杜云凱，王東強(qiáng),2，張君浩，李忠文，董學(xué)武

(1.中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南鄭州 450007；2.中原工學(xué)院先進(jìn)紡織裝備技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450007；3.鄭州恩普特科技股份有限公司，河南鄭州 450051；4.河南陸創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450061)

0 引 言

水泥廠煤磨房工作時(shí)需要大功率的羅茨風(fēng)機(jī)作為主排風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)運(yùn)行為整個(gè)煤磨房系統(tǒng)提供穩(wěn)定的空氣流速，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的寬頻噪聲，又因?yàn)轱L(fēng)機(jī)風(fēng)量較大，部分粉塵逃離收塵器而進(jìn)入到排風(fēng)系統(tǒng)中，使得風(fēng)機(jī)排風(fēng)筒內(nèi)具有風(fēng)量大、粉塵大、溫度高、噪聲大且頻帶寬等特征。排風(fēng)筒內(nèi)的噪聲最終會(huì)在高空釋放，嚴(yán)重污染工人的工作環(huán)境和附近居民的生活環(huán)境。降低高空排風(fēng)口的噪聲有多種方式，其中在排放筒頂端加裝阻性片式消聲器是一種安全又經(jīng)濟(jì)的方法。

大量的學(xué)者對(duì)阻性片式消聲器進(jìn)行研究。比如，Lee等[1]針對(duì)頻率小于1 000 Hz的噪聲，通過(guò)改變消聲片總接觸面積，優(yōu)化了消聲器對(duì)沖擊噪聲的消聲性能。Li等[2]針對(duì)頻率為200～1 600 Hz的中低頻噪聲，利用多孔板和多孔吸聲材料在橫截面直徑80 mm的有限空間內(nèi)組成了平均吸聲系數(shù)大于0.89的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并基于聲電模擬建立了與阻抗管測(cè)量結(jié)果吻合的吸聲分析模型的有限元模型。Chiu[3]針對(duì)頻率為1 000 Hz的單頻噪聲，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與遺傳算法優(yōu)化和邊界元優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)某流道阻性片式消聲器的片數(shù)和吸聲系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了目標(biāo)頻率的聲傳遞損耗，為工業(yè)消聲器的優(yōu)化提供了有效途徑。這些都是針對(duì)低頻中某一頻率或某一段頻率噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并未充分考慮到工業(yè)噪聲的寬頻特性。在對(duì)消聲器聲學(xué)性能計(jì)算的研究方面，于長(zhǎng)帥等[4]總結(jié)了多孔吸聲材料的Delany-Bazley-MiKi模型、JCA模型和Biot模型的建立發(fā)展，并對(duì)比了模型建立所需特征參數(shù)的測(cè)試方法。Rodolfo等[5]結(jié)合孔隙介質(zhì)聲學(xué)理論推導(dǎo)了阻性片式消聲器內(nèi)不同多孔材料的解析模型，驗(yàn)證了利用與阻抗相關(guān)的傳遞函數(shù)求解聲能耗散的正確性。Baek等[6-7]仿真和數(shù)值分析了阻性片式消聲器的多孔吸聲材料的不同體積密度、多孔板不同穿孔率和有無(wú)無(wú)紡布等對(duì)消聲器消聲效果的影響，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了利用有限元仿真的便捷性和正確性。Xu等[8]基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法求解多孔吸聲材料特性阻抗和復(fù)傳播系數(shù)，計(jì)算的吸聲系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。本文通過(guò)上述與特性阻抗阻抗相關(guān)的文獻(xiàn)將有限元法與傳遞矩陣法相結(jié)合，利用特性阻抗求解消聲器的傳遞損失。

多孔吸聲材料作為阻性消聲器的主要消聲單元，是影響阻性片式消聲器消聲性能的主要因素。Tang等[9]從微觀結(jié)構(gòu)和理論模型角度總結(jié)了合成纖維的長(zhǎng)度、直徑、堆積密度等對(duì)吸聲系數(shù)影響。李寅勛等[10]利用實(shí)驗(yàn)研究了不同體積密度的多孔吸聲材料對(duì)消聲器消聲量的影響。Baek等[6]多孔吸聲材料的體積密度、多孔板穿孔率和有無(wú)無(wú)紡布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明穿孔率高于35%時(shí)不會(huì)產(chǎn)生影響，無(wú)紡布的存在有利于管道降噪。但他們多孔吸聲材料對(duì)消聲器聲學(xué)性能影響的研究?jī)H僅考慮了體積密度，而忽略了另一重要因素纖維直徑的影響。

