通風(fēng)工程常用消聲器傳遞損失研究

楊芳乙，李旭巍，李力克，石國(guó)兵，王鵬

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

消聲器是一種既能允許流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)，又能有效抑制噪聲傳播的器件。在各種通風(fēng)系統(tǒng)工程中，最常見的消聲器結(jié)構(gòu)形式是片式消聲器和矩陣消聲器[1]。

目前，針對(duì)這兩款常用的消聲器，主要采用在消聲器動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)其消聲性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，但大量的實(shí)測(cè)不僅試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，而且對(duì)于超過(guò)實(shí)驗(yàn)室安裝條件的消聲器還存在無(wú)法測(cè)試的情況。 利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)對(duì)消聲器消聲性能進(jìn)行仿真模擬， 不僅可快速評(píng)價(jià)消聲器設(shè)計(jì)方案的消聲效果，而且可以避免重復(fù)繁瑣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)證，縮短了試驗(yàn)周期，降低了開發(fā)成本，對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及工程應(yīng)用具有重要參考意義。

本文以目前常用的兩款聲學(xué)仿真模擬軟件——LMS Virtual Lab Acoustic 和COMSOL 為基礎(chǔ)，詳細(xì)探討通風(fēng)工程中常用兩款消聲器的傳遞損失。

1 消聲器聲學(xué)性能仿真模擬

1.1 片式消聲器聲學(xué)性能仿真模擬

片式消聲器一般具有較大的進(jìn)出口橫截面積， 容易激發(fā)高階模態(tài)聲波，需要用三維理論進(jìn)行計(jì)算和分析， 采用LMS Virtual Lab Acoustic 聲學(xué)仿真軟件對(duì)片式消聲進(jìn)行三維數(shù)值模擬[2]。

對(duì)于線性有限元和邊界元模型，為保證其計(jì)算精度，劃分的最大單元長(zhǎng)度L應(yīng)滿足：

式中：c——某流體介質(zhì)中的聲速； fmax——高計(jì)算頻率。

在LMS Virtual.Lab12 以后版本中，采用FEMAO 技術(shù)（FEM Adaptive Order）求解方式，該求解技術(shù)為聲學(xué)分析提供了高階自適應(yīng)有限元解決方法[3]。

片式消聲器采用通流面積比為50%、片厚150mm、長(zhǎng)度為2.0m 的片式消聲器（150mm、50%、2.0m，不帶吸聲襯墊，玻璃棉密度取32kg/m3）作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)三維數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)）進(jìn)行對(duì)比，分析研究數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

多孔材料的流阻率一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得， 對(duì)于具有均勻纖維直徑、少量粘合劑的纖維材料，其流阻率也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，Bies 和Hanson 在1980年提出了多孔性材料流阻的經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

式中：ρ 為材料密度；da為平均纖維孔直徑，此處取為10μm，流阻率為6387 Pa·s/m2。

片式消聲器三維數(shù)值仿真結(jié)果云圖如圖1 所示，將片式消聲器仿真計(jì)算所得傳遞損失數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)插入損失數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2 所示。通過(guò)對(duì)比片式消聲器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和軟件仿真模擬數(shù)據(jù)可知：

圖1 片式消聲器仿真結(jié)果云圖

圖2 片式消聲器仿真結(jié)果對(duì)比

（1）采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬片式消聲器傳遞損失，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致；

（2） 模擬數(shù)據(jù)在500Hz 以后偏高，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬消聲器傳遞損失，離不開消聲器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為標(biāo)定，在標(biāo)定修正完成的情況下，利用軟件模擬消聲器傳遞損失，可實(shí)現(xiàn)較高的精度。

1.2 矩陣消聲器聲學(xué)性能仿真模擬

COMSOL Multiphysics 是一款以有限元理論為核心算法的多物理場(chǎng)仿真軟件，可快速、準(zhǔn)確地模擬各類流體、固體中的聲音傳播，從而求解各類經(jīng)典聲學(xué)問(wèn)題[5]。 與LMS Virtual Lab Acoustic 聲學(xué)仿真軟件計(jì)算相比，COMSOL 參數(shù)化建模功能和參數(shù)化掃描研究功能， 可更高效地對(duì)模型計(jì)算進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和分析。 因此，以COMSOL 軟件對(duì)矩陣式消聲器的傳遞損失進(jìn)行研究。

