賈興仕，李 勇，張洪軍

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.香港大學(xué)浙江科學(xué)技術(shù)研究院， 浙江 杭州 311300；3.溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 溫州 325000)

抽油煙機(jī)是廚房噪聲最主要來(lái)源。國(guó)家對(duì)抽油煙機(jī)產(chǎn)品噪聲有嚴(yán)格規(guī)定，一般要求總體聲功率級(jí)不大于68 dB[1]。為了進(jìn)一步降低噪聲，提高產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)研究單位不斷嘗試新的降噪技術(shù)并進(jìn)行低噪聲產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。抽油煙機(jī)的噪聲主要來(lái)自風(fēng)扇本身的氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)機(jī)械噪聲，其中氣動(dòng)噪聲及其引起的氣-固耦合噪聲是主要噪聲來(lái)源，其噪聲頻率較低且頻帶較寬，對(duì)降噪技術(shù)提出很高要求[2]。

對(duì)抽油煙機(jī)進(jìn)行噪聲控制，除了采用低噪聲風(fēng)機(jī)和合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)以降低聲源噪聲以外，還可以采用消聲的辦法，即采用各種主動(dòng)和被動(dòng)消聲技術(shù)進(jìn)行降噪。關(guān)于抽油煙機(jī)被動(dòng)降噪，可采用的方法有：在抽油煙機(jī)金屬外殼涂抹阻尼材料，以及在抽油煙機(jī)進(jìn)氣通道加裝吸聲材料構(gòu)成的消聲器。這種方法對(duì)于降噪是有效的，但由于抽油煙機(jī)工作條件比較惡劣，油煙密集、潮濕、且流速較快，傳統(tǒng)的含有多孔吸聲材料的消聲器容易出現(xiàn)吸聲結(jié)構(gòu)失效，影響長(zhǎng)期效果，且不易清潔。微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)是由一定穿孔率的微穿孔板以及其背部空腔組合而成，由于其表面孔徑較小，具有較大的聲阻和較小的聲抗，具有較好的寬頻特性[3]，而且微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)本身是帶有一定穿孔率的金屬薄板，環(huán)境適應(yīng)性好，在抽油煙機(jī)的噪聲控制中應(yīng)用具有較好的可行性。

本文針對(duì)抽油煙機(jī)的噪聲特性，利用傳遞矩陣法[4]對(duì)單層和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性進(jìn)行分析，以此進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和吸聲通道設(shè)計(jì)，并對(duì)改造前后的抽油煙機(jī)的降噪效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 降噪設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.1 抽油煙機(jī)結(jié)構(gòu)改造

常規(guī)抽油煙機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1(a)所示，抽油煙機(jī)內(nèi)裝有鼠籠式離心風(fēng)機(jī)提供抽力，廚房油煙經(jīng)進(jìn)風(fēng)口吸入后，從離心風(fēng)機(jī)的兩側(cè)進(jìn)入風(fēng)機(jī)，從抽油煙機(jī)出風(fēng)口排出。此結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間有限，不利于加裝通道消聲器，因此，在不影響離心風(fēng)機(jī)的正常工作的情況下，將離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)90°放置，氣流從離心風(fēng)機(jī)的單側(cè)進(jìn)入(圖1(b))。同時(shí)，為了增大消聲通道長(zhǎng)度，把抽油煙機(jī)殼體拉長(zhǎng)150 mm，即由原來(lái)的520 mm加長(zhǎng)到670 mm，消聲通道延長(zhǎng)至420 mm。在進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)部加裝微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，構(gòu)成通道消聲器。

圖1 抽油煙機(jī)結(jié)構(gòu)改造示意圖Figure 1 Schematic diagram of sound absorbing reform of the range hood

1.2 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了有針對(duì)性地設(shè)計(jì)降噪方案，對(duì)結(jié)構(gòu)改造后(未加裝消聲器)的抽油煙機(jī)噪聲進(jìn)行了測(cè)試。將抽油煙機(jī)水平放置在隔音箱內(nèi)，出風(fēng)口通往隔音箱以外。在隔音箱內(nèi)使用GRAS40AE自由場(chǎng)麥克風(fēng)在正對(duì)抽油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口中央800 mm處，進(jìn)行抽油煙機(jī)噪聲測(cè)量。待抽油煙機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，麥克風(fēng)開(kāi)始采集信號(hào)，采樣頻率為40.96 kHz，采樣時(shí)間為10 s。

