船舶生活污水真空管路消聲器性能研究

聶壘鑫 吳立斌 鐘 濤

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

船舶的居住設計關系到船員居住、膳食、生活、工作等各個方面，完善和合理的居住性設計可以為船員創(chuàng)造良好的生活和工作環(huán)境。本文選取對船員生活影響較大的生活污水真空管路為對象，首先分析其噪聲源特性，從降噪和減阻兩方面進行消聲器設計，然后搭建試驗臺架（參見下頁圖1），進行了替換管段和消聲器管段對比試驗，得到消聲器插入損失和壓力損失，驗證了消聲器的性能指標。

圖1 試驗臺架圖

消聲器是管路中的重要降噪部件，其不但允許氣流正常通過，還能降低管道內(nèi)噪聲的傳播。通風管路中的消聲器一般采用的是抗式反聲結(jié)構(gòu)（如膨脹腔、亥姆霍茲共振器和穿孔管等）或阻性的吸聲材料（如玻璃纖維、礦棉等）。前者用于降低管道內(nèi)動力機械的低頻噪聲，后者用以衰減中高頻的空氣動力性噪聲，兩者結(jié)合一般可以取得更寬頻的消聲效果。對于工作環(huán)境中含有氣液兩相介質(zhì)的管路，殘余液體會堵塞吸聲材料中的孔隙,進而大大削弱其消聲性能。鑒于此，可以采用穿孔結(jié)構(gòu)代替吸聲材料以實現(xiàn)寬頻消聲效果。

微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)由微穿孔板及板后空腔組成。在馬大猷提出微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)理論后，多名學者對于微穿孔板結(jié)構(gòu)的聲學性能提出了不同的理論計算方法，如胡鵬等運用傳遞矩陣法推導出了單層微穿孔板結(jié)構(gòu)的法向吸聲系數(shù).但是在實際應用中，微穿孔板往往作為內(nèi)件安裝于內(nèi)部環(huán)境復雜的消聲器中，且一般處于非垂直入射聲場條件下，因此直接利用理論計算方法預測其整體聲學性能已不合適。

為避免微孔問題，杜韜等根據(jù)微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)理論求得微穿孔板的聲阻抗，通過在穿孔板兩側(cè)定義傳遞導納關系，提出了簡化的微穿孔板仿真計算方法。左曙光等基于此方法對某單層微穿孔板消聲器的傳聲損失進行仿真計算，并通過實驗進行了驗證。

本文從工程設計的角度，采用集總參數(shù)法設計真空管路消聲器。該方法可以實現(xiàn)消聲器聲學性能的快速預測，便于工程優(yōu)化。本文同時針對真空管路消聲器適裝性，分別從布置、安裝、維護及保養(yǎng)等方面詳細分析其對真空管路消聲器的影響和要求，并通過試驗分析不同安裝方式對消聲器消聲性能和阻力的影響，并結(jié)合目前消聲器技術(shù)性能上的不足提出后期改進建議，為改善真空管路消聲器性能奠定了理論基礎。

1 真空管路噪聲源特性試驗及分析

本文首先搭建了生活污水真空收集系統(tǒng)試驗臺架，如圖2所示。

圖2 生活污水真空收集系統(tǒng)

在不安裝消聲器條件下，在真空度分別為-60 kPa、 -56 kPa、-51.5 kPa、-45.5 kPa、-39.5 kPa、 -35.5 kPa和-30.5 kPa時，測量了真空污水收集系統(tǒng)在不同工況下的原始噪聲源特性，包括頻譜特性和聲壓級，參見下頁圖3和表1。將1/2 in（1 in = 2.54 cm）預極化傳聲器分別布置于馬桶前方及側(cè)方的45°、1 m處，如圖1所示。傳聲器依次連接ICCP前置放大器和B & K數(shù)采，將采集到的聲壓信號送入計算機中完成處理。

