通風工程常用消聲器傳遞損失研究

楊芳乙，李旭巍，李力克，石國兵，王鵬

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

消聲器是一種既能允許流動介質通過，又能有效抑制噪聲傳播的器件。在各種通風系統工程中，最常見的消聲器結構形式是片式消聲器和矩陣消聲器[1]。

目前，針對這兩款常用的消聲器，主要采用在消聲器動態評價實驗平臺上對其消聲性能進行實驗室測試，但大量的實測不僅試驗周期較長，而且對于超過實驗室安裝條件的消聲器還存在無法測試的情況。 利用計算機仿真模擬技術對消聲器消聲性能進行仿真模擬， 不僅可快速評價消聲器設計方案的消聲效果，而且可以避免重復繁瑣的實驗測試和驗證，縮短了試驗周期，降低了開發成本，對消聲器的設計、優化及工程應用具有重要參考意義。

本文以目前常用的兩款聲學仿真模擬軟件——LMS Virtual Lab Acoustic 和COMSOL 為基礎，詳細探討通風工程中常用兩款消聲器的傳遞損失。

1 消聲器聲學性能仿真模擬

1.1 片式消聲器聲學性能仿真模擬

片式消聲器一般具有較大的進出口橫截面積， 容易激發高階模態聲波，需要用三維理論進行計算和分析， 采用LMS Virtual Lab Acoustic 聲學仿真軟件對片式消聲進行三維數值模擬[2]。

對于線性有限元和邊界元模型，為保證其計算精度，劃分的最大單元長度L應滿足：

式中：c——某流體介質中的聲速； fmax——高計算頻率。

在LMS Virtual.Lab12 以后版本中，采用FEMAO 技術（FEM Adaptive Order）求解方式，該求解技術為聲學分析提供了高階自適應有限元解決方法[3]。

片式消聲器采用通流面積比為50%、片厚150mm、長度為2.0m 的片式消聲器（150mm、50%、2.0m，不帶吸聲襯墊，玻璃棉密度取32kg/m3）作為研究對象，通過對三維數值模擬和實測數據（實驗室測試數據）進行對比，分析研究數值模擬的準確性。

多孔材料的流阻率一般通過實驗的方法獲得， 對于具有均勻纖維直徑、少量粘合劑的纖維材料，其流阻率也可根據經驗公式獲得，Bies 和Hanson 在1980年提出了多孔性材料流阻的經驗公式[4]：

式中：ρ 為材料密度；da為平均纖維孔直徑，此處取為10μm，流阻率為6387 Pa·s/m2。

片式消聲器三維數值仿真結果云圖如圖1 所示，將片式消聲器仿真計算所得傳遞損失數據和實測插入損失數據進行對比，結果如圖2 所示。通過對比片式消聲器實測數據和軟件仿真模擬數據可知：

圖1 片式消聲器仿真結果云圖

圖2 片式消聲器仿真結果對比

（1）采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬片式消聲器傳遞損失，模擬數據和實測數據趨勢基本一致；

（2） 模擬數據在500Hz 以后偏高，應根據實測數據進行參數調整；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬消聲器傳遞損失，離不開消聲器實測數據作為標定，在標定修正完成的情況下，利用軟件模擬消聲器傳遞損失，可實現較高的精度。

1.2 矩陣消聲器聲學性能仿真模擬

COMSOL Multiphysics 是一款以有限元理論為核心算法的多物理場仿真軟件，可快速、準確地模擬各類流體、固體中的聲音傳播，從而求解各類經典聲學問題[5]。 與LMS Virtual Lab Acoustic 聲學仿真軟件計算相比，COMSOL 參數化建模功能和參數化掃描研究功能， 可更高效地對模型計算進行參數調整和分析。 因此，以COMSOL 軟件對矩陣式消聲器的傳遞損失進行研究。

矩陣式消聲器結構參數如表1 所示。

表1 3m長矩陣消聲器結構參數表

3m 長矩陣消聲器實測插入損失性能如表2 所示。

表2 3m長矩陣消聲器實測插入損失性能表(單位/dB)

矩陣消聲器矩陣單元輸入參數如表3 所示。

表3 矩陣消聲器輸入參數

根據以上數據，矩陣消聲器三維模擬結果如圖3 所示，將矩陣消聲器仿真計算所得傳遞損失數據和實測插入損失數據進行對比，如圖4 所示。

圖3 矩陣消聲器仿真結果云圖

圖4 矩陣消聲器模擬和測試對比

將軟件模擬數據和實測數據進行對比可知：

（1） 采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬矩陣消聲器傳遞損失，模擬數據和實測數據趨勢基本一致；

（2） 模擬數據在500Hz 以后偏高，但與實測數據偏差值相比，采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬值和實測值偏差較小。

2 消聲器不同結構參數對其傳遞損失的影響研究

2.1 不同孔徑的穿孔護面板影響

對不同孔徑的穿孔板護面進行研究，依次取消聲器穿孔護面板孔徑0.10mm、0.12mm、0.15mm 和0.20mm， 得出傳遞損失曲線圖，如圖5 所示。

通過圖5 可知， 在一定范圍內， 孔徑越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。

圖5 不同孔徑傳遞損失結果

2.2 不同板厚的穿孔護面板影響

對不同板厚的穿孔護面板進行研究， 依次取消聲器穿孔護面板板厚為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，得出傳遞損失曲線，如圖6 所示。

由圖6 可知，在一定范圍內，穿孔護面板板厚越小，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。

圖6 不同板厚傳遞損失結果

2.3 不同吸聲材料影響

常用離心玻璃棉吸聲材料密度參數及其對應流阻率如表4 所示。

表4 玻璃棉密度及其流阻率

對不同密度和流阻率的離心玻璃棉進行研究， 傳遞損失曲線如圖7 所示。

由圖7 可知，吸聲材料流阻率越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。在1000Hz 處，不同流阻率所對應的傳遞損失存在一個上限， 即傳遞損失值不會隨著流阻率的增加而不斷增加。

圖7 不同流阻率傳遞損失結果

3 結語

以消聲器傳遞損失作為評價指標，分別對通風工程中常用的兩款消聲器——片式消聲器和矩陣消聲器進行了仿真模擬，比較了模擬傳遞損失和實測插入損失的數據，通過對比可以發現：

（1）采用Virtual Lab Acoustic 軟件和COMSOL Multiphysics軟件， 模擬消聲器傳遞損失， 模擬數據和實測數據趨勢基本一致；

（2） 模擬數據在500Hz 以后偏高， 但采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬數值與實測數據存在的偏差， 比采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬值和實測值偏差小；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 軟件模擬消聲器傳遞損失，離不開消聲器實測數據作為標定，在標定修正完成的情況下，利用軟件模擬消聲器傳遞損失可實現較高的精度；

（4） 同 時 利 用Virtual Lab Acoustic 軟 件 和COMSOL Multiphysics 軟件，研究矩陣消聲器不同結構參數對消聲器傳遞損失的影響，在一定范圍內，消聲器穿孔護面板孔徑越大，板厚越小，吸聲材料流阻率越大，消聲器傳遞損失越大，消聲器消聲性能越好。超過一定范圍后，隨著流阻率增加，分頻處傳遞損失值存在上限值，不再增加。 片式消聲器和矩陣消聲器同屬于阻性消聲器，只是結構形式不同，以上結論同樣適用。