抽油煙機(jī)測(cè)試所得的聲功率頻譜圖和能量累積圖如圖2，其噪聲的頻譜范圍主要集中在100～2 000 Hz內(nèi)，噪聲主要以中低頻噪聲為主，其中在200～400 Hz和1 000～1 100 Hz頻段上聲功率分布尤為集中，約占總噪聲能量的70%左右。

圖2 抽油煙機(jī)噪聲頻譜圖Figure 2 noise spectrum of the range hood

1.2.1 吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)氣通道采用錐形結(jié)構(gòu)，以微穿孔板為內(nèi)壁的進(jìn)氣通道直徑從離心風(fēng)機(jī)入口的212 mm逐漸到油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口的272 mm。這種漸變截面通道一方面起到導(dǎo)流的作用[5]，另一方面也構(gòu)造出變空腔微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)，即聲襯[6]，實(shí)現(xiàn)寬頻吸聲設(shè)計(jì)，滿足抽油煙機(jī)寬頻噪聲控制要求。圓形截面吸聲結(jié)構(gòu)存在高頻失效頻率，根據(jù)失效臨界頻率計(jì)算公式[7]：

(1)

式(1)中，DE為圓形截面吸聲通道的直徑，c0為聲速。

吸聲通道直徑從212 mm到272 mm逐漸變化，其失效臨界頻率范圍為1 575～1 956 Hz，未處于抽油煙機(jī)主要噪聲頻段，說(shuō)明該吸聲通道對(duì)于抽油煙機(jī)噪聲頻段是合適的。

1.2.2 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)

微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)在共振頻率附近有較高的吸聲系數(shù)，變空腔和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)能有效拓寬吸聲頻帶[8]。對(duì)于單層和雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性可采用傳遞損失法進(jìn)行分析[9]。

微穿孔板的傳遞矩陣為

(2)

式(2)中，ρ0為空氣密度，ξ為歸一化聲阻抗，ξ=[7.337×10-3+jδx×2.224 5×10-5(1+51t)(1+204d)f]/σ，δx為修正系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，δx=1.3比較合適；t為微穿孔板板厚；d為孔徑；f為頻率；σ為穿孔率。

空氣腔的傳遞矩陣為

(3)

圖3 單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)Figure 3 Resonance sound absorption structure of single-layer microperforated plate

單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)計(jì)算可參考圖3，Ae-jkx和Bejkx分別為入射聲波和反射聲波。聲波入射至此結(jié)構(gòu)時(shí)，先經(jīng)過(guò)微穿孔板進(jìn)入其背部空腔，最后到達(dá)剛性壁面。因此，單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣可表示為

(4)

式(4)中p、v為聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速。

其傳遞函數(shù)可表示為

(5)

由于聲波終止于剛性壁面，因此v2=0，

(6)

根據(jù)定義，反射系數(shù)

(7)

吸聲系數(shù)

(8)

圖4 雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)Figure 4 Resonance sound absorption structure of double-layer microperforated plate

同理，雙層微穿孔板的傳遞矩陣為(參考圖4)：

(9)

(10)

最終計(jì)算可得雙層微穿孔板吸聲系數(shù)為

(11)

在微穿孔板參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證在主要噪聲頻段內(nèi)有較高的吸聲系數(shù)，以達(dá)到較好的吸聲效果。在參數(shù)選擇時(shí)，可采用吸聲量A作為吸聲效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其定義為[10]

(12)

0.4 mm≤t≤1.5 mm，1%≤p≤20%，0.1 mm≤d≤1 mm。

使用Matlab通過(guò)參數(shù)掃描的方法，計(jì)算得到最優(yōu)解為：t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm。

雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的約束條件為：

0.4 mm≤t1，t2≤1.5 mm，1%≤p1，p2≤20%，0.2 mm≤d1，d2≤1 mm，D1+D2=79 mm。

計(jì)算得到最優(yōu)解為：t1=1 mm，t2=1.1 mm，p1=2%，p2=1%，d1=d2=0.3 mm，D1=29 mm，D2=50 mm。

根據(jù)計(jì)算，單、雙層穿孔板參數(shù)均采用t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm時(shí)，其吸聲量較之最優(yōu)解相差不超過(guò)1%。因此，單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)將均采用此參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)傳遞矩陣法分別計(jì)算單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖5?？梢钥闯?，相較于單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度更寬，并且在低頻處吸聲表現(xiàn)優(yōu)于單層。

圖5 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)Figure 5 Absorption coefficient of resonant absorption structure of microperforated plate

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1 噪聲測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖6所示，抽油煙機(jī)水平放置于隔音箱內(nèi)，出風(fēng)口通往隔音箱以外，并連接一段波紋軟管以模仿實(shí)際情況[11]。在隔音箱內(nèi)使用四個(gè)GRAS40AE自由場(chǎng)麥克風(fēng)對(duì)抽油煙機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試，麥克風(fēng)Mic1模擬在抽油煙機(jī)的正常使用時(shí)人耳所在的位置，位于抽油煙的正上方180 mm的位置，Mic2、Mic3、Mic4分別在距離抽油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)口中心位置800 mm的球面上，其中Mic3正對(duì)于抽油煙機(jī)的中心，Mic2和Mic4左右分別偏離35°。圖7為測(cè)試裝置實(shí)物。

改造前后的油煙機(jī)抽氣流量經(jīng)測(cè)試比較接近，大約為17 m3/min。待抽油煙機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，麥克風(fēng)開(kāi)始采集信號(hào)，數(shù)據(jù)采樣頻率為40.96 kHz，采樣時(shí)間為10 s。測(cè)試均在最大檔流量情況下進(jìn)行。

圖6 噪聲測(cè)試裝置示意圖Figure 6 Schematic diagram of the noise test device

圖7 噪聲測(cè)試裝置實(shí)物圖Figure 7 Physical drawing of noise test device

2.1.2 空氣性能測(cè)試裝置

根據(jù)GB/T 17713-2011《吸油煙機(jī)》中對(duì)外排式抽油煙機(jī)的空氣性能測(cè)量的建議，我們采用了如圖8所示的空氣性能測(cè)量管道，測(cè)量管道由抽油煙機(jī)連接段、十字整流器、擴(kuò)張段、減壓筒和孔板組成。被測(cè)抽油煙機(jī)的出風(fēng)口與測(cè)試管道連接段相連，取壓軟管一端接于取壓口，另一端接入微差壓計(jì)。

實(shí)驗(yàn)中，采用Furness Control公司的FC560微差壓計(jì)測(cè)量取壓口的靜壓，即環(huán)境大氣壓之間的差壓，用于計(jì)算流速和流量。采用不同孔徑的孔板來(lái)改變流量和油煙機(jī)出口壓力，同時(shí)進(jìn)行流量測(cè)量?？装蹇讖椒謩e為40 mm，60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，160 mm，180 mm，200 mm和210 mm。