本文將針對(duì)由多孔吸聲材料、無(wú)紡布和多孔板構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻性片式消聲器，利用多孔吸聲材料DB-Miki模型理論、聲波透反射原理和聲致循環(huán)流原理，建立消聲器消聲區(qū)域的等效聲阻抗率模型，然后結(jié)合有限元法與傳遞矩陣法計(jì)算消聲器的傳遞損失，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)某水泥廠煤磨房主排風(fēng)機(jī)排風(fēng)筒的全頻噪聲，對(duì)比玻璃纖維棉在不同體積密度和不同纖維直徑下的傳遞損失，來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)阻性片式消聲器。

1 傳遞損失解析模型

1.1 玻璃纖維棉的聲阻抗率

用于吸聲降噪的玻璃纖維棉是利用少量黏合劑將直徑均勻的纖維材料黏合起來(lái)形成的一種各向同性均質(zhì)的多孔吸聲材料。在已知纖維材料的纖維直徑和體積密度時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知其流阻率為

式中：ρ為纖維材料的體積密度(kg·m-3)；d為纖維材料的纖維直徑(m)；K1與K2為公式的修正系數(shù)(K1=1.53，K2=3.18×10-9)。

Miki[12]在DB模型的基礎(chǔ)上推出新的回歸模型即DB-Miki模型，在低頻段也較為吻合，當(dāng)流阻率R=1×103～5×104Pa·s·m-2時(shí)，其復(fù)特性阻抗Zm和復(fù)傳播系數(shù)Гm可表示為

式中：ρ0氣體的密度(kg·m-3)；c0聲在氣體中的傳播速度(m·s-1)；f為聲波頻率(Hz)；ω=2πf為聲波的角頻率(rad·s-1)；根據(jù)文獻(xiàn)[12]常數(shù)C1～C8的數(shù)值如表1所示。

當(dāng)深度為L(zhǎng)的空腔支撐厚度為h的玻璃纖維棉時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]和[4]，玻璃纖維棉的聲阻抗率Z1可利用其在阻抗傳遞理論中的特性阻抗Zm和傳播系數(shù)Гm進(jìn)行計(jì)算：

式中：ZL空腔聲阻抗率。當(dāng)L=0，即無(wú)背腔時(shí)，式(4)可簡(jiǎn)化為

1.2 無(wú)紡布的聲阻抗率

如果假設(shè)兩種不同介質(zhì)之間的分界面為平面，平面聲波在該平面的入射、反射和透射均為平面波[13]。根據(jù)文獻(xiàn)[13]建立聲波在分界面的反射與透射示意圖，如圖1所示，以O(shè)x軸為該分界面，入射和反射的角度θ和透射角γ從y軸測(cè)量的不同介質(zhì)間聲波反射與透射。

圖1 聲波在分界平面上的反射與透射示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reflection and transmission of sound waves on boundary plane

如果分界面相對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述，其分界面處的復(fù)數(shù)振幅反射因數(shù)RP為

式中：Z1、Z2和Г1、Г2分別為兩種介質(zhì)的特性阻抗和傳播常數(shù)。

而當(dāng)介質(zhì)1為空氣，介質(zhì)2為玻璃纖維棉，根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知Г2＞＞Г1，即角度γ趨向于0，由式(6)和式(7)可得玻璃纖維棉和空氣分界面的振幅反射因數(shù)為

根據(jù)文獻(xiàn)[14]結(jié)合局部反應(yīng)表面的統(tǒng)計(jì)吸聲系數(shù)可求得已知單位面積質(zhì)量為m的無(wú)紡布的聲阻抗率Z2為

1.3 多孔板的聲阻抗率

根據(jù)孔的聲致循環(huán)流原理，將通過(guò)聲波的微孔等效為如圖2所示的一個(gè)橫截面積為S、有效長(zhǎng)度為le的空氣柱[14]。

圖2 孔的聲致循環(huán)流示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound-induced circulation flow of the hole

聲能以動(dòng)能形式運(yùn)動(dòng)遵守牛頓第二定律為

式中：p為聲壓(Pa)；x為位移坐標(biāo)(m)；u為質(zhì)點(diǎn)速度(m·s-1)；t為時(shí)間(s)；U為聲波通過(guò)孔的任一對(duì)流速度(m·s-1)。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可得微孔和薄板的聲阻抗分別為