1.1 頻譜分析

圖3給出了最大工況（-60 kPa）下的污水真空收集系統(tǒng)的噪聲頻譜特征。

圖3 生活污水真空收集系統(tǒng)輻射噪聲的頻譜特征

1.2 聲壓級

各工況下的監(jiān)測點聲壓級見表1。

表1 各工況下監(jiān)測點的聲壓級

1.3 試驗分析

由上述試驗結(jié)果可知：

（1）隨著生活污水真空管路工作壓力減小，系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射噪聲也逐漸減小。試驗中也觀察到在-30.5 kPa工況下，管路系統(tǒng)發(fā)生較強烈振動，這可能是因為氣流噪聲和管路固有頻率較接近，使系統(tǒng)輻射噪聲有所增強。

（2）生活污水真空管路的噪聲呈現(xiàn)出中低頻突出的特征。由聲壓級疊加原理可知，系統(tǒng)的總聲壓級主要由聲壓級較高的頻帶所貢獻，因此可以認為生活污水真空管路噪聲主要集中在250 Hz~3.6 kHz；

（3）通過圖3可以看出，噪聲在250 Hz和1 kHz附近存在幾個較明顯的線譜峰值。改變試驗工況時，峰值之外的其他頻帶上聲壓級有較大變化，但是250 Hz和1 kHz附近的峰值頻率和幅值變化并不明顯，這導致不同工況下的總聲壓級變化不大（參見表1）。

根據(jù)以上分析結(jié)果，本文決定設計兩段穿孔管串聯(lián)式消聲器，原因如下：

（1）阻性消聲器多采用多孔材料，而真空管路系統(tǒng)工作條件為含有污物氣液混合物，容易造成多孔材料堵塞失效；

（2）通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，真空污水收集系統(tǒng)在250 Hz和1 000 Hz附近都有較突出的峰值，改變試驗工況對此特征頻率影響不大。

因此，采用針對此特征頻率的兩段穿孔管串聯(lián)式消聲器容易取得較明顯的消聲效果，并且易于實現(xiàn)。

2 真空管路消聲器設計及驗證

2.1 消聲器設計

鑒于真空管路消聲器工作環(huán)境為氣液混合介質(zhì)，本文采用共振式消聲器對真空管路進行消聲。

共振腔消聲器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，其由管道壁開孔的直管和旁接的封閉共振腔構(gòu)成。當聲波波長遠大于共振腔的尺寸時，共振腔內(nèi)的聲波運動可忽略不計。聲波傳至共振腔時，一部分反射，一部分進入共振腔，另一部分沿主管道繼續(xù)傳播。

圖4 共振消聲器

其聲阻很小可忽略不計，聲抗可由式（1）求得：

式中：為空氣聲速，m/s；為空氣密度，kg/m；S為小孔截面積，m；l為孔徑有效長度，l =+t，m；t為圓孔的長度修正，m；為管壁厚，m；M為系統(tǒng)的等效聲質(zhì)量，Pa·S/m；C為系統(tǒng)的等效聲順，ml；為圓頻率，rad/s。對于直徑為的圓孔，t =0.8。

根據(jù)一維聲波理論，求得聲強透射系數(shù)，見式（2）：

當管壁上開了很多個孔，孔與孔之間的距離5時，各孔之間的聲輻射可忽略不計。此時，總的傳導率等于各個孔傳導率之和。

共振型消聲的消聲量見式（4）：

在倍頻程的消聲量見式（5）：

依據(jù)此理論，結(jié)合實際情況，設計出真空管路消聲器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，真空管路消聲器性能指標見表2。

圖5 真空管路消聲器

表2 真空管路消聲器性能指標

2.2 試驗驗證

將設計的消聲器安裝在試驗臺架上，利用丹麥B & K公司PULS測試系統(tǒng)（包含脈沖時間數(shù)據(jù)與記錄模塊PULSE Time Data Recording和脈沖反饋模塊 PULSE Reflex）， 在 PULSE Time Data Recording設置各傳感器通道和靈敏度，采集時間為10 s。由于本實驗分析頻率為50 Hz~10 kHz，根據(jù)采樣定律，設置系統(tǒng)的采樣頻率為32 768 Hz。

