潔凈室消聲器的設(shè)計(jì)與測試

葛亞輝，胡立峰，張恒

（上海申華聲學(xué)裝備有限公司，上海 201709）

1 問題的提出

一臺(tái)置于潔凈房間的空氣凈化器，要求設(shè)備噪聲小于60dB（A），而設(shè)備風(fēng)機(jī)噪聲約74dB（A），噪聲要降低14dB（A）以上。由于設(shè)備空間的限制，消聲器不能太長，因此將消聲器分為兩段，各成兩個(gè)獨(dú)立的消聲器。由于潔凈房間不能引入任何粉塵、纖維，因此所有含纖維的阻性吸聲材料都不能使用。此外，抗性共振式消聲結(jié)構(gòu)的消聲頻率帶寬較窄，難以應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)這類寬頻噪聲源。

常用的設(shè)計(jì)公式成熟的方案被排除后，微穿孔板成了備選的第一方案。目前由于微穿孔板的規(guī)格及性能指標(biāo)（例如吸聲系數(shù)、半吸收帶寬）之間的關(guān)系尚缺乏定量的參數(shù)，因此該潔凈室消聲器的設(shè)計(jì)對(duì)其他降噪工程有一定的參考價(jià)值。

2 初次設(shè)計(jì)方案

該風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為600m3/h，相當(dāng)于0.17m3/s。為降低次聲噪聲，選用較低的進(jìn)出口風(fēng)速，即均小于3m/s?；诂F(xiàn)場的條件，消聲器采用400mm×400mm的方形結(jié)構(gòu)，長度為800mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1顯示了400mm×400mm結(jié)構(gòu)在軸向被分割成4個(gè)100mm×400mm的獨(dú)立單元，四周是1mm厚的鍍鋅鋼板，內(nèi)壁均涂敷2mm的阻尼層，從壁向內(nèi)25mm處是0.5mm微穿孔板（實(shí)際深度僅23mm），內(nèi)壁平整。壁和穿孔板之間每0.4m有支撐。

圖1 分割后消聲器示意圖

通風(fēng)面積是4個(gè)350mm×50mm的通道，使用風(fēng)速2.38m/s。該消聲器的腔深23mm、板厚0.5mm、孔徑0.3～0.5mm、穿孔率2%。

轉(zhuǎn)換接頭與測試設(shè)備連接，連接處應(yīng)光滑密封，既不能漏風(fēng)，又要盡量減小次聲噪聲。

測試設(shè)備包括兩通道數(shù)據(jù)分析模塊29400001，聲校準(zhǔn)器27800001，傳聲器前置放大器28900001，工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器28900003，數(shù)據(jù)采集儀25900001，數(shù)字式壓力計(jì)25900002和卷尺。測試在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用《聲學(xué)消聲器測量方法》（GB/T 4760—1995）進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表1，消聲量頻譜曲線見圖2。

由表1可知，該消聲器總的消聲量約4dB（A），隨風(fēng)速從0m/s升至12m/s，消聲效果略有上升。由圖1可見，中低頻區(qū)的消聲量小于5dB（A），高頻段插入損失的峰值約在2000Hz可達(dá)20dB（A），但4000Hz之后的消聲量降低至5dB（A）以下。此消聲器的消聲帶寬在高頻段的較窄部分，并不能滿足潔凈房間對(duì)設(shè)備的消聲要求。

圖2 400mm×400mm×800mm消聲器消聲量頻譜曲線

3 改進(jìn)

3.1 第一次改進(jìn)

因消聲效果未達(dá)到預(yù)期要求，在總的結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，對(duì)通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，增加了微穿孔板后面的空腔深度到34mm，使其將4通道調(diào)整為3通道，總截面由4個(gè)100mm×400mm的通道改成3個(gè)133mm×400mm的通道，如圖3所示，材料和加工工藝同前。

通過計(jì)算，該2臺(tái)消聲器可通過的風(fēng)速提高到了2.78m/s。圖3（a）消聲量測結(jié)果見表2；圖3（b）消聲量測結(jié)果見表3；消聲量頻譜曲線見圖4、圖5。

由表2可知，該消聲器總的消聲量約11dB（A）。從圖4中可看出，中低頻的消聲量在5～10dB（A），高頻段消聲量都大于10dB（A），同時(shí)插入損失的峰值在1600Hz左右可達(dá)21dB（A），此消聲器在高頻段的消聲量有較高的消聲效果。