式中：A0為孔聲阻；k為波數(shù)(m-1)；Ma為馬赫數(shù)；SP為多孔板的面積(m2)；P為開(kāi)孔面積占穿孔板的百分比；n為薄板的單位面積重量(kg·m-2)。

并聯(lián)式(11)和式(12)，可以得到多孔板的聲阻抗：

則多孔板的聲阻抗率為

1.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率

多孔吸聲材料玻璃纖維棉是吸聲降噪的主體部分，多孔板能保護(hù)其形狀的穩(wěn)定性并具有一定的吸聲性能，兩者中間的無(wú)紡布能夠防止管道氣流破壞玻璃纖維棉的形狀和多孔板的吸聲效果[6]。因此應(yīng)用于大型管道的阻性片式消聲器，其內(nèi)部的消聲區(qū)域包括多孔板、柔軟致密的無(wú)紡布和多孔吸聲材料，復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一般阻性片式消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the internal structure of the general resistive chip muffler

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率為各部分聲阻抗率相加，I型結(jié)構(gòu)和Ⅱ型結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率分別為

1.5 聲傳遞損失的求解

噪聲聲波在經(jīng)過(guò)消聲器的消聲區(qū)間時(shí)能量被吸收或相互抵消，從物理角度理解，聲輸入阻抗表示局部壓力與局部法向質(zhì)點(diǎn)速度的比，阻抗邊界條件可以很好地近似局部反應(yīng)表面，在邊界條件中比聲阻抗趨近于無(wú)窮和0的極限條件，相對(duì)應(yīng)了聲硬邊界條件和聲軟邊界條件。已知由多孔板、無(wú)紡布和多玻璃纖維棉組合成厚度為h的復(fù)合結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]聲波的傳遞矩陣T可由結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率Z和波數(shù)k表示為

該結(jié)構(gòu)的聲傳遞損失(Trasmission Loss, TL)可由傳遞矩陣的組成元素計(jì)算：

式中：ω為角頻率；c0=344 m·s-1為空氣中的聲速；Z0為空氣的特性阻抗。

2 模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率和波數(shù)模型計(jì)算聲傳遞損失的準(zhǔn)確性，參照Seonghyeon Baek等燃?xì)廨啓C(jī)消聲器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立如圖4所示的阻性片式消聲器的聲學(xué)仿真模型。在COMSOL Multiphysics的聲學(xué)模塊設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的背景參數(shù)，空氣中的聲速為344 m·s-1，空氣的密度為1.225 kg·m-3，玻璃纖維棉的體積密度為ρ=60 kg·m-3，纖維直徑d=6 μm，無(wú)紡布厚度為0.2 mm，面密度為0.21 kg·m-2，多孔板為鍍鋅孔板，厚度為2 mm，孔徑為1 mm，穿孔率為35%。外邊界條件除出入口外定義為全反射的抗性邊界，在入口處施加諧振振幅為1 m·s-1的法向速度，且該平面波沿指定方向傳播，出口處設(shè)置方向向外；在內(nèi)部消聲部分賦予他們相對(duì)應(yīng)的聲阻抗率；在聲學(xué)計(jì)算中，解析每個(gè)波長(zhǎng)大約需要有12個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)最高5 000 Hz的計(jì)算頻率和344 m·s-1的聲速，將模型劃分為最大尺寸為10 mm的自由二階四面體網(wǎng)格。

圖4 阻性片式消聲器的仿真模型Fig.4 Simulation model of a resistive chip muffler

圖5是利用復(fù)合結(jié)構(gòu)等效聲阻抗率的求解傳遞損失有限元結(jié)果和Baek等[6]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。對(duì)比二者在頻率為50～5 000 Hz的數(shù)據(jù)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，寬頻帶的頻譜特性計(jì)算中存在較多模態(tài)，同時(shí)受仿真邊界條件的理想化和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響，存在個(gè)別模態(tài)沒(méi)有被激發(fā)，造成了部分頻率處存在較大差異。但整體對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果，二者的趨勢(shì)相同且結(jié)果基本一致，說(shuō)明了利用等效聲阻抗率求解的傳遞損失適用于阻性片式消聲器聲學(xué)性能的預(yù)測(cè)。

圖5 傳遞損失仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison between simulation and experimental results of transmission loss

