根據(jù)現(xiàn)場降噪要求，在實際工程噪聲控制中，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)阻性消聲器的設計步驟，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玻璃棉，綜合吸聲系數(shù)達到0.94以上，對應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，需對排風口消聲器設計一個彎頭，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，消聲彎頭可以格外增加5 dB(A)以上的消聲效果?？紤]到1.5 m的消聲器過高，將設計成L型，其中短端設計0.5 m，長端設計長1 m，中間通過消聲彎頭連接。

2.2.3 結構設計

與其他參數(shù)相同，改變形狀的原則。設計了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)側用0.6 mm穿孔板制作(穿孔率30%)；內(nèi)部填充超細玻璃棉，其孔隙率為0.95，流阻為18500 Pa·s/m2，填空密度48 kg/m3，吸聲材料護面結構為0.6 mm厚穿孔板。

3 消聲器聲學仿真及分析

本文采用Virtual.lab軟件進行有限元聲學分析，通過軟件計算得到進出口聲壓量，再經(jīng)過公式計算得到傳遞損失曲線。以傳遞損失曲線來作為消聲器的評價標準對三種方案進行分析。

3.1 建模與網(wǎng)格劃分

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

3.2 邊界條件設置

將網(wǎng)格并導入Virtual.lab軟件中的acoustics模塊運用Acoustics Harmonic FEM分析。在Acoustics Harmonic FEM中制作聲學有限元網(wǎng)格、定義網(wǎng)格類型、設置材料及屬性、設置邊界條件等，然后進行求解。在Virtual.lab中對消聲器的邊界條件設置入口邊界條件：入口振動速度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，采用導納傳遞來代替穿孔板。

3.3 仿真結果分析

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象，通過Virtual.lab軟件中進行聲學分析，得到消聲器進出口聲壓，并進行后面的數(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種方案傳遞損失對比結果。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計要求；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，也不符合設計要求；方案3 L型組合式消聲器，彌補了方案1和方案2的缺點，有良好的寬頻消聲效果，而且風機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 實驗驗證

通過Virtual.lab軟件對3種方案的消聲器進行仿真分析并對比，可以得到方案3比方案1、方案2都好。本節(jié)將針對方案3制作實物，并進行現(xiàn)場測試，測量方案的效果。實驗驗證測點布置與噪聲源數(shù)據(jù)采集測點布置相同。實驗驗證數(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降噪量達到24.3 dB(A)，現(xiàn)場測試降噪量為23.9 dB(A)，滿足設計要求。

4 總結

本文對風機的噪聲特性進行試驗研究，并開展了消聲器方案設計及驗證。通過仿真分析及試驗證明，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，可以在100～2000 Hz范圍的頻率內(nèi)有較好的消聲效果；

設計的L型組合式消聲器的降噪量達到23.9 dB(A)，能有效地降低風機排風口噪聲。