微穿孔板在列車空調風道中的應用研究

彭健，肖新標，李承城，付辰辰，許天嘯

微穿孔板在列車空調風道中的應用研究

彭健，肖新標*，李承城，付辰辰，許天嘯

（西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

根據測試數據對空調噪聲特點進行了分析，研究發現空調噪聲能量主要集中在100～1000 Hz的頻帶內，且空調噪聲的大小會直接影響客室內噪聲的大小。為了計算空調風道的傳遞損失，采用簡單結構對仿真計算方法進行了驗證，仿真結果證明采用“壓力聲學，頻域”接口可以用于計算空調風道的傳遞損失。為了保證在空調風道內有效的布置微穿孔板，且不影響空調風道內正常的空氣流量，文中設計了四種將微穿孔板排布于空調風道內的方案，均可以有效地提升空調風道傳遞損失的谷值和峰值。四種方案均提升了空調風道的降噪效果，其中方案1降噪效果優于方案2，方案3優于方案4。采用微穿孔板錯位分布的方式降噪效果要優于同側分布的方式。通過對微穿孔板在空調風道內的應用研究，為降低列車空調噪聲提供了一種有效的途徑。

空調噪聲；傳遞損失；微穿孔板；壓力聲學

空調噪聲作為列車靜置時的主要噪聲源，當空調噪聲過大就會出現噪聲超標的現象。張捷[1]對高速列車噪聲進行了實驗測試分析，從測試的結果來看空調噪聲也是影響客室內噪聲的關鍵因素。孫艷紅[2-3]對高速列車風道傳聲特性和風道消聲器傳聲特性進行了分析，并通過調整吸聲包的關鍵參數等對空調風道進行了優化設計。張振威[4]通過在空調風道壁上粘貼多孔吸聲材料的方式，降低了列車空調風道噪聲，從吸聲材料對空調風道降噪的效果來看，多孔材料在中低頻范圍內的降噪效果有限。展偉[5]對某列車在靜置狀態下開啟和關閉空調測得的車內噪聲聲壓級總值進行了分析，發現開啟空調后使客室內聲壓級增加了40 dB。因此，針對于地鐵和市域車等低速運營列車，研究其空調風道的低噪聲優化方案是十分重要的。馬大猷[6]認識到，如果將微穿孔板的孔隙尺寸調整到亞毫米級（傳統為毫米級），微穿孔板可以在中低頻范圍內有比較好的寬頻吸聲性能。研究表明，兩層和多層串聯的微穿孔板吸聲器可獲得更寬的吸聲帶寬，微穿孔板吸聲器是一種較好的亞波長吸收結構[7-8]。吳飛等[9]基于微孔板結構，設計了一種折曲通道的亞波長寬帶吸聲結構，實現微穿孔板在復雜結構中的應用。李清等[10]和賈興仕等[11]將微穿孔板用于油煙機的噪聲控制中，實現對油煙機噪聲的有效控制。

本文中針對空調噪聲顯著的問題，通過研究微穿孔板在空調風道內的應用方式，利用微穿孔板的寬頻吸聲性能來實現對列車空調風道噪聲的抑制。

1 空調噪聲特性

在空調中使用微穿孔板前，需要對列車空調噪聲特性進行分析，以確保微穿孔板在空調風道內實現對空調顯著頻段噪聲的吸收。按照ISO 3381-2011[12]，分別在車體縱向中心線上方距離地板面1.6 m高度處的列車客室前、前空調機組、列車客室中、后空調機組和列車客室后這5個地方布置聲學評價點。表1給出了列車在空調全開和全關狀態時的聲壓總值。從表中可以看出，空調打開后，聲壓總值增加了23.5～27.6 dB，空調開啟后客室內噪聲明顯提高。且前空調機組和后空調機組聲壓總值的差值要明顯大于客室前、中、后三個位置。圖1中給出了空調全開狀態時客室內噪聲的1/3倍頻程譜圖，可以看出，在空調全開狀態下，空調噪聲能量主要集中在中心頻率為100～1000 Hz的頻帶內，且前空調機組和后空調機組的聲壓級整體高于客室前中后三個位置。由此可見，空調噪聲是影響列車靜置狀態下客室內噪聲大小的主要噪聲源，且100～1000 Hz范圍內的空調噪聲的主要噪聲頻段。因此，本文使用微穿孔板對100～1000 Hz范圍的空調噪聲進行控制。

表1 某列車車內噪聲聲壓總值

2 列車空調風道模型與方法驗證

2.1 列車空調風道模型的建立

列車客室內空調噪聲傳播路徑為“聲源－進風口－空調風道－出風口－客室”，其中空調風道對空調噪聲降噪的效果會直接影響客室內噪聲的大小。因此計算并分析空調風道的傳遞損失，是降低空調噪聲的關鍵。首先，COMSOL Multiphysics軟件的“壓力聲學，頻域”接口建立空調風道聲學有限元模型，空調風道聲學模型如圖2所示。空調風道外部尺寸大小為：長19 m，寬0.8 m，高0.17 m。

圖1 空調全開狀態時噪聲的1/3倍頻程譜圖

圖2 列車空調風道模型

接下來，在“壓力聲學，頻域”接口對列車空調風道的傳遞損失進行求解。模型求解過程中使用的方程為修正的Helmholtz方程，其表達式為：

將列車空調風道的所有外邊界使用硬聲場邊界（也稱剛性壁），即忽略聲波與壁面之間的粘滯損耗和熱損耗對聲波能量的影響，滿足：

式中：為向量。

在空調風道入口處，會同時存在入射平面波與出射平面波的疊加，需要滿足條件：

在空調風道出口處，僅受出射波的影響，所以設置的出射平面波滿足：

因此，空調風道的傳遞損失為：

2.2 傳遞損失計算與驗證

在空調風道聲學有限元模型的進風口處添加壓力幅值為1 Pa的入射聲壓，對列車空調風道的傳遞損失進行計算。圖3中給出了仿真得到的頻率為1000 Hz內的空調風道傳遞損失。

