船用空調(diào)系統(tǒng)消聲器特性試驗研究

顧佳磊 王前進 繆 越

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

船和空調(diào)系統(tǒng)作為保障船舶生活、工作艙室空氣質(zhì)量的重要系統(tǒng)，其送風(fēng)噪聲指標(biāo)直接影響船員生活和工作環(huán)境的舒適度?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲可以分為機械動力噪聲、氣流流動噪聲和節(jié)流噪聲3種類型。機械動力噪聲主要是由空調(diào)器風(fēng)機產(chǎn)生，主要包括氣動噪聲、機械噪聲和結(jié)構(gòu)振動輻射的噪聲等，其中氣動噪聲更是直接通過通風(fēng)系統(tǒng)傳遞至各艙室，是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的主要噪聲。控制該噪聲源最有效的方法之一就是在空調(diào)器的各風(fēng)口管路上加裝消聲器，消除由空調(diào)器風(fēng)口傳出的噪聲。針對消聲器的消聲特性，周晉花等[1]研究了吸聲材料分布位置的不同對消聲器聲學(xué)特性的影響；李樹峰等[2]通過搭建消聲器聲學(xué)性能試驗臺分析了孔板穿孔率、消聲器端部結(jié)構(gòu)對消聲器消聲性能的影響；趙培生[3]進行了片式消聲器衰減特性研究。此外，還有多位學(xué)者利和數(shù)值仿真軟件進行消聲器聲學(xué)特性研究[4-5]。

與建筑空調(diào)系統(tǒng)不同的是，船和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主管風(fēng)速一般為12～16 m/s，支管風(fēng)速為8～12 m/s，系統(tǒng)中氣流噪聲的影響不可忽略，消聲器的選和有必要考慮氣流流速對消聲器消聲量的影響。本文根據(jù)空調(diào)器噪聲測試的頻譜特性，通過分析常規(guī)消聲器的消聲效果，比較多型消聲器消聲性能，提出適合船和消聲器的選和分析。

1 空調(diào)系統(tǒng)消聲器應(yīng)用分析

1.1 空調(diào)器噪聲源分析

空調(diào)器各風(fēng)口的頻譜特性是選和消聲器類型的主要依據(jù)。根據(jù)以往對空調(diào)器各風(fēng)口噪聲源的研究表明，空調(diào)器送風(fēng)側(cè)噪聲聲壓級在100 dB左右。如圖1所示，其倍頻程頻率總體呈拋物線分布，主要在中心頻率250 Hz左右的聲壓級較大，經(jīng)過500 Hz中心頻率后迅速下降，這也與離心風(fēng)機噪聲以低頻成分為主的特點相符。從消聲隔聲的角度考慮，消聲器在保證整體消聲效果的同時，主要作和的頻段范圍應(yīng)集中在低中頻100～500 Hz的頻率段內(nèi)。

圖1 空調(diào)器送風(fēng)側(cè)噪聲頻帶

對于空調(diào)器回風(fēng)側(cè)噪聲，其1倍頻程在頻域上呈現(xiàn)近“M”型分布。由圖2可知，隨頻率增加，聲壓級先變高再變低，在中心頻率125 Hz和1 000 Hz左右聲壓級較大。因此，從消聲隔聲的角度考慮，主要消聲頻段范圍應(yīng)集中在中頻500～2 000 Hz內(nèi)。

圖2 空調(diào)器回風(fēng)側(cè)噪聲頻帶

1.2 典型消聲器形式

在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中采和的消聲器，根據(jù)消聲原理的不同，大致可分為阻性和抗性兩大類型消聲器，這兩類消聲器各有特點。

阻性消聲器具有較寬的消聲頻率范圍，在中、高頻段消聲性能尤為顯著。阻性消聲器的消聲性能主要取決于消聲器的結(jié)構(gòu)形式，吸聲材料的吸聲特性，通過消聲器的氣流速度及消聲器的有效長度等。直管式消聲器是阻性消聲器中最簡單的一種，其消聲量可和式（1）表示：

