吸油煙機(jī)新型降噪風(fēng)道及其最優(yōu)參數(shù)探究

王丁一 于巍巍 張雨凡 陳建衛(wèi) 高少華

（杭州老板電器股份有限公司 杭州 311100）

引言

現(xiàn)今，飲食健康的重要性逐漸在日常生活中凸顯出來，因此人們下廚親自做飯的幾率便越來越高，但烹飪過程中產(chǎn)生的油煙，對人體的肺部以及免疫系統(tǒng)都會產(chǎn)生較大的危害[1]。因此，吸油煙機(jī)作為保障人們免受油煙侵害的首要廚房電器，對于人們生活品質(zhì)的提升起著至關(guān)重要的作用，在調(diào)查當(dāng)中顯示，吸油煙機(jī)最受消費(fèi)者關(guān)注的三個指標(biāo)便是吸煙效果，空氣性能以及噪聲。其中，空氣性能與噪聲之間屬于負(fù)相關(guān)指標(biāo)，空氣性能的提升勢必會帶來噪聲的提高。因此，如果能在保障吸油煙機(jī)現(xiàn)有空氣性能的基礎(chǔ)上降低其運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲，將對吸油煙機(jī)產(chǎn)品整體性能的提升以及推動行業(yè)發(fā)展有著極為重大的意義。

本文選用市面上某品牌一款油煙機(jī)，對其內(nèi)部風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行三維建模與聲場聲強(qiáng)模擬，確定風(fēng)道系統(tǒng)中聲強(qiáng)較大區(qū)域，以穿孔板原理為依據(jù)[2]，對聲強(qiáng)較大區(qū)域進(jìn)行穿孔板包棉降噪處理，實(shí)驗(yàn)組別的詳細(xì)參數(shù)由minitab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行生成，根據(jù)其噪聲頻譜及數(shù)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而確定穿孔板降噪處理的最佳參數(shù)。

1 新型降噪風(fēng)道介紹

本實(shí)驗(yàn)的新型降噪風(fēng)道主要使用穿孔板結(jié)構(gòu)與穿孔板板后增加多孔性吸聲材料進(jìn)行降噪處理。其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖中可以看出，選取蝸殼圍板進(jìn)行穿孔處理，并在圍板外側(cè)進(jìn)行吸音棉包覆及固定。

穿孔板是最近幾年廣為應(yīng)用的吸聲結(jié)構(gòu)之一，主要由基板以及位于基板上呈陣列排布的微小孔洞構(gòu)成，基板一般由金屬或者塑料制作而成，由于基板具有一定的厚度，因此從微觀角度而言，基板上的每一個微小孔洞可以視為一個微小的管道，并且所有的微小管道成并聯(lián)結(jié)構(gòu)[3]。由于聲音在傳播的過程當(dāng)中會引起周圍空氣質(zhì)點(diǎn)的振動，所以當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的振動傳播至通過小孔時，小孔的孔壁對于質(zhì)點(diǎn)的振動有一定的粘滯摩擦作用，因此質(zhì)點(diǎn)在管道壁處的振動速度幾近為零。通過上述過程，使由聲音傳播導(dǎo)致的振動減小，聲能降低，進(jìn)而達(dá)到吸聲降噪的效果[4]。對于穿孔板而言，其吸聲性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的多孔性吸聲材料，除此之外，穿孔板其體積較小并且制作工藝簡單，相比一般的吸聲泡沫或者多孔性材料而言，其實(shí)用性更好。

決定穿孔板吸聲性能的參數(shù)主要有孔徑大小以及孔徑距離，在實(shí)際應(yīng)用中，孔徑大小這一因素受加工工藝的限制較大。理論上來講，穿孔的聲阻與孔徑直徑的平方成反比[5]，即孔徑越小，穿孔板的吸聲性能越好，當(dāng)孔徑尺寸在1 mm以下的時候，其聲阻要遠(yuǎn)大于一般穿孔板，但由于加工工藝以及制作成本的限制，本次實(shí)驗(yàn)探究均選用直徑大小在1 mm及以上的孔洞。為了增加該穿孔板的聲阻以提高其吸聲降噪性能，因而需要在穿孔板板后附加多孔性吸聲材料以增加聲阻與大氣聲阻匹配[5]，以得到該系統(tǒng)的最佳吸聲性能。

此外，由于吸油煙機(jī)內(nèi)部風(fēng)道系統(tǒng)的獨(dú)特性，如果僅僅對吸油煙機(jī)的風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行穿孔處理，將會引起吸油煙機(jī)另外一個重要指標(biāo)——空氣性能的大幅度降低，因此，在穿孔板板后附加多孔性吸聲材料在進(jìn)一步降低噪聲的同時，還可以改善因穿孔而導(dǎo)致的風(fēng)道內(nèi)漏風(fēng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此本次實(shí)驗(yàn)選用吸聲系數(shù)較好且不易透風(fēng)的寬頻雙組份吸音棉。