圖3 第一次改進(jìn)后的消聲器示意圖

圖4 400mm×400mm×679mm消聲器消聲量頻譜曲線

表1 400mm×400mm×800mm消聲器消聲效果倍頻帶插入損失和A計(jì)權(quán)插入損失DA

表2 400mm×400mm×718mm消聲器消聲效果倍頻帶插入損失和A計(jì)權(quán)插入損失DA

圖5 400mm×400mm×718mm消聲器消聲量頻譜曲線

通過表3和圖5可看出，該消聲器總的消聲量約為13dB（A），消聲量在中低頻消聲5～10dB（A），高頻段消聲峰值與400mm×400mm×679mm消聲器同樣在1600Hz，高頻段的消聲整體在10dB（A）以上。

通過第一次的改進(jìn)可看出，消聲器的消聲效果提高到11dB（A）以上，由于400mm×400mm×718mm消聲器比400mm×400mm×679mm消聲器的長度稍長，導(dǎo)致前者A計(jì)權(quán)插入損失DA比后者高出2dB（A）左右。此消聲器雖然在整個(gè)高頻帶寬內(nèi)有較高的消聲量，但依舊不能滿足潔凈房間對(duì)設(shè)備的消聲要求14dB（A）。

3.2 第二次改進(jìn)

首次的改進(jìn)結(jié)果在高頻段有較大改進(jìn)，但中低頻段的消聲量依然較低。結(jié)構(gòu)尺寸不變，再次對(duì)通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，雙層微穿孔板采用雙層結(jié)構(gòu)，第一層板厚0.5mm，孔徑0.5mm，穿孔率2%；距第一層24mm處設(shè)置第二層板厚0.8mm，孔徑0.8mm，穿孔率1%，其后設(shè)置36mm空腔，前后空腔深度比為2︰3。使其將4通道調(diào)整為2通道，總截面由3個(gè)133mm×400mm的通道改成2個(gè)通道，如圖6所示，材料和加工工藝同前。

圖6 第二次改進(jìn)后的消聲器示意圖

由于通過此消聲器的通道面積變小，最高風(fēng)速升至4.41m/s。測試結(jié)果見表4，消聲量頻譜曲線見圖7。由表4可見，該消聲器總的消聲量約為19dB（A）。由圖7可見，低頻區(qū)的消聲量在5～10dB（A），在整個(gè)高頻帶寬內(nèi)消聲量在15dB（A）以上，在中頻段500Hz以上，消聲量在15dB（A）以上。

圖7 第二次改進(jìn)后的消聲器消聲量頻譜曲線

4 性能比較

如圖8所示，三次設(shè)計(jì)的消聲器的吸收峰隨微穿孔板的背后空腔深度的增加，依次向低頻移動(dòng)，由2000Hz降至1000Hz附近。消聲量由最初的5dB（A）以下上升到19dB（A）以上，吸收壓力提高了4倍。

圖8 各消聲器平均消聲量頻譜曲線

從圖8消聲量與頻率的關(guān)系曲線可看出，初次設(shè)計(jì)的消聲器的半吸收寬帶1600～2500Hz，約900Hz；首次改進(jìn)對(duì)應(yīng)的消聲器的吸收帶寬都是從1000Hz到5000Hz以上，約4000Hz以上；對(duì)應(yīng)的消聲器的吸收帶寬400～5000Hz，跨越了整個(gè)高頻和半個(gè)中頻的帶寬。該半吸收寬帶反映了消聲器在使用中的適應(yīng)性，廣譜的消聲器有更大的使用空間。

該三批次的消聲器結(jié)構(gòu)上的不同僅在于腔深的不同，前者是23mm，后者是34mm，由于外觀完全一致，因而通風(fēng)風(fēng)道的總截面積由0.070m2降到0.060m2，風(fēng)道阻力略有增加，僅提高了腔深11mm，使得消聲器的能力和品質(zhì)有大的提升，也指出了性能進(jìn)一步提高的方向。

5 結(jié)論

通過對(duì)該潔凈房間的空氣凈化器噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與測試，從中可發(fā)現(xiàn)，在狹窄空間，消聲器的可消聲長度尺寸縮短的情況下，設(shè)計(jì)采用雙層微穿孔板消聲器，不僅在體積上進(jìn)行縮小，且在性能上消聲效果從單層微穿孔消聲器在高頻區(qū)消聲跨越到了整個(gè)高頻和半個(gè)中頻的帶寬。

表3 400mm×400mm×718mm消聲器消聲效果倍頻帶插入損失和A計(jì)權(quán)插入損失DA

表4 400mm×400mm×800mm雙層微穿孔板消聲器消聲效果倍頻帶插入損失和A計(jì)權(quán)插入損失DA