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）

在國家標準《GB/T 17713－2011 吸油煙機》中采用全球包絡法對吸油煙機噪聲進行測定。按國標規(guī)定，測定吸油煙機噪聲時不外接煙管，4個噪聲測試點A、B、C、D 分別處于比被測吸油煙機風機葉輪中心低1 m的水平平面與球表面相交形成的周圍上均布的4 個位置。而在用戶體驗條件下，吸油煙機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，對噪聲有較大影響。另外，在用戶體驗條件下，噪聲測試點應為在實際烹飪情況下人耳所處的位置，與國標噪聲測試點有所不同。綜上，吸油煙機在國標與用戶體驗下的噪聲有很大的差異性[1]。

Actran 是比利時FFT（Free Field Technologies）公司開發(fā)的噪聲分析軟件[2]，其中Aero-Acoustic 是預測湍流噪聲的聲學模塊，多應用于航空、汽車、船舶行業(yè)的氣動噪聲計算。白長安等[3]采用CFD軟件與Actran結合的方法，對汽車風噪聲進行了計算，并分析了聲壁面脈動壓力和湍流壁面脈動壓力對車內(nèi)駕駛員人耳處的貢獻率。張詠鷗等[4]利用Actran 基于Lighthill聲類比理論對船艦管路系統(tǒng)中閥門水動力流噪聲進行了求解，與實際測量值誤差僅3 %。文中基于瞬態(tài)CFD 與Actran 聯(lián)合方法對吸油煙機在國標和用戶體驗兩種情況下的噪聲進行了模擬研究，并與實際測量結果進行了對比，分析了其差異性。

1 數(shù)學建模

1.1 氣動噪聲方程

風機氣動噪聲主要由兩類噪聲構成，分別為葉片倍頻噪聲（由于葉片周期性轉動所導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，在整個頻率區(qū)間無非常明顯的起伏）[5]。Lighthill聲類比方法對于馬赫數(shù)低于0.3的氣流噪聲有很好預測性，依據(jù)高斯定理將離心風機中紊亂體聲源項積分得到面聲源項，將面上的聲源波動作為風機的聲源項，從而進行氣動噪聲的傳播計算，高斯方程[6]如下：

式中：Fi為向量場，xi為點坐標，ni為曲面通量，方程左側為封閉空間里的聲源體積分項，方程右側為封閉空間曲面的聲源面積分項。基于瞬態(tài)CFD 的計算結果，在Actran 中提取流場聲源后以體聲源和面聲源的方法計算風機的氣動噪聲，其計算理論方程如下：

式中：N為向量場，xi為點坐標，ni為曲面通量，ρ為氣體密度，c0為聲速，ω為通量密度，Tij為Lighthill應力張量，方程左側為聲音波動算子項，方程右側為基于流場數(shù)據(jù)提取的面聲源項和體聲源項。

1.2 仿真計算模型

在Actran中計算旋轉機械類噪聲有3種方法：

（1）解析聲源法：對于大型旋轉機械，如果劃分網(wǎng)格進行流體計算，計算量會很大，這時往往會采用解析生源法，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流場數(shù)據(jù)計算葉片倍頻噪聲，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流場數(shù)據(jù)計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，但是計算量較大。

本文采用第3種瞬態(tài)CFD方法計算歐式吸油煙機在國標和用戶體驗下的氣動噪聲，將吸油煙機三維模型簡化后，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)格后導入FLUENT中進行瞬態(tài)流場計算[9]。首先采用RNGk-ε湍流模型結合SIMPLEC速度-壓力算法求解離心風機內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場，待其收斂后，基于穩(wěn)態(tài)流場采用大渦模擬LES（Large Eddy Simulation）進行瞬態(tài)計算[10]，待其監(jiān)測點靜壓呈現(xiàn)周期性變化后，以Ensight Gold中間格式輸出瞬態(tài)流場的速度項和密度項，以便導入Actran進行噪聲計算。在Actran 中，通過ICFD Analysis 提取瞬態(tài)流場噪聲源，并將噪聲時域信息轉換為頻域信息，基于其結果通過直接頻譜分析DFR（Direct Frequency Response）計算遠場噪聲傳播[11]。以吸油煙機風輪中心為坐標原點，在國標下噪聲監(jiān)測點坐標分別為A(1,1,0)、B(0,1,1)、C(-1,1,0)、D(0,1,-1)，在用戶體驗下取身高1.6 m 的家庭主婦人耳所在處為噪聲監(jiān)測點，其坐標分別為a(1,0.1,0)、b(0,0.1,1)、c(-1,0.1,0)、d(0,0.1,-1)。因吸油煙機采用交流電機，其轉速隨著外部背壓的變動而有所波動，為使模擬設置更加貼近實際情況，對電機轉速、風量及最大靜壓進行了實驗，轉速、風量及最大靜壓曲線圖如圖2所示。

圖2 轉速、風量及最大靜壓曲線圖

當背壓為0時為國標情況，此時風輪轉速為790 r/min。在實際用戶條件下接煙管后對煙機進行了風量測試，此時風量相比于國標情況減少了1 m3/min，對應圖2可知此時電機轉速約為820 r/min。在模擬過程中將國標和用戶體驗下實際測量的電機轉速設為參數(shù)以減少誤差。