在計算消聲器的壓力損失時，由于測量過程為瞬態(tài)過程，需要將測量結(jié)果導入MATLAB濾波后處理，如圖6所示。各工況數(shù)據(jù)采集完畢以后，將數(shù)據(jù)導入PULSE Reflex模塊進行數(shù)據(jù)截取和頻域分析，采用GUI編程可以求得系統(tǒng)噪聲信號的頻譜特性、1/3Oct、總級，以及其隨時間的變化特性，如圖7所示。

圖6 對采集信號進行濾波處理

圖7 PULSE Reflex模塊數(shù)據(jù)處理界面

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 背景噪聲修正

測出消聲器下游管道截面面積S，氣流噪聲的聲功率級L由式（6）計算：

式中：L為頻帶聲功率級，dB（基準值為1 pW）；L為頻帶平均聲壓級，dB（基準值為20Pa）；S為消聲器下游管道截面面積，m；為背景噪聲修正值，dB。

對每種工況應做低噪聲氣流試驗，即在關閉噪聲源的條件下做相應的測量，把測得的各頻帶聲壓級作為背景噪聲級。由原來測得的聲壓級與背景噪聲級的差值，按表3求出修正值。

表3 頻帶聲壓級的背景噪聲修正值K dB

2.3.2 插入損失

測定消聲器插入損失時，在裝置消聲器以前做空管試驗，在給定測點上測出向下游輻射噪聲的1/3 倍頻帶聲壓級，由各測點聲壓級求出聲功率級；然后用消聲器換下替換管道進行試驗，保持條件與空管試驗時相同，試驗用介質(zhì)為壓縮空氣；最后，測出各頻帶相應的聲功率級，由前后兩次聲功率級之差求出各頻帶的插入損失。

生活污水真空管路試驗系統(tǒng)中分別測量加裝消聲器及替換管道的下游，在50 Hz~10 kHz的1/3倍頻帶帶寬內(nèi)的聲功率，其差值作為消聲器的插入損失見式（7）：

式中：D為消聲器的測量頻帶插入損失，dB；L為當消聲器安裝時，沿測試管道傳播的測量頻帶聲功率級，dB；L為當消聲器換成替換管時，沿測試管道傳播的測量頻帶聲功率級，dB。

2.3.3 傳遞損失

生活污水真空管路陸上試驗系統(tǒng)中，消聲器在中心頻率范圍為50 Hz~10 kHz的1/3倍頻帶，進口入射聲功率與出口透射聲功率之差即為消聲器的測量頻帶傳遞損失見式（8）：

式中：D為消聲器的測量頻帶傳聲損失，dB；L為入射到消聲器的測量頻帶聲功率級，dB；L為通過消聲器傳輸?shù)臏y量頻帶聲功率級，dB。

2.3.4 測量壓力損失

消聲器兩端管道截面面積相同，壓力損失等于兩端靜壓之差。

消聲器兩端管道截面面積相同時，壓力損失可由式（9）計算：

2.3.5 消聲器性能

通過生活污水真空管路試驗，得到消聲器在試驗工況-30 kPa、-40 kPa、-50 kPa、-60 kPa下的插入損失分別為5 dB、6 dB、3 dB、3 dB，最大壓力損失為0.26 kPa，不會影響真空管路系統(tǒng)的正常工作。消聲器的設計指標要求最大降噪量不小于5 dB，最大壓力損失不大于0.15 kPa。該消聲器的設計滿足指標要求。

2.4 存在問題及后期改進

目前國內(nèi)外尚無有關真空污水管路系統(tǒng)噪聲控制技術(shù)的公開性研究報道或文獻。雖然消聲器已廣泛應用于通風管路和輸水管路，但由于真空污水收集系統(tǒng)工作介質(zhì)的復雜性和工作狀態(tài)的非穩(wěn)定性，使得空氣管路和輸水管路消聲器的設計成果無法直接應用于真空污水收集系統(tǒng)。

