吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)及用戶體驗(yàn)下的噪聲差異分析

黃 樸，肖林輝，烏勝斌

（廣東中山百得廚衛(wèi)有限公司，廣東中山528478）

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17713－2011 吸油煙機(jī)》中采用全球包絡(luò)法對(duì)吸油煙機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)定。按國(guó)標(biāo)規(guī)定，測(cè)定吸油煙機(jī)噪聲時(shí)不外接煙管，4個(gè)噪聲測(cè)試點(diǎn)A、B、C、D 分別處于比被測(cè)吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)葉輪中心低1 m的水平平面與球表面相交形成的周圍上均布的4 個(gè)位置。而在用戶體驗(yàn)條件下，吸油煙機(jī)需通過彎曲的煙管連接公共煙道，往往在出口處形成了背壓，對(duì)噪聲有較大影響。另外，在用戶體驗(yàn)條件下，噪聲測(cè)試點(diǎn)應(yīng)為在實(shí)際烹飪情況下人耳所處的位置，與國(guó)標(biāo)噪聲測(cè)試點(diǎn)有所不同。綜上，吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)與用戶體驗(yàn)下的噪聲有很大的差異性[1]。

Actran 是比利時(shí)FFT（Free Field Technologies）公司開發(fā)的噪聲分析軟件[2]，其中Aero-Acoustic 是預(yù)測(cè)湍流噪聲的聲學(xué)模塊，多應(yīng)用于航空、汽車、船舶行業(yè)的氣動(dòng)噪聲計(jì)算。白長(zhǎng)安等[3]采用CFD軟件與Actran結(jié)合的方法，對(duì)汽車風(fēng)噪聲進(jìn)行了計(jì)算，并分析了聲壁面脈動(dòng)壓力和湍流壁面脈動(dòng)壓力對(duì)車內(nèi)駕駛員人耳處的貢獻(xiàn)率。張?jiān)侜t等[4]利用Actran 基于Lighthill聲類比理論對(duì)船艦管路系統(tǒng)中閥門水動(dòng)力流噪聲進(jìn)行了求解，與實(shí)際測(cè)量值誤差僅3 %。文中基于瞬態(tài)CFD 與Actran 聯(lián)合方法對(duì)吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)兩種情況下的噪聲進(jìn)行了模擬研究，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了其差異性。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1 氣動(dòng)噪聲方程

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲主要由兩類噪聲構(gòu)成，分別為葉片倍頻噪聲（由于葉片周期性轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致在特定基頻與倍頻處的噪聲）和渦流噪聲（由于湍流產(chǎn)生的寬頻噪聲，在整個(gè)頻率區(qū)間無非常明顯的起伏）[5]。Lighthill聲類比方法對(duì)于馬赫數(shù)低于0.3的氣流噪聲有很好預(yù)測(cè)性，依據(jù)高斯定理將離心風(fēng)機(jī)中紊亂體聲源項(xiàng)積分得到面聲源項(xiàng)，將面上的聲源波動(dòng)作為風(fēng)機(jī)的聲源項(xiàng)，從而進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的傳播計(jì)算，高斯方程[6]如下：

式中：Fi為向量場(chǎng)，xi為點(diǎn)坐標(biāo)，ni為曲面通量，方程左側(cè)為封閉空間里的聲源體積分項(xiàng)，方程右側(cè)為封閉空間曲面的聲源面積分項(xiàng)?；谒矐B(tài)CFD 的計(jì)算結(jié)果，在Actran 中提取流場(chǎng)聲源后以體聲源和面聲源的方法計(jì)算風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲，其計(jì)算理論方程如下：

式中：N為向量場(chǎng)，xi為點(diǎn)坐標(biāo)，ni為曲面通量，ρ為氣體密度，c0為聲速，ω為通量密度，Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量，方程左側(cè)為聲音波動(dòng)算子項(xiàng)，方程右側(cè)為基于流場(chǎng)數(shù)據(jù)提取的面聲源項(xiàng)和體聲源項(xiàng)。

1.2 仿真計(jì)算模型

在Actran中計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械類噪聲有3種方法：

（1）解析聲源法：對(duì)于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如果劃分網(wǎng)格進(jìn)行流體計(jì)算，計(jì)算量會(huì)很大，這時(shí)往往會(huì)采用解析生源法，采用Rotor Noise直接算葉片倍頻噪聲。

（2）CFD穩(wěn)態(tài)法[7]：通過提取穩(wěn)態(tài)CFD流場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算葉片倍頻噪聲，相比于解析聲源法有更高的精度。

（3）CFD瞬態(tài)法[8]：通過提取周期性瞬態(tài)CFD流場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算葉片倍頻噪聲和渦流噪聲，相比于以上兩種方法有更高的精度，但是計(jì)算量較大。

