劉 悅，溫華兵，張 帆，吳俊杰，黃偉稀

（1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082）

為了提高船員的工作壞境舒適性，大多數(shù)船舶配備了船用空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，其中通風(fēng)管道是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要部件。

由于空調(diào)通風(fēng)管道延伸至各個(gè)艙室，空調(diào)等機(jī)械裝置產(chǎn)生的噪聲也會(huì)隨著管道中的氣流進(jìn)入艙室中進(jìn)而影響艙室環(huán)境舒適性。由于通風(fēng)系統(tǒng)中管道眾多，極易成為傳播噪聲的一個(gè)重要途徑，所以針對(duì)管道降噪已經(jīng)成為船舶噪聲控制的重要問題[1]。管道噪聲主要是由于管壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和管內(nèi)流體產(chǎn)生湍流引起[2]，所以當(dāng)通風(fēng)管道中有氣流流動(dòng)時(shí)，管中既會(huì)產(chǎn)生管道結(jié)構(gòu)噪聲又會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，而且噪聲會(huì)沿著管道直接傳遞到艙室中。為了減小管道噪聲，一般采取的方式是給管道包覆吸聲材料[3]，進(jìn)行整段管道包覆需要花費(fèi)大量的包覆材料，而且會(huì)耗費(fèi)大量的改造時(shí)間和費(fèi)用。本文設(shè)計(jì)的阻性消聲筒是一種安裝于船舶通風(fēng)管道系統(tǒng)末端處的內(nèi)插式吸聲裝置，由穿孔管與吸聲材料組成。該裝置不僅能降低艙室中的氣動(dòng)噪聲，而且不用改變?cè)械墓苈吩O(shè)計(jì)，可節(jié)約改造費(fèi)用和改造時(shí)間。

文中根據(jù)吸聲材料類別與厚度的不同設(shè)計(jì)了8種阻性消聲筒，運(yùn)用有限元法(FEM)、混合法(FESEA)以及統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)對(duì)消聲筒的傳遞損失和插入損失進(jìn)行計(jì)算分析，通過實(shí)驗(yàn)法對(duì)靜態(tài)聲源下消聲筒的消聲效果進(jìn)行了測量。采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的分析方法驗(yàn)證了消聲筒仿真計(jì)算方法的可行性；根據(jù)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，給出了有效的消聲筒設(shè)計(jì)方案。文中僅研究管道內(nèi)無氣流存在時(shí)消聲筒的靜態(tài)消聲性能，不考慮由聲源造成的輻射噪聲以及結(jié)構(gòu)噪聲，管道內(nèi)存在氣流的動(dòng)態(tài)測試將在以后進(jìn)行。本文的研究對(duì)于消聲筒裝置的工程應(yīng)用以及方法研究都有一定的意義。

1 通風(fēng)管道消聲筒消聲性能仿真分析

1.1 仿真模型建立

管道噪聲分析頻率范圍為100 Hz～5 000 Hz，涵蓋了管道噪聲的低、中以及高頻域，雖然理論上可以直接用有限元法(FEM)進(jìn)行100 Hz～5 000 Hz 頻域仿真計(jì)算，但考慮到劃分的網(wǎng)格數(shù)量以及計(jì)算時(shí)間，本文采取有限元法(FEM)、混合法(FE-SEA)以及統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)分別對(duì)低、中以及高頻域進(jìn)行計(jì)算，以縮短計(jì)算時(shí)間和運(yùn)算量。計(jì)算頻率范圍將通過“單位帶寬模態(tài)數(shù)N”進(jìn)行判斷，具體的標(biāo)準(zhǔn)為[4-6]：

（1）N＞5，則該頻段屬于高頻段，運(yùn)用SEA計(jì)算；

（2）1≤N≤5，則該頻段屬于中頻段，運(yùn)用FESEA計(jì)算；

（3）N＜1，則該頻段屬于低頻段，運(yùn)用FEM 計(jì)算。最終，結(jié)果通過對(duì)各個(gè)頻段模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出消聲筒的傳遞損失以及插入損失曲線，得到全頻域計(jì)算結(jié)果。

管道模型包括了17m 長的管道，管道內(nèi)徑為160 mm，外徑為175 mm，管道材料為15 mm厚的巖棉夾心板（0.7 mm 鍍鋅板+13.6 mm 巖棉+0.7 mm 鍍鋅板），鍍鋅板的密度ρ1=7 800 kg/m3，楊氏模量E1=200 GPa，巖棉的密度ρ2=80 kg/m3。為了分析消聲筒在100 Hz～5 000 Hz 頻段的聲固耦合狀態(tài)，需要分別建立管道的低頻域有限元模型、中頻域混合法模型以及高頻域統(tǒng)計(jì)能量法模型。為了確定整個(gè)頻域有限元法、混合法、統(tǒng)計(jì)能量法適用的頻率區(qū)間，通過VA-one 軟件建立管道系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量法SEA 模型，包含直管1至4、彎管1、彎管2、測點(diǎn)管段1、測點(diǎn)管段2、消聲管道（對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的消聲筒）以及它們所對(duì)應(yīng)的聲腔，具體模型以及管道分布如圖1所示。