該寬頻雙組份吸音棉選用了吸水率低、防菌、可降解、質(zhì)輕，阻燃等性能優(yōu)秀的PP（聚丙烯）和PET（聚對苯二甲酸類）纖維，通過對PP熔融噴絲，在高溫高壓空氣將其拉伸成為長纖，以此來控制PP纖維結(jié)晶和結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的過程，之后以一定的速度冷卻使其快速結(jié)晶，然后在適當(dāng)?shù)臏囟认屡c中空螺旋超細(xì)PET短纖維在結(jié)構(gòu)構(gòu)筑器進(jìn)行混合成型[6]，其中PP含量為 60 %-65 %，PET含量為35 %-40 %。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本研究實(shí)驗(yàn)過程中，使用的材料有購買自某公司的雙組份吸音棉，來自某品牌吸油煙機(jī)三臺；噪聲、振動測試設(shè)備為德國西門子LMS振動噪聲測試系統(tǒng)。

2.1 風(fēng)道內(nèi)部聲強(qiáng)分布情況模擬

從圖2中可以看出吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部聲強(qiáng)分布情況，值得注意的是，聲強(qiáng)較為集中的區(qū)域?yàn)槲仛ぷ笥覀?cè)面板以及蝸殼圍板區(qū)域，上述區(qū)域的輻射噪音聲強(qiáng)較強(qiáng)，根據(jù)噪聲數(shù)值的疊加原理以及聲強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域占比，可以斷定，對于蝸殼降噪的主要重點(diǎn)應(yīng)該在蝸殼圍板處，因此，蝸殼的穿孔處理區(qū)域?yàn)槲仛逄帯?/p>

圖1 新型降噪風(fēng)道設(shè)計(jì)示意圖

圖2 風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部聲強(qiáng)分布情況

2.2 新型降噪風(fēng)道參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)中，新型降噪風(fēng)道涉及的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有蝸殼圍板穿孔的孔徑大小，孔間間距，蝸殼圍板后包覆吸音棉的密度與厚度，根據(jù)表1可知各參數(shù)的高低水平，并根據(jù)表1由minitab數(shù)據(jù)分析軟件得出實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合與組序，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合與組序?qū)ο鄳?yīng)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行噪聲與空氣性能測試，數(shù)據(jù)詳情見表2。

從表中可以看出，為了確保實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的可靠性，在高低水平之間選用中間點(diǎn)進(jìn)行四次測試。將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子效應(yīng)PARETO圖以及各個響應(yīng)因變量的主效應(yīng)圖繪制，所得圖像如圖3，對其進(jìn)行分析，由于前者是針對所有因子包括組合因子之間對于響應(yīng)因變量的影響進(jìn)行分析，后者是針對單個因子對于響應(yīng)因變量的影響大小進(jìn)行分析，因此可以斷定各個因子之間是否有交互作用并且每個因子對于四項(xiàng)響應(yīng)因變量變化程度的影響程度。

從圖3（a）中可以看出，對于噪聲的影響所占比重最大的因子為穿孔的孔徑和孔距，這一結(jié)果和穿孔板理論完全一致，其次是吸音棉的密度，并且孔徑大小與吸音棉密度之間存在交互作用，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是因?yàn)楫?dāng)聲音穿過孔洞之后，對聲音吸收起主要作用的因子為吸音棉的密度，這一點(diǎn)從噪聲總值的PARETO圖也可以看出。此外，噪聲總值的大小與孔徑、吸音棉密度及厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與穿孔孔距呈正相關(guān)關(guān)系。

從圖3（b）中可以看出，對于全壓效率的影響所占比重最大的因子為四個因子相互交互的組合，說明四個因子之間彼此對于全壓效率的影響也有相互作用，從主效應(yīng)圖中可以看出，就單因子的效應(yīng)而言，孔徑大小對全壓效率影響最大，其次是孔距，吸音棉的密度和厚度對全壓效率幾乎沒有影響。

從圖3（c）中可以看出，對于最大靜壓影響所占比重最大的因子為孔徑和密度以及孔徑和厚度兩個因子相互交互的組合，說明孔徑大小與吸音棉的性能之間存在對最大靜壓的交互影響，該現(xiàn)象可以根據(jù)最大靜壓的測試環(huán)境進(jìn)行解釋，當(dāng)測試最大靜壓時，風(fēng)機(jī)的出風(fēng)量為零，因此風(fēng)道內(nèi)部出現(xiàn)非常明顯的溢風(fēng)現(xiàn)象，所以孔徑大小與吸音棉性質(zhì)參數(shù)作為防止風(fēng)從風(fēng)道圍板溢出的首要因子，便極為重要。