本文采用第3種瞬態(tài)CFD方法計(jì)算歐式吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)下的氣動(dòng)噪聲，將吸油煙機(jī)三維模型簡(jiǎn)化后，得到最終的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型

將三維模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算[9]。首先采用RNGk-ε湍流模型結(jié)合SIMPLEC速度-壓力算法求解離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，待其收斂后，基于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)采用大渦模擬LES（Large Eddy Simulation）進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算[10]，待其監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓呈現(xiàn)周期性變化后，以Ensight Gold中間格式輸出瞬態(tài)流場(chǎng)的速度項(xiàng)和密度項(xiàng)，以便導(dǎo)入Actran進(jìn)行噪聲計(jì)算。在Actran 中，通過ICFD Analysis 提取瞬態(tài)流場(chǎng)噪聲源，并將噪聲時(shí)域信息轉(zhuǎn)換為頻域信息，基于其結(jié)果通過直接頻譜分析DFR（Direct Frequency Response）計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲傳播[11]。以吸油煙機(jī)風(fēng)輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在國(guó)標(biāo)下噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(1,1,0)、B(0,1,1)、C(-1,1,0)、D(0,1,-1)，在用戶體驗(yàn)下取身高1.6 m 的家庭主婦人耳所在處為噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為a(1,0.1,0)、b(0,0.1,1)、c(-1,0.1,0)、d(0,0.1,-1)。因吸油煙機(jī)采用交流電機(jī)，其轉(zhuǎn)速隨著外部背壓的變動(dòng)而有所波動(dòng)，為使模擬設(shè)置更加貼近實(shí)際情況，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)量及最大靜壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速、風(fēng)量及最大靜壓曲線圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速、風(fēng)量及最大靜壓曲線圖

當(dāng)背壓為0時(shí)為國(guó)標(biāo)情況，此時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為790 r/min。在實(shí)際用戶條件下接煙管后對(duì)煙機(jī)進(jìn)行了風(fēng)量測(cè)試，此時(shí)風(fēng)量相比于國(guó)標(biāo)情況減少了1 m3/min，對(duì)應(yīng)圖2可知此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為820 r/min。在模擬過程中將國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)下實(shí)際測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為參數(shù)以減少誤差。

2 數(shù)值分析

2.1 流場(chǎng)分析

基于CFD-POST對(duì)吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)及用戶體驗(yàn)條件下內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，吸油煙機(jī)子午面的速度云圖如圖3所示。

圖3 子午面速度云圖

從圖3可以看到，在國(guó)標(biāo)情況下，吸油煙機(jī)未接煙管而氣流直接吹向大氣，據(jù)伯努利原理，流體流動(dòng)管道面積突然擴(kuò)大到無限大，流體與壁面分離并形成漩渦，必然產(chǎn)生局部的流動(dòng)能量損失，且在煙機(jī)出口處形成紊亂的氣流區(qū)。在用戶體驗(yàn)的情況下，吸油煙機(jī)出口處有一定的背壓存在，導(dǎo)致機(jī)轉(zhuǎn)速也有所提升，所以吸油煙機(jī)內(nèi)部氣流相對(duì)紊亂，其最大氣流速度達(dá)到24.25 m/s，相比國(guó)標(biāo)增大了8%。但是，外接煙管的導(dǎo)流作用使氣流的紊亂區(qū)遠(yuǎn)離煙機(jī)，這也是在用戶體驗(yàn)情況下，雖然其轉(zhuǎn)速上升但噪聲體驗(yàn)卻會(huì)更好的原因之一，煙機(jī)氣流流線圖如圖4所示。

圖4 氣流流線圖

2.2 噪聲場(chǎng)分析

采用Actran VI 模塊進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)噪聲源的提取和聲傳播的計(jì)算，以lighthill surface 及l(fā)ighthill volume設(shè)置噪聲源。將風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域體積噪聲積分到風(fēng)輪與風(fēng)柜的交界面作為面生源，將風(fēng)柜區(qū)域作為體聲源[12]，計(jì)算得到吸油煙機(jī)表面的聲壓云圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)條件下，吸油煙機(jī)內(nèi)部的聲壓級(jí)分布基本一致，最大聲壓級(jí)區(qū)域主要分布在風(fēng)輪和風(fēng)柜處，可知離心風(fēng)機(jī)為吸油煙機(jī)的主要噪聲源，用戶體驗(yàn)條件下煙機(jī)內(nèi)部最大聲壓值為77.3 dB，比國(guó)標(biāo)條件下高出2.4 dB。在Actran PLT 模塊中對(duì)所監(jiān)測(cè)的噪聲點(diǎn)進(jìn)行分析，聲壓1/3倍頻圖如圖6所示。