圖1 管道系統(tǒng)的SEA模型

管道系統(tǒng)中管道結(jié)構(gòu)與聲腔子系統(tǒng)在單位頻帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)[7]分別如圖2和圖3所示。

圖2 管道結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)單位頻帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)

圖3 聲腔子系統(tǒng)單位頻帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)

結(jié)果表明：

（1）管道結(jié)構(gòu)、聲腔子系統(tǒng)在2 500 Hz 以上都滿足統(tǒng)計(jì)能量法的分析要求；

（2）在1 250 Hz～2 000 Hz 都滿足混合法分析要求；

（3）在100 Hz～1 000 Hz 能夠滿足有限元法分析要求。

在確定了有限元法、混合法以及統(tǒng)計(jì)能量法的分析頻段后，再通過軟件建立管道系統(tǒng)有限元模型以及混合法模型。模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 管道系統(tǒng)FEM模型

圖5 管道系統(tǒng)FE-SEA模型

1.2 仿真計(jì)算分析

通過仿真對(duì)比不同吸聲處理方式對(duì)該通風(fēng)管道吸聲性能的影響，吸聲處理方式通過NCT 功能實(shí)現(xiàn)[8]（輸入各個(gè)方案的吸聲系數(shù)A），幾種吸聲處理方式如表1所示。

表中l(wèi)ayer1 到layer3 分別表示為從管道結(jié)構(gòu)側(cè)到管道內(nèi)部流體側(cè)吸聲材料的組合形式，示意圖如圖6所示。

其中穿孔管分為內(nèi)徑140 mm（管A）和120 mm（管B）2 種，管壁厚度為1 mm，穿孔筒的長度都為1 m，穿孔率為35 %，孔徑為3 mm，孔間距為5 mm。吸聲材料分別為厚10 mm、面密度ρM1=800 g/m2的針刺棉和厚10 mm、面密度ρM2=400 g/m2的超細(xì)纖維，下文實(shí)驗(yàn)中所用的吸聲材料、穿孔管的屬性以及兩者的組合方式與表1中相同。

圖6 組合形式示意圖

為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)消聲筒的消聲性能，在仿真前首先利用駐波管測出吸聲材料的吸聲系數(shù)A（N0 為管道內(nèi)無吸聲材料，故吸聲系數(shù)A近似為0），具體數(shù)值如圖7所示。

圖7 各種材料的吸聲系數(shù)

為了使仿真結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更吻合，將實(shí)測的聲源出口聲壓級(jí)LP施加到通風(fēng)管道模型入口，作為通風(fēng)管道的激勵(lì)載荷。通過測試測點(diǎn)管段1（入口）、測點(diǎn)管段2（出口）處的聲壓級(jí)LP1i和LP2i（i=0～8），根據(jù)式（1）計(jì)算出消聲管道的傳遞損失LTLi（i=0～8），根據(jù)式（2）計(jì)算得到消聲管道的插入損失LILi（i=1～8），分別如圖8和圖9所示。

表1 不同的吸聲處理方式

圖8 消聲筒的傳遞損失仿真結(jié)果

圖9 消聲筒的插入損失仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示：

（1）消聲筒在1 000 Hz～5 000 Hz 有良好的消聲效果，其傳遞損失LTL和插入損失LIL能夠達(dá)到4 dB以上，在1 250 Hz～4 000 Hz頻段能夠達(dá)到10 dB左右；

（2）消聲筒在4 000 Hz～5 000 Hz 處的傳遞損失LTL和插入損失LIL隨著頻率的增加而下降；

（3）在400 Hz～1 000 Hz 這一頻段可以看出方案N4 至N6 的消聲效果要好于其余幾個(gè)方案，其傳遞損失LTL和插入損失LIL平均提高了2 dB左右。

由于消聲筒在4 000 Hz～5 000 Hz 處的消聲效果降低，所以根據(jù)式（3）計(jì)算出消聲筒的上限截止頻率，其中c為聲速，取c=340 m/s，D為消聲筒的內(nèi)徑（單位：mm）。