圖8 空氣性能測(cè)試裝置Figure 8 Air performance test device

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

分別對(duì)抽油煙機(jī)原型、結(jié)構(gòu)改造后但無(wú)吸聲結(jié)構(gòu)和分別裝有單、雙層微穿孔板兩種吸聲結(jié)構(gòu)的抽油煙機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試。為了更直觀反映噪聲對(duì)人耳的影響，引入A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖9為各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜圖，圖10為各測(cè)點(diǎn)聲能密度累積頻譜圖。由于改變離心風(fēng)機(jī)安裝方向后，風(fēng)機(jī)噪聲直接從進(jìn)風(fēng)口向外輻射，因此4個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲均有增大，在Mic2和Mic3方向上，聲能密度累積增大幅度尤為明顯，如圖10的(b)(c)，分別為原型噪聲聲能密度累積的3.12倍，4.37倍。加裝吸聲結(jié)構(gòu)后，噪聲水平下降顯著，相較于改造后未安裝吸聲結(jié)構(gòu)的情況，單層微穿孔板吸聲通道聲能密度累積平均下降60%左右，雙層微穿孔板吸聲通道的累計(jì)能量平均降低則達(dá)到72%左右，雙層微穿孔板的下降幅度相較于單層微穿孔板更大。從圖9可以看出，兩種吸聲通道在200～400 Hz，1 000～2 000 Hz頻段上吸聲比較顯著(圖9(c)最為明顯)，這是抽油煙機(jī)噪聲能量最為集中的兩個(gè)頻段。圖10顯示，能量累積曲線斜率在這些頻段上相較未加吸聲時(shí)明顯減小，說(shuō)明該頻段內(nèi)的吸聲效果顯著，這與理論上此頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)較高是一致的。

表1為各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的A計(jì)權(quán)噪聲聲壓級(jí)及其平均值。由于改變離心風(fēng)機(jī)安裝方向后，風(fēng)機(jī)噪聲直接從進(jìn)風(fēng)口向外輻射，改造后結(jié)構(gòu)在無(wú)吸聲結(jié)構(gòu)的情況下噪聲相較于原型會(huì)有所變大，數(shù)據(jù)顯示平均噪聲增加2.3 dBA。在安裝了單層和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)后，相較于抽油煙機(jī)原型，平均降噪量分別達(dá)到1.7 dBA和2.8 dBA，相較于改變風(fēng)機(jī)安裝方向但未采用吸聲措施的情況，平均降噪量達(dá)到了4 dBA和5.1 dBA，可見(jiàn)這種微穿孔板吸聲通道的降噪效果是比較顯著的。與多孔吸聲材料聲襯[11]相比，微穿孔板吸聲通道在低頻上的吸聲表現(xiàn)會(huì)更好一些。

圖9 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜圖Figure 9 A weighted sound pressure level spectrum

表1 各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)對(duì)比Table 1 A weighted sound pressure level of each perforation rate dBA

圖10 聲能密度累積頻譜圖Figure 10 Cumulative spectrum of sound energy density

表2為抽油煙機(jī)的空氣性能對(duì)比，改變離心風(fēng)機(jī)方向后，風(fēng)量下降了1.4 m3/min，最大靜壓和風(fēng)壓略有提升。加裝了吸聲通道后，風(fēng)量提升明顯，最大靜壓和風(fēng)壓有所下降。較之抽油煙機(jī)原型，安裝吸聲裝置后的抽油煙機(jī)空氣性能改變不大，各項(xiàng)性能該變量不超過(guò)5%。

表2 空氣性能對(duì)比Table 2 Air performance comparison

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)抽油煙機(jī)降噪技術(shù)進(jìn)行研究，采用在抽油煙機(jī)進(jìn)風(fēng)內(nèi)部加裝微穿孔板吸聲通道的方法進(jìn)行降噪，主要工作和結(jié)果如下。

1)在測(cè)量未采取消聲措施的抽油煙機(jī)噪聲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于傳遞矩陣法對(duì)單層和雙層微穿孔板進(jìn)行共振吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性分析，對(duì)吸聲通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用變截面錐形進(jìn)風(fēng)通道，獲得良好氣動(dòng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了變空腔聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)加裝吸聲通道前后的抽油煙機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果表明，變空腔微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)具有較好的寬頻吸聲特性；單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的降噪量相較于原型抽油煙機(jī)分別達(dá)到1.7 dBA和2.8 dBA，相較于改變風(fēng)機(jī)安裝方向但未采用吸聲措施的情況，平均降噪量達(dá)到了4 dBA和5.1 dBA，說(shuō)明這種微穿孔板吸聲通道的降噪效果是比較顯著的，而雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)效果更佳。

3)加裝吸聲通道前后的抽油煙機(jī)空氣性能測(cè)試結(jié)果表明，改造后的抽油煙機(jī)空氣性能改變不大，各項(xiàng)性能改變量不超過(guò)5%。