2 數(shù)值分析

2.1 流場分析

基于CFD-POST對吸油煙機在國標及用戶體驗條件下內(nèi)部流場進行了分析，吸油煙機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，在國標情況下，吸油煙機未接煙管而氣流直接吹向大氣，據(jù)伯努利原理，流體流動管道面積突然擴大到無限大，流體與壁面分離并形成漩渦，必然產(chǎn)生局部的流動能量損失，且在煙機出口處形成紊亂的氣流區(qū)。在用戶體驗的情況下，吸油煙機出口處有一定的背壓存在，導致機轉速也有所提升，所以吸油煙機內(nèi)部氣流相對紊亂，其最大氣流速度達到24.25 m/s，相比國標增大了8%。但是，外接煙管的導流作用使氣流的紊亂區(qū)遠離煙機，這也是在用戶體驗情況下，雖然其轉速上升但噪聲體驗卻會更好的原因之一，煙機氣流流線圖如圖4所示。

圖4 氣流流線圖

2.2 噪聲場分析

采用Actran VI 模塊進行瞬態(tài)流場噪聲源的提取和聲傳播的計算，以lighthill surface 及l(fā)ighthill volume設置噪聲源。將風輪轉動區(qū)域體積噪聲積分到風輪與風柜的交界面作為面生源，將風柜區(qū)域作為體聲源[12]，計算得到吸油煙機表面的聲壓云圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在國標和用戶體驗條件下，吸油煙機內(nèi)部的聲壓級分布基本一致，最大聲壓級區(qū)域主要分布在風輪和風柜處，可知離心風機為吸油煙機的主要噪聲源，用戶體驗條件下煙機內(nèi)部最大聲壓值為77.3 dB，比國標條件下高出2.4 dB。在Actran PLT 模塊中對所監(jiān)測的噪聲點進行分析，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，針對吸油煙機在特定頻率下噪聲較大的現(xiàn)象，可通過被動消聲降低特定頻率下的噪聲。用戶體驗條件下各頻率區(qū)間的噪聲值都要小于國標條件下的噪聲值，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，用戶體驗下各監(jiān)測點噪聲比國標下噪聲平均低2.1 dB，其一是因為外接煙管的導流作用使氣流紊亂區(qū)遠離了噪聲監(jiān)測點，其二是因為歐式煙機特定的結構使噪聲由油網(wǎng)向下傳播，而用戶體驗噪聲監(jiān)測點不在噪聲的傳播核心區(qū)，從而使噪聲相對較低[13]。

3 噪聲測試及比較分析

為驗證模擬結果的可靠性，對吸油煙機進行了噪聲的實際測量。設備采用AWA6290L型多通道信號分析儀，采用GB/T6882－2008消聲室和半消聲室精密法能達到1 級準確度。AWA14423 型測試傳感器放置位置與模擬過程中設置的噪聲監(jiān)測點一致，噪聲測試圖如圖7所示。

圖7 噪聲測試圖

將噪聲監(jiān)測點A/a實際測量頻譜圖與模擬計算頻譜圖進行對比，得到聲壓頻譜圖對比如圖8所示。從圖8可以看出，兩個噪聲監(jiān)測點A/a模擬計算頻譜圖和實際測量頻譜圖趨勢基本吻合。模擬噪聲頻譜圖聲壓上下幅值的跳動更加明顯，實際噪聲頻譜圖聲壓上下幅值的跳動相對平穩(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尺度上所有湍流尺度的運動，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)的大尺度效應和擬序結構。將模擬計算噪聲值與實際測量噪聲值進行對比，噪聲模擬與實際數(shù)值表如表2所示。

圖8 聲壓頻譜圖對比

從表2 可以看出，噪聲實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)。用戶體驗下噪聲模擬值比國標下噪聲模擬值平均要低2.1 dB，用戶體驗下噪聲實際值比國標下噪聲實際值平均要低1.28 dB，噪聲模擬值在國標和用戶體驗兩種條件下的變化趨勢與噪聲實際值的變化趨勢趨同，從而進一步驗證了噪聲模擬計算方法的正確性。

表2 噪聲模擬與實際數(shù)值表/dB

4 結語

本文基于聲學仿真軟件Actran對吸油煙機在國標和用戶體驗兩種不同條件下的噪聲進行了模擬研究，并與實際測量的數(shù)據(jù)和頻譜進行了對比，探究了在國標和用戶體驗條件下吸油煙機的噪聲差異，為家電行業(yè)制定吸油煙機的噪聲評判標準提供了新參考，主要結論如下：

（1）基于瞬態(tài)CFD+Actran 的聲學模擬方法對吸油煙機噪聲有很好的預測能力，模擬值和實際值噪聲頻譜趨勢一致且數(shù)值誤差保持在10%以內(nèi)。

（2）吸油煙機噪聲主要來源于風輪風柜，用戶體驗條件下吸油煙機內(nèi)部聲壓比國標條件下高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的特定結構以及用戶體驗下的特定工況影響，用戶體驗條件下噪聲數(shù)值比在國標條件下平均低2.1 dB。