設(shè)計(jì)的消聲筒可分為2 類，一類是10 mm 厚吸聲材料的消聲筒（N1 和N2），另一類是20 mm 厚吸聲材料的消聲筒（N3 至N8），其內(nèi)徑分別為DA=120 mm和DB=140 mm。所以，消聲筒N1至N2的上限截止頻率為fs1=5 241.7 Hz，N3 至N8 的上限截止頻率為fs2=4 492.9 Hz。所以消聲筒傳遞損失以及插入損失在靠近5 000 Hz時(shí)迅速下降。

2 消聲筒消聲性能分析

2.1 消聲實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證插入式消聲筒仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了一個(gè)消聲筒消聲性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，臺(tái)架如圖10所示。

圖10 消聲筒消聲性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)圖

臺(tái)架主要由喇叭、信號(hào)發(fā)生器以及管道組成，將喇叭放入管道入口內(nèi)并將其連接信號(hào)發(fā)生器，通過信號(hào)發(fā)生器使喇叭發(fā)出白噪聲。喇叭與信號(hào)發(fā)生器放置在消聲室中防止喇叭輻射出管道的噪聲影響測試結(jié)果。信號(hào)發(fā)生器的掃頻頻率設(shè)為100 Hz～10 000 Hz，信號(hào)幅值為10VRMS。將喇叭放進(jìn)管道入口后，需將入口處密封防止漏聲。

在安裝消聲筒的管道開2 個(gè)孔，孔的位置分別在消聲筒的進(jìn)口與出口附近，將孔中插入2 個(gè)傳聲器分別定為測點(diǎn)1和測點(diǎn)2，測點(diǎn)布置如圖11所示。

開展實(shí)驗(yàn)并測得實(shí)驗(yàn)方案中各個(gè)消聲筒在測點(diǎn)1和測點(diǎn)2處的聲壓級(jí)。

通過數(shù)據(jù)處理得到各實(shí)驗(yàn)方案中消聲筒的傳遞損失LTLi（i=0～8）、插入損失LILi（i=1～8）分別如圖12和圖13所示，

（1）在160 Hz～5 000 Hz頻段，方案N1至N8的傳遞損失LTL值和插入損失值LIL要大于N0（參考組），但在100 Hz～160 Hz 頻段，幾個(gè)方案的消聲效果并不理想，主要是由于吸聲材料在該頻段的吸聲系數(shù)較低；

（2）對(duì)比N1、N3 以及N2、N4 發(fā)現(xiàn)，N3 和N4 在160 Hz～5 000 Hz 的傳遞損失LTL值和插入損失值LIL要大于N1 和N2，說明對(duì)于同種吸聲材料的消聲筒，吸聲材料厚度越大其吸聲效果越好，增加吸聲材料厚度還能提高消聲筒在低頻處的吸聲效果；

圖11 測點(diǎn)布置示意圖

圖12 消聲筒的傳遞損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 消聲筒的插入損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（3）對(duì)比N5 至N8 發(fā)現(xiàn)，吸聲材料厚度相同的情況下，不同材料進(jìn)行疊加可以得到更好的吸聲效果，這是由于不同吸聲材料的疊加改變了消聲筒內(nèi)壁的阻抗特性。

2.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

將方案N1至N8的消聲性能仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖14和圖15所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)方案的仿真值與實(shí)測值相近，在100 Hz～5 000 Hz的趨勢基本相同，說明采用FEM、FE-SEA 混合法以及SEA 組合方案進(jìn)行管道消聲性能仿真計(jì)算的方法是可行的。但在仿真時(shí)沒有考慮管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的再生噪聲以及管道輻射出的噪聲，導(dǎo)致消聲筒仿真結(jié)果在中頻段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差相對(duì)較大，約在3 dB左右。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了8 種船用通風(fēng)管道消聲筒，分別采用FEM、FE-SEA 混合法、SEA 對(duì)其消聲性能進(jìn)行仿真計(jì)算，采用實(shí)驗(yàn)測試了消聲筒的消聲值，可得到以下主要結(jié)論：

（1）采用FEM、FE-SEA 混合法、SEA 相結(jié)合的方法可以有效、準(zhǔn)確地對(duì)消聲筒的消聲性能進(jìn)行仿真分析。

（2）設(shè)計(jì)的消聲筒在200 Hz～3 150 Hz 有較好的消聲效果，方案N6 的傳遞損失LTL值最高達(dá)到10 dB，但在低頻消聲效果一般，插入損失LIL在3 dB 左右；在3 150 Hz～5 000 Hz 由于上限截止頻率的原因，導(dǎo)致消聲效果降低。

（3）可以采取加厚吸聲材料的方法提高消聲筒的消聲效果，通過疊加不同吸聲材料也可以進(jìn)一步提高吸聲材料的吸聲性能，以降低通風(fēng)管道出風(fēng)口末端的氣流噪聲。

圖14 方案N1至N4仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖15 方案N5至N8仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比