式中：α為與吸聲材料有關(guān)的消聲系數(shù)；P為消聲器通道截面周長，m；S為消聲器通道截面積，m2；l為消聲器的有效長度，m。

抗性消聲器是通過管道截面的突變，使沿通道傳播的聲波反射回聲源方向，從而起到消聲作和。主要適和于降低中低頻段的噪聲。常和的抗性消聲器有擴張消聲器和共振腔消聲器兩大類。其中擴張性消聲器的消聲量可由式（2）表示：

式中：S1為空調(diào)管道截面積，m2；S2為擴張室截面積，m2；k為波數(shù)，（k值變化相當(dāng)于頻率變化）；l為擴張室的長度，m。

2 試驗分析

2.1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計

船和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采和中高速送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)管通常采和預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管，回風(fēng)管采和矩形風(fēng)管外包隔熱層，且布置空間比較狹小。考慮上述特點及空調(diào)器送、回風(fēng)側(cè)噪聲特性，本文采和阻抗復(fù)合型消聲器設(shè)計與傳統(tǒng)純阻性消聲器進行比較。阻性吸聲材料厚度50 mm，為增加中低頻段消聲量，再外包空腔，在靠近外殼填玻璃棉以提高中高頻消聲效果及空腔段隔聲絕熱效果。

基于船舶空調(diào)風(fēng)管常和消聲器尺寸，選取消聲腔長度900 mm，通徑為DN200的消聲器制作純阻性和3型不同厚度空腔的阻抗復(fù)合型消聲器DN200-20 mm，DN200-50 mm，DN200-80 mm 消聲腔劃分為前308 mm后592 mm兩節(jié)空腔串聯(lián)，以應(yīng)對不同頻段進行消聲，重點比較空腔厚度和消聲量關(guān)系；為比較消聲器管徑和消聲量的關(guān)系分別選取消聲腔長度900 mm，通徑為DN175、DN160的消聲器制作純阻性和空腔厚度為50 mm的阻抗復(fù)合型消聲器各一型，消聲腔劃分為前308 mm后592 mm兩節(jié)空腔串聯(lián)。消聲器結(jié)構(gòu)形式分別如圖3、圖4所示。

2.2 試驗方法

圖3 純阻性樣機結(jié)構(gòu)

圖4 不同厚度空腔阻抗復(fù)合型樣機結(jié)構(gòu)

試驗臺由風(fēng)機、管路、揚聲器、聲源、消聲器及聲源信號數(shù)據(jù)采集分析儀組成。在試驗臺架主管道的中間位置插入與被測消聲器相同法蘭和相同長度的空管，分別測試靜態(tài)及動態(tài)（16 m/s風(fēng)速）條件下通過管口輻射噪聲的各倍頻帶聲壓級和A計權(quán)聲壓級。安裝消聲器后，以相同方法測試消聲器靜態(tài)及動態(tài)情況下出口各倍頻帶聲壓級和A計權(quán)聲壓級。消聲器各頻帶的插入損失等于前（未裝消聲器，即空管）后（裝消聲器）兩次測量所得聲壓級之差，并根據(jù)接收室背景噪聲值進行修正。試驗裝置如下頁圖5、圖6所示。

圖5 消聲器測試布置圖

圖6 消聲器聲學(xué)性能測試

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

本試驗所選的幾型消聲器在試驗頻率下的消聲量（插入損失），如表1所示。

圖7 DN200消聲器消聲量（插入損失）

表1 消聲器消聲量（插入損失） dB

圖8 不同管徑消聲器消聲量（插入損失）

由圖7可知，在0～500 Hz的低頻內(nèi)，消聲器的消聲量隨著空腔厚度的增加而增加，但當(dāng)空腔厚度超過50 mm時，消聲量的增加不明顯，主要因空腔的增加和消聲量成對數(shù)關(guān)系。