3 消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在解決某地水泥廠煤磨房排風(fēng)筒對(duì)周?chē)h(huán)境的噪聲污染問(wèn)題時(shí)，由于排風(fēng)筒高40 m，人員和設(shè)備無(wú)法到達(dá)，選擇測(cè)量廠界噪聲，根據(jù)工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)：GB12348-2008[15]測(cè)點(diǎn)布置的一般情況，選擇距離聲源37 m的敏感廠界外1 m、高度為1.2 m處作為測(cè)聲點(diǎn)。水泥廠廠界噪聲聲源示意圖如圖6所示，水泥磨共有電機(jī)和排風(fēng)筒口兩處噪聲源，廠界處有3 m高的圍墻，根據(jù)聲波的傳輸特性和現(xiàn)場(chǎng)情況可以判定測(cè)量點(diǎn)的噪聲值是受管道口聲源的繞射聲波影響。

圖6 某地水泥廠廠界噪聲聲源示意圖Fig.6 Schematic diagram of noise sources at the boundary of a cement plant

圖7為在只有水泥磨主排風(fēng)機(jī)工作，關(guān)閉水泥廠其他設(shè)備以排除其他聲源影響時(shí)，使用AWA5688型多功能聲級(jí)計(jì)的1/3倍頻程的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分析，將采集的時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)，得到的等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜圖。該水泥廠廠界外屬于《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類(lèi)聲環(huán)境功能區(qū)，要求晝間噪聲限值為60 dB(A)[15]。從圖7可知廠界等效連續(xù)A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)超過(guò)了限值，噪聲頻率范圍是50～5 000 Hz的寬頻噪聲，且200～1 000 Hz中低頻段內(nèi)聲壓級(jí)較高。

圖7 某地水泥廠廠界噪聲測(cè)量結(jié)果Fig.7 Mesurement results of the noise at the boundary of a cement plant in a certain place

3.1 消聲器的設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮到排風(fēng)筒自身的屈服極限、當(dāng)?shù)氐淖畲箫L(fēng)載荷以及成本控制等因素，結(jié)合消聲器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[16-19]設(shè)計(jì)如圖8所示的長(zhǎng)4 m的阻性片式消聲器。由于需要同時(shí)滿足較大消聲量和較小壓力損失的要求，將100 mm的消聲片采用雙排的方式排列。消聲器的圓柱外殼用厚8 mm 的Q235-B鋼板，在內(nèi)部覆蓋玻璃纖維棉、無(wú)紡布和多孔板。其消聲片結(jié)構(gòu)為多孔板、無(wú)紡布、槽鋼框架、玻璃纖維棉。同時(shí)為防止多孔板變形和孔被粉塵堵塞采用2 mm厚、孔徑2 mm、穿孔率35%的鍍鋅孔板，無(wú)紡布厚0.2 mm、面密度0.1 kg·m-3，玻璃纖維棉的體積密度為ρ=60 kg·m-3，纖維直徑d=6 μm。在COMSOL Multiphysics聲學(xué)模塊利用有限元求解其傳遞損失時(shí)，建立消聲器的三維模型，外殼和消聲片框架可以假設(shè)為無(wú)透射的硬聲場(chǎng)邊界，將模型劃分為最大尺寸10 mm的自由二階四面體網(wǎng)格進(jìn)行求解。

圖8 用于管道降噪的阻性片式消聲器模型Fig.8 Model of the resistive chip muffler for pipe noise reduction

3.2 計(jì)算聲阻抗率

在確定阻性片式消聲器的各項(xiàng)參數(shù)后，根據(jù)式(5)、(9)、(14)、(15)和(16)，利用Matlab計(jì)算出玻璃纖維棉、無(wú)紡布、多孔板、I型結(jié)構(gòu)和Ⅱ型結(jié)構(gòu)的聲阻抗率如圖9所示。兩種結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率與玻璃纖維棉的聲阻抗率基本重合，聲阻率受無(wú)紡布和多孔板的影響可以忽略不計(jì)；聲抗率在中低頻時(shí)無(wú)紡布和多孔板的影響也可以忽略不計(jì)，雖然在高頻時(shí)會(huì)隨頻率增加影響比重增加，但在整體降噪影響的比重卻在減小。因此，可以推斷玻璃纖維棉的屬性決定了阻性片式消聲器的整體聲學(xué)性能。

