顧佳磊 王前進(jìn) 繆 越

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)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(jī)械動(dòng)力噪聲、氣流流動(dòng)噪聲和節(jié)流噪聲3種類型。機(jī)械動(dòng)力噪聲主要是由空調(diào)器風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，主要包括氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射的噪聲等，其中氣動(dòng)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(yàn)臺(tái)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(jìn)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(jìn)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(jí)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(jí)較大，經(jīng)過500 Hz中心頻率后迅速下降，這也與離心風(fēng)機(jī)噪聲以低頻成分為主的特點(diǎn)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(shí)，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(jí)先變高再變低，在中心頻率125 Hz和1 000 Hz左右聲壓級(jí)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(diǎn)。

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(kuò)張消聲器和共振腔消聲器兩大類。其中擴(kuò)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(kuò)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(kuò)張室的長度，m。

2 試驗(yàn)分析

2.1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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?？紤]上述特點(diǎn)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(jì)與傳統(tǒng)純阻性消聲器進(jìn)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(jìn)行消聲，重點(diǎn)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(yàn)方法

圖3 純阻性樣機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 不同厚度空腔阻抗復(fù)合型樣機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)由風(fēng)機(jī)、管路、揚(yáng)聲器、聲源、消聲器及聲源信號(hào)數(shù)據(jù)采集分析儀組成。在試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)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(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。安裝消聲器后，以相同方法測試消聲器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)情況下出口各倍頻帶聲壓級(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。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(jí)之差，并根據(jù)接收室背景噪聲值進(jìn)行修正。試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)所選的幾型消聲器在試驗(yàn)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(shí)，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(jìn)行消聲，所以當(dāng)消聲器總長度一定時(shí)，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(jī)消聲量相當(dāng)，這是主要因?yàn)橄曅Ч勺栊晕晫記Q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(jì)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?yàn)榧冏栊韵暺?，其本身特點(diǎn)就是中高頻消聲量較高，樣機(jī)在1 000 Hz頻率時(shí)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(huì)從1 000 Hz往前移動(dòng)，但消聲量峰值會(huì)由空腔厚度等其他因素決定，不一定會(huì)超過1 000 Hz時(shí)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(jìn)行分析可知，消聲器長度一定時(shí)，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(yàn)測試時(shí)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(yàn)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(shí)，氣流速度對消聲量的影響很?。划?dāng)消聲器內(nèi)氣流速度高于13 m/s時(shí)，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?？照{(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(jì)時(shí)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(yàn)對比，確認(rèn)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(dòng)。

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(jì)時(shí)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。