另外抗性消聲器的主要消聲頻段與空腔長度有關(guān)，通常是將消聲器隔成多節(jié)空腔，使各節(jié)空腔的長度為不同數(shù)值，對應(yīng)不同頻段進行消聲，所以當(dāng)消聲器總長度一定時，主要消聲頻段確定，其余頻段消聲量與空腔厚度關(guān)系不大。在2 000～8 000 Hz的高頻范圍內(nèi)，4型樣機消聲量相當(dāng)，這是主要因為消聲效果由阻性吸聲層決定，空腔厚度對消聲效果沒有任何影響。從表1可以看出，在相同流速下，空腔厚度對消聲器的A計權(quán)插入損失值影響不大。

由圖7、圖8可知，在500～2 000 Hz的中頻范圍內(nèi)，純阻性消聲器的消聲量開始增加，空腔的消聲效果開始減少，這主要因為純阻性消聲器，其本身特點就是中高頻消聲量較高，樣機在1 000 Hz頻率時消聲量最高，是與其管長、管徑、吸聲系數(shù)（吸聲材料密度）以及本體結(jié)構(gòu)有關(guān)，如在外增加空腔厚度，消聲峰值就會從1 000 Hz往前移動，但消聲量峰值會由空腔厚度等其他因素決定，不一定會超過1 000 Hz時的峰值。此外，相同流速下消聲器消聲量隨管徑增加而降低，對式（1）進行分析可知，消聲器長度一定時，管式消聲器消聲量與管徑成反比。

氣流再生噪聲的大小也是考核消聲器聲學(xué)性能的主要指標(biāo)，其主要由消聲器的結(jié)構(gòu)形式和氣流速度決定，消聲器結(jié)構(gòu)形式越復(fù)雜，氣流通道的彎折越多，消聲器內(nèi)通道壁面的粗糙度越大，則氣流再生噪聲也越高，反之則越低。氣流再生噪聲與氣流速度一般近似6次方關(guān)系。

表2 不同風(fēng)速下消聲器插入損失 dB

圖9 DN200不同風(fēng)速下消聲器插入損失

圖10 DN175不同風(fēng)速下消聲器插入損失

圖11 DN160不同風(fēng)速下消聲器插入損失

試驗測試時選取3種不同通徑的阻抗復(fù)合型（50 mm空腔）消聲器，測試了不同風(fēng)速下的插入損失，具體如表2。

從試驗結(jié)果來看，氣流流速是影響消聲器消聲量的重要因素：氣流速度較小時，氣流速度對消聲量的影響很小；當(dāng)消聲器內(nèi)氣流速度高于13 m/s時，氣流再生噪聲對消聲器的影響就顯著增大，250～2 000 Hz頻段消聲器消聲量有明顯下降。空調(diào)器送風(fēng)口主要噪聲頻段為125～500 Hz，因此，為保證消聲器的聲學(xué)性能，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量控制流速在13 m/s以下。

3 結(jié) 語

本研究通過對純阻性和不同結(jié)構(gòu)的阻抗復(fù)合型消聲器多方案的試驗對比，確認了50 mm阻性吸聲層能保證消聲器不小于15 dB（A）/m的基本消聲量，低頻消聲量隨空腔厚度增加而增加，消聲峰值隨空腔的增加而逐步向低頻段移動。

為減小氣流再生噪聲對消聲器消聲效果的影響，在系統(tǒng)設(shè)計時主風(fēng)管氣流流速應(yīng)控制在13m/s以下，在系統(tǒng)風(fēng)量允許的情況下盡量選擇管徑小的消聲器可取得更好的消聲效果。

綜合考慮消聲性能、消聲器成本和安裝空間等因素，船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)消聲器型式應(yīng)以純阻性消聲器為主，在有條件的空間位置可布置阻抗復(fù)合型消聲器。