圖9 體積密度為60 kg·m-3、纖維直徑為6 μm玻璃纖維棉的聲阻抗率Fig.9 Specific acoustic impedance of glass fiber wool with a bulk weight of 60 kg·m-3 and a fiber diameter of 6 μm

3.3 玻璃纖維棉的參數(shù)優(yōu)化

玻璃纖維棉作為一種多孔吸聲材料，當(dāng)聲波入射到其內(nèi)部時(shí)會(huì)引起內(nèi)部空氣運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部纖維振動(dòng)，使得聲能轉(zhuǎn)換為熱能和動(dòng)能而被消耗[20]。同時(shí)，根據(jù)式(2)、(3)和(5)，可以知道決定玻璃纖維棉降噪效果的聲阻抗率與其流阻率相關(guān)，而根據(jù)式(1)，其流阻率由體積密度和纖維直徑?jīng)Q定，所以玻璃纖維棉體積密度和纖維直徑是影響著消聲器聲學(xué)性能的兩個(gè)主要因素。

假設(shè)玻璃纖維棉的纖維直徑為10 μm，選取體積密度分別為12、40、60、80、100、120 kg·m-3的六種不同規(guī)格的玻璃纖維棉[21]，得到不同的結(jié)構(gòu)等效聲阻抗率。計(jì)算得到的消聲器傳遞損失如圖10所示。

圖10 不同體積密度玻璃纖維棉的傳遞損失Fig.10 Transmission losses of the glass fiber cotton of different bulk weights

從圖10中可以看出，玻璃纖維棉的體積密度在12～120 kg·m-3范圍內(nèi)時(shí)，不同體積密度的玻璃纖維棉傳遞損失的趨勢(shì)相同：傳遞損失隨頻率增大而增大，到一定頻率后達(dá)到最大，然后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最后趨向于不同但接近的定值。由于結(jié)構(gòu)不變的原因，傳遞損失會(huì)在相同或者相近的頻率處出現(xiàn)峰值。不同的是，不同體積密度的傳遞損失峰值對(duì)應(yīng)的頻率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律；在低頻區(qū)域隨著體積密度的增大，相同頻率下傳遞損失和傳遞損失最大峰值先增加后減小呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)；在越過(guò)最大峰值的中高頻區(qū)域，若以60 kg·m-3玻璃纖維棉的傳遞損失為界限，低于該體積密度時(shí)的傳遞損失隨頻率增大始終低于該界限，而大于該體積密度玻璃纖維棉的傳遞損失則隨頻率增加下降較為緩慢，且會(huì)在某一頻率后一直高于該界限；直到2 100 Hz以后的高頻區(qū)域，傳遞損失隨頻率增加趨于定值，且體積密度越大傳遞損失越高但變化越來(lái)越小。針對(duì)上文中煤磨房排風(fēng)筒輻射周邊噪聲寬頻和中低頻較高的特點(diǎn)，該消聲器應(yīng)填充體積密度為60 kg·m-3的玻璃纖維棉，因?yàn)樵谠擉w積密度下消聲器的低頻傳遞損失大，且相對(duì)于其他體積密度的吸聲材料，體積密度為60 kg·m-3的玻璃纖維棉在中低頻整體的降噪效果較好。

確定體積密度為60 kg·m-3的玻璃纖維棉在噪聲頻率為50～5 000 Hz范圍的降噪效果較好，選擇纖維直徑分別為6 μm、8、10、12、15的玻璃纖維棉，得到不同的結(jié)構(gòu)等效聲阻抗率，計(jì)算得到的消聲器傳遞損失如圖11所示。

圖11 不同纖維直徑玻璃纖維棉的傳遞損失Fig.11 Transmission losses of the glass fiber wool of different fiber diameters

從圖11中可以看出，玻璃纖維棉的纖維直徑在6～15 μm時(shí)，不同纖維直徑時(shí)的傳遞損失的趨勢(shì)相同：傳遞損失隨頻率的增大而增大，到一定頻率后達(dá)到最大，然后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最后趨向于不同但接近的定值。由于結(jié)構(gòu)不變的原因，不同纖維直徑時(shí)的傳遞損失會(huì)在相同或者相近的頻率出現(xiàn)峰值。不同的是，隨直徑的增大，傳遞損失的最大峰值增大，但峰值對(duì)應(yīng)的頻率先向低頻方向移動(dòng)，在纖維直徑大于10 μm后又向高頻方向移動(dòng)；由于最大峰值相差較小，在頻率大于最高峰值所在頻率的頻率段，不同纖維直徑下的傳遞損失隨頻率增大而逐漸減小趨于定值，且直徑越大傳遞損失越小。不同纖維直徑的玻璃纖維棉在50～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)都有較好的吸聲效果，而輻射到廠界的噪聲除了寬頻特點(diǎn)外，在200～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)的等效噪聲級(jí)較高，針對(duì)這一特點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在該頻段內(nèi)傳遞損失較大的直徑為10、12或15 μm的玻璃纖維棉；對(duì)比三種直徑在頻帶內(nèi)高于1 000 Hz頻率段的傳遞損失，10 μm的玻璃纖維棉的吸聲效果明顯優(yōu)于另外兩者。