圖5 聲壓云圖

從圖6 可以看出，吸油煙機(jī)噪聲主要集中在中頻500 Hz～1 500 Hz之間，低頻區(qū)間噪聲較小，高頻區(qū)間噪聲較為穩(wěn)定，針對(duì)吸油煙機(jī)在特定頻率下噪聲較大的現(xiàn)象，可通過被動(dòng)消聲降低特定頻率下的噪聲。用戶體驗(yàn)條件下各頻率區(qū)間的噪聲值都要小于國(guó)標(biāo)條件下的噪聲值，噪聲模擬數(shù)值表如表1所示。

圖6 聲壓1/3倍頻圖

表1 噪聲模擬數(shù)值表/dB

從表1 可以看出，用戶體驗(yàn)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲比國(guó)標(biāo)下噪聲平均低2.1 dB，其一是因?yàn)橥饨訜煿艿膶?dǎo)流作用使氣流紊亂區(qū)遠(yuǎn)離了噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其二是因?yàn)闅W式煙機(jī)特定的結(jié)構(gòu)使噪聲由油網(wǎng)向下傳播，而用戶體驗(yàn)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)不在噪聲的傳播核心區(qū)，從而使噪聲相對(duì)較低[13]。

3 噪聲測(cè)試及比較分析

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)吸油煙機(jī)進(jìn)行了噪聲的實(shí)際測(cè)量。設(shè)備采用AWA6290L型多通道信號(hào)分析儀，采用GB/T6882－2008消聲室和半消聲室精密法能達(dá)到1 級(jí)準(zhǔn)確度。AWA14423 型測(cè)試傳感器放置位置與模擬過程中設(shè)置的噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)一致，噪聲測(cè)試圖如圖7所示。

圖7 噪聲測(cè)試圖

將噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)A/a實(shí)際測(cè)量頻譜圖與模擬計(jì)算頻譜圖進(jìn)行對(duì)比，得到聲壓頻譜圖對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，兩個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)A/a模擬計(jì)算頻譜圖和實(shí)際測(cè)量頻譜圖趨勢(shì)基本吻合。模擬噪聲頻譜圖聲壓上下幅值的跳動(dòng)更加明顯，實(shí)際噪聲頻譜圖聲壓上下幅值的跳動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，主要原因是在瞬態(tài)模擬過程中采用的LES大渦模擬精確求解了某個(gè)尺度上所有湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，從而捕捉到RANS（Reynolds-average navier-stokes）方法無法求出的許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)和擬序結(jié)構(gòu)。將模擬計(jì)算噪聲值與實(shí)際測(cè)量噪聲值進(jìn)行對(duì)比，噪聲模擬與實(shí)際數(shù)值表如表2所示。

圖8 聲壓頻譜圖對(duì)比

從表2 可以看出，噪聲實(shí)際值比模擬值普遍要高出2 dB～4 dB，但是誤差均在10%以內(nèi)。用戶體驗(yàn)下噪聲模擬值比國(guó)標(biāo)下噪聲模擬值平均要低2.1 dB，用戶體驗(yàn)下噪聲實(shí)際值比國(guó)標(biāo)下噪聲實(shí)際值平均要低1.28 dB，噪聲模擬值在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)兩種條件下的變化趨勢(shì)與噪聲實(shí)際值的變化趨勢(shì)趨同，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了噪聲模擬計(jì)算方法的正確性。

表2 噪聲模擬與實(shí)際數(shù)值表/dB

4 結(jié)語

本文基于聲學(xué)仿真軟件Actran對(duì)吸油煙機(jī)在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)兩種不同條件下的噪聲進(jìn)行了模擬研究，并與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)和頻譜進(jìn)行了對(duì)比，探究了在國(guó)標(biāo)和用戶體驗(yàn)條件下吸油煙機(jī)的噪聲差異，為家電行業(yè)制定吸油煙機(jī)的噪聲評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)提供了新參考，主要結(jié)論如下：

（1）基于瞬態(tài)CFD+Actran 的聲學(xué)模擬方法對(duì)吸油煙機(jī)噪聲有很好的預(yù)測(cè)能力，模擬值和實(shí)際值噪聲頻譜趨勢(shì)一致且數(shù)值誤差保持在10%以內(nèi)。

（2）吸油煙機(jī)噪聲主要來源于風(fēng)輪風(fēng)柜，用戶體驗(yàn)條件下吸油煙機(jī)內(nèi)部聲壓比國(guó)標(biāo)條件下高2.4 dB，噪聲最大值穩(wěn)定在頻率500 Hz～1 500 Hz之間，屬于中頻噪聲。

（3）由于受到歐式吸油煙機(jī)的特定結(jié)構(gòu)以及用戶體驗(yàn)下的特定工況影響，用戶體驗(yàn)條件下噪聲數(shù)值比在國(guó)標(biāo)條件下平均低2.1 dB。