矩陣式消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 3m長(zhǎng)矩陣消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3m 長(zhǎng)矩陣消聲器實(shí)測(cè)插入損失性能如表2 所示。

表2 3m長(zhǎng)矩陣消聲器實(shí)測(cè)插入損失性能表(單位/dB)

矩陣消聲器矩陣單元輸入?yún)?shù)如表3 所示。

表3 矩陣消聲器輸入?yún)?shù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，矩陣消聲器三維模擬結(jié)果如圖3 所示，將矩陣消聲器仿真計(jì)算所得傳遞損失數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)插入損失數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。

圖3 矩陣消聲器仿真結(jié)果云圖

圖4 矩陣消聲器模擬和測(cè)試對(duì)比

將軟件模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知：

（1） 采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬矩陣消聲器傳遞損失，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致；

（2） 模擬數(shù)據(jù)在500Hz 以后偏高，但與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差值相比，采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬值和實(shí)測(cè)值偏差較小。

2 消聲器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳遞損失的影響研究

2.1 不同孔徑的穿孔護(hù)面板影響

對(duì)不同孔徑的穿孔板護(hù)面進(jìn)行研究，依次取消聲器穿孔護(hù)面板孔徑0.10mm、0.12mm、0.15mm 和0.20mm， 得出傳遞損失曲線圖，如圖5 所示。

通過(guò)圖5 可知， 在一定范圍內(nèi)， 孔徑越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。

圖5 不同孔徑傳遞損失結(jié)果

2.2 不同板厚的穿孔護(hù)面板影響

對(duì)不同板厚的穿孔護(hù)面板進(jìn)行研究， 依次取消聲器穿孔護(hù)面板板厚為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，得出傳遞損失曲線，如圖6 所示。

由圖6 可知，在一定范圍內(nèi)，穿孔護(hù)面板板厚越小，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。

圖6 不同板厚傳遞損失結(jié)果

2.3 不同吸聲材料影響

常用離心玻璃棉吸聲材料密度參數(shù)及其對(duì)應(yīng)流阻率如表4 所示。

表4 玻璃棉密度及其流阻率

對(duì)不同密度和流阻率的離心玻璃棉進(jìn)行研究， 傳遞損失曲線如圖7 所示。

由圖7 可知，吸聲材料流阻率越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。在1000Hz 處，不同流阻率所對(duì)應(yīng)的傳遞損失存在一個(gè)上限， 即傳遞損失值不會(huì)隨著流阻率的增加而不斷增加。

圖7 不同流阻率傳遞損失結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

以消聲器傳遞損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)通風(fēng)工程中常用的兩款消聲器——片式消聲器和矩陣消聲器進(jìn)行了仿真模擬，比較了模擬傳遞損失和實(shí)測(cè)插入損失的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

（1）采用Virtual Lab Acoustic 軟件和COMSOL Multiphysics軟件， 模擬消聲器傳遞損失， 模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致；

（2） 模擬數(shù)據(jù)在500Hz 以后偏高， 但采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在的偏差， 比采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬值和實(shí)測(cè)值偏差小；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬消聲器傳遞損失，離不開消聲器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為標(biāo)定，在標(biāo)定修正完成的情況下，利用軟件模擬消聲器傳遞損失可實(shí)現(xiàn)較高的精度；

（4） 同 時(shí) 利 用Virtual Lab Acoustic 軟 件 和COMSOL Multiphysics 軟件，研究矩陣消聲器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響，在一定范圍內(nèi)，消聲器穿孔護(hù)面板孔徑越大，板厚越小，吸聲材料流阻率越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。超過(guò)一定范圍后，隨著流阻率增加，分頻處傳遞損失值存在上限值，不再增加。 片式消聲器和矩陣消聲器同屬于阻性消聲器，只是結(jié)構(gòu)形式不同，以上結(jié)論同樣適用。