因此，綜合考慮該排風(fēng)管道向廠界位置輻射噪聲的特點(diǎn)，在該阻性片式消聲器中填充的玻璃纖維棉應(yīng)選擇體積密度為60 kg·m-3、纖維直徑為10 μm的規(guī)格，以滿足工業(yè)廠界的噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，使附近居民擁有良好的居住條件。

3.4 工程驗(yàn)證

本文將上述仿真結(jié)論應(yīng)用于消聲器的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工制作。圖12是安裝消聲器前、后的水泥磨主排風(fēng)機(jī)排風(fēng)筒，考慮到風(fēng)載荷等安全問(wèn)題，排風(fēng)筒安裝消聲器后高度仍為40 m，考慮到便于施工和后期維護(hù)，在排風(fēng)筒加裝圍梯，安裝消聲器采用螺栓連接的方式。施工完成后，在相同的測(cè)量點(diǎn)，關(guān)閉其他設(shè)備，僅有水泥磨主排風(fēng)機(jī)工作時(shí)，使用AWA5688型多功能聲級(jí)計(jì)多次測(cè)量廠界噪聲。

圖12 排風(fēng)筒安裝消聲器前、后的照片F(xiàn)ig.12 Picture of the exhaust air duct before and after installing a muffler

在排風(fēng)筒降噪前、后的多次測(cè)量數(shù)據(jù)中任取一次，以第2次數(shù)據(jù)為例，1/3倍頻程等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)比如圖13(a)所示，各頻帶具體降噪量如圖13(b)所示。降噪后等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)均遠(yuǎn)低于60 dB(A)，廠界的噪聲排放滿足了2類(lèi)聲環(huán)境功能區(qū)晝間要求。從圖13中還可以看到50～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲均有不同程度的降低，特別是在200～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)降噪效果明顯。該廠排風(fēng)管道寬頻噪聲的成功治理，證明了所設(shè)計(jì)的消聲器的有效性，特別是低頻噪聲的大幅度降低，也證明了利用有限元對(duì)消聲器傳遞損失進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的可行性，省去了大量實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間成本。

圖13 排風(fēng)筒安裝消聲器前、后廠界噪聲測(cè)量結(jié)果Fig.13 Noise measurement results at the plant boundary before and after installing a muffler on the exhaust duct

4 結(jié) 論

本文采用有限元和傳遞矩陣法，利用復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率，求解阻性片式消聲器的傳遞損失，結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算并分析玻璃纖維棉體積密度和纖維直徑對(duì)阻性片式消聲器傳遞損失的影響。研究結(jié)果表明：

(1) 文中利用等效聲阻抗率求解的阻性片式消聲器傳遞損失和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了本文利用等效聲阻抗率求解阻性片式消聲器傳遞損失的正確性。

(2) 阻性片式消聲器的兩種結(jié)構(gòu)的等效聲阻抗率取決于玻璃纖維棉的聲阻抗，不同體積密度和不同直徑的玻璃纖維棉的傳遞損失峰值，隨著體積密度的增大先增大后減小，隨著纖維直徑的增大而增大，對(duì)高頻噪聲的影響較小，在低頻區(qū)域的降噪效果都是隨著體積密度或直徑的增大先增大后減小。

(3) 根據(jù)在廠界測(cè)量的噪聲頻率，針對(duì)其噪聲分布特點(diǎn)，選擇體積密度為60 kg·m-3、纖維直徑為10 μm的玻璃纖維棉作為填充阻性片式消聲器的吸聲材料，消聲器安裝后的廠界噪聲排放滿足了2類(lèi)聲環(huán)境功能區(qū)晝間的限值要求，附近居民居住環(huán)境有較大改善。