本課題組結(jié)合項目，積極開展了相關方面的試驗研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的研究中雖提供了一些有益的規(guī)律，但仍缺乏嚴謹?shù)睦碚撝?，且由于多種原因也未能給出普遍適用的方法。如果能夠進一步深入研究真空污水收集系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理及考慮多相工作介質(zhì)的影響，對于提高消聲器的消聲效果和進一步減小系統(tǒng)的輻射噪聲必將具有重要意義。

因此，本文根據(jù)前期設計消聲器試驗樣機試驗結(jié)果，提出以下改進方案，進一步提高消聲器的消聲效果。

2.4.1 增設內(nèi)膜

由于采用穿孔管抗式消聲器，真空管路消聲器內(nèi)壁上設置有大量穿孔，工作介質(zhì)會進入消聲器的擴張腔內(nèi)。雖然穿孔管上設置有回流口，但是含有生活垃圾的污水較易在擴張腔內(nèi)累積，造成真空管路消聲器消聲效果降低甚至失效。同時在真空管路消聲器內(nèi)部空氣流速較高（真空度設置較高工況下）時，穿孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的再生流噪聲明顯增強。

在后期作為改進方案備選，可以在穿孔管道內(nèi)部附著一層柔性膜，起到透聲和分隔污物進入擴張腔的作用。

2.4.2 采用微穿孔結(jié)構(gòu)

微穿孔板吸聲理論是馬大猷在1975年提出的，之后又給出了其準確理論，這一理論在國內(nèi)外已受到普遍關注。由于具有不受材料限制、清潔、無污染等諸多優(yōu)點，微穿孔板結(jié)構(gòu)在噪聲降低和隔離方面得到了廣泛應用。

相較于穿孔管消聲器，微穿孔板消聲器具有以下優(yōu)點：

（1）吸收帶寬較廣，更適合寬頻段的降噪；

（2）存在氣流情況下的再生流噪聲較低；

（3）相同長度下具有更高的傳遞損失。

但同時也存在以下不足：

（1）加工難度較大；

（2）實際工況下容易堵塞小孔造成失效；

（3）微穿孔板的理論較為完善，而微穿孔管消聲器的設計變量多，難度較大，還沒有統(tǒng)一的指導理論。

目前，本課題組依據(jù)馬大猷微穿孔板消聲理論重新設計了真空管路消聲器。為拓寬吸聲頻帶，采用兩段串聯(lián)的雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，新設計的真空管路消聲器如圖8所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

圖8 微穿孔結(jié)構(gòu)消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

表4 采用微穿孔結(jié)構(gòu)設計真空管路消聲器尺寸參數(shù)

為了提高計算的準確性，使用三維數(shù)值方法計算微穿孔結(jié)構(gòu)的聲學性能。利用ACTRAN軟件進行有限元仿真，仿真中對微穿孔結(jié)構(gòu)賦予微穿孔阻抗邊界，得到微穿孔管消聲器的傳遞損失。微穿孔結(jié)構(gòu)消聲器和原先設計的穿孔管消聲器的對比如圖9所示。

圖9 微穿孔結(jié)構(gòu)消聲器的的傳遞損失

圖中紅線為有限元仿真求得的微穿孔管消聲器的傳遞損失，綠線代表穿孔管消聲器的傳遞損失。由此可見，微穿孔管消聲器在絕大多數(shù)頻率點的吸聲效果優(yōu)于穿孔管式消聲器。

3 結(jié) 語

本文針對生活污水真空管路系統(tǒng)進行了大量的調(diào)研、設計、計算、理論探討和試驗研究。通過搭建試驗臺架，分析了生活污水真空管路系統(tǒng)的輻射噪聲頻譜特性，并研制了真空管路消聲器，在-60~-30 kPa的系統(tǒng)工作范圍內(nèi)進行了消聲器試驗，驗證了消聲器的性能，取得了較好的消聲效果。從試驗結(jié)果可知，隨系統(tǒng)真空度的降低，消聲器的傳遞損失和插入損失逐漸降低。本文的研究可為真空管路消聲器的實用化研究提供參考。