從圖3（d）中可以看出，對于最大風(fēng)量影響所占比重最大的是孔徑和厚度兩個因子之間相互的組合，說明孔徑大小與吸音棉的性能之間存在對最大風(fēng)量的交互影響，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是，孔徑大小決定風(fēng)道內(nèi)部的漏風(fēng)量，而吸音棉的性質(zhì)決定對漏風(fēng)量彌補(bǔ)的多少，因此吸音棉的性質(zhì)對于最大風(fēng)量的影響也更為重要，這一點(diǎn)從主效應(yīng)圖中也可以看出。

表1 新型降噪風(fēng)道參數(shù)設(shè)計(jì)水平分布

表2 不同參數(shù)的新型降噪風(fēng)道性能

由上可知，可以斷定孔徑大小是影響新型風(fēng)道系統(tǒng)各個性能指標(biāo)的最重要的因素，并且吸音棉的性質(zhì)對于新型風(fēng)道系統(tǒng)各個性能指標(biāo)的影響相對來說較小，最重要的是，孔距與吸音棉性質(zhì)指標(biāo)對風(fēng)道系統(tǒng)的綜合性能并無交互作用，因此應(yīng)對孔距進(jìn)行進(jìn)一步的分析，由于minitab僅僅選用兩個高低水平，對于每個響應(yīng)因變量，并不能顯示出明顯的趨勢，因此為了確定孔距對各個因變量的影響趨勢，以孔距為變量單位，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出表3所示。

從表3中可以看出，當(dāng)其他因子固定，當(dāng)孔間間距為10 mm的時候，風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部噪聲總值最低，最大靜壓，最大風(fēng)量，全壓效率最高，說明孔距10 mm為該新型風(fēng)道的孔間間距最優(yōu)值。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，使用minitab響應(yīng)優(yōu)化分析結(jié)果，以及孔距因子的單因素實(shí)驗(yàn)，可以得出新型降噪風(fēng)道系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置為，孔徑為1 mm，孔距10 mm，吸音棉厚度20 mm，密度600 g·cm-2。

圖3 PARETO圖

表3 孔間間距對風(fēng)道系統(tǒng)的綜合影響

將具有該參數(shù)的風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行噪聲頻譜測試，并且與未進(jìn)行任何處理的風(fēng)道系統(tǒng)噪聲頻譜進(jìn)行對比，對比如圖4所示，從圖中可以看出，具有最優(yōu)參數(shù)設(shè)置的新型降噪風(fēng)道系統(tǒng)噪聲頻譜在各頻段均有下降，尤其是286 Hz處的尖峰，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)榧?xì)小孔對于處于低頻的噪聲有更好的吸收效果，而吸音棉的吸聲頻段也主要集中在中高頻，兩者相互彌補(bǔ)，從而取得了更好的吸聲效果。

此外，將兩者的噪聲數(shù)值，最大靜壓，最大風(fēng)量，全壓效率進(jìn)行對比，如圖5所示，從圖中可以看出，新型降噪風(fēng)道系統(tǒng)相比原始風(fēng)道系統(tǒng)噪聲數(shù)值因變量上有明顯下降，并且其余三個因變量基本保持原水平，說明該新型降噪風(fēng)道系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。

圖4 原始風(fēng)道系統(tǒng)與改進(jìn)型風(fēng)道系統(tǒng)噪聲頻譜對比

圖5 新型降噪風(fēng)道與原始風(fēng)道性能對比

3 結(jié)論

針對吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行聲強(qiáng)模擬，得到風(fēng)道系統(tǒng)中聲強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種由穿孔板以及吸音棉構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的新型降噪風(fēng)道系統(tǒng)，并且根據(jù)改變穿孔板以及吸音棉的各種參數(shù)，來確定該風(fēng)道系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：吸油煙機(jī)原始風(fēng)道系統(tǒng)聲強(qiáng)較強(qiáng)區(qū)域?yàn)槲仛逄帲肼曨l譜主要集中在0-3 000 Hz之間，對其進(jìn)行穿孔包覆吸音棉處理后，能達(dá)到最佳性能的參數(shù)設(shè)置為孔徑為1 mm，孔距10 mm，吸音棉厚度20 mm，密度600 g·cm-2。相比原始風(fēng)道，該改進(jìn)型風(fēng)道噪聲數(shù)值下降3.1 dBA，并且最大靜壓，最大風(fēng)量，全壓效率基本保持不變。四個因子之間，孔徑大小對整體性能的影響最為顯著，并且和其余各個因子之間存在明顯的交互作用。