從圖中可以看出，空調風道的傳遞損失在1.8～26.5 dB之間，且存在多個傳遞損失谷值。要降低空調噪聲，則需要提高空調風道的傳遞損失，特別是傳遞損失谷值區域。

為了驗證聲學有限分析方法計算的正確性，使用參考文獻[13]中的模型，使用“壓力聲學，頻域”對文獻中的模型進行了仿真計算。文獻中的模型如圖4所示，傳遞損失仿真結果與實驗結果如圖5所示。從圖5中所示的仿真結果與實驗結果可看出，通過“壓力聲學，頻域”計算得到的結果與實驗結果的傳遞損失曲線走勢一致，僅在170～290 Hz頻段內有一定的差異。綜上分析，可認為采用“壓力聲學，頻域”接口計算列車空調風道的傳遞損失是準確的。

圖3 列車空調風道的傳輸損失

圖4 消聲器模型[13]

圖5 仿真結果與實驗結果比較

3 微穿孔板在空調風道中的應用

3.1 微穿孔板的布置方式研究

列車空調風道是列車空調系統中的重要組成部件，在空調風道內利用微穿孔板對空調噪聲進行控制時，因微穿孔板上的穿孔直徑小于1 mm，將整塊微穿孔板直接安置在空調風道內，會相應的增加風道送風的阻力，進而影響空調風道內的空氣流量。因此，需要研究微穿孔板在空調風道內的布置方式，使空調風道在保證有足夠送風能力的同時，實現提高空調風道傳遞損失的目的。受到以上所分析條件的限制，下面將研究微穿孔板在空調風道內的應用方式，進而實現對空調噪聲的抑制。

圖6、圖7分別給出了2種微穿孔板在空調風道內的布置方案，將兩種布置方式設置為對比項。第一種應用方案，將微穿孔板錯位排布在空調風道內，相鄰微穿孔板之間的距離為，如圖6（a）所示。圖6（b）所示為在空調風道聲學有限元模型中設置微穿孔板的三維圖，在空調風道內共設置了19塊微穿孔板。圖7所示為微穿孔板的第二種應用方案，即將微穿孔板排布在同側空調風道內，相鄰微穿孔板之間的距離為，在空調風道內共設置了19塊微穿孔板。

圖6 方案1：微穿孔板錯位分布

圖7 方案2：微穿孔板同側分布

圖8（a）為第三種布置方案，將L形微穿孔板錯位排布在空調風道內，相鄰微穿孔板之間的距離為2。如圖8（b）所示在空調風道內共設置了6塊L形微穿孔板。如圖9（a）所示為第四種方案，即將L形微穿孔板排布在同側空調風道內，相鄰微穿孔板之間的距離為2。如圖9（b）所示在空調風道內共設置了6塊L形微穿孔板。

圖8 方案3：L形微穿孔板錯位分布

3.2 應用方案對傳遞損失的影響

在不影響空調風道正常工作的情況下，本文中研究了四種將微穿孔板應用于空調風道中的方案。為了進一步比較各方案之間的降噪效果，將對四種方案的傳遞損失的傳遞損失進行計算。微穿孔板的寬頻吸聲特性與穿孔孔徑、穿孔率和板厚均有關。在仿真計算中將微穿孔板的穿孔孔徑、穿孔率和板厚分別設置為0.4 mm、0.01 mm和1 mm。并將的值固定為1 m。如圖10和圖11所示，分別給出了四種方案的計算結果。

圖10 方案1和方案2計算結果

圖11 方案3和方案4計算結果

在圖10中對方案1和方案2進行了對比，從圖中可以看出，無論是方案1和方案2均可以改善空調風道的傳遞損失。兩種方案均使空調風道傳遞損失谷值和峰值均得到了有效的提升，傳遞損失提高的最大值約為17 dB。方案1的傳遞損失在6.2～30.2 dB之間，方案2的傳遞損失在6.5～26.7 dB之間。在642～700 Hz、823～848 Hz和937～1000 Hz頻帶內，方案1的傳遞損失曲線要明顯高于方案2。其它頻率區域，方案1和方案2的傳遞損失曲線走勢基本一致。

由此可見，采用微穿孔板錯位排布的方案（方案1）的降噪效果要優于微穿孔板同側排布的降噪方案（方案2）。

從圖11中可以看出，方案3和方案4的降噪措施也有效提高了空調風道傳遞損失谷值和峰值，傳遞損失提升的最大值約為15 dB。方案3在373～398 Hz和812～844 Hz頻帶內，傳遞損失要明顯高于方案4。但在其它頻帶內，方案3和方案4的傳遞損失曲線基本一致。其中，方案3的傳遞損失在4.6～30.7 dB之間，方案4的傳遞損失在4.5～25.4 dB之間。

由此可得，采用微穿孔板L形錯位排布的方案（方案3）的降噪效果要優于微穿孔板L形同側排布的降噪方案（方案4）。通過以上分析可知，在空調風道內合理的布置微穿孔板，可以提升列車空調風道的傳遞損失，達到降低空調噪聲的目的。

4 結論

通過本文的研究主要得出以下的結論：

（1）空調噪聲作為列車靜置時的主要噪聲源，當空調噪聲過大時，會增大客室內的噪聲，且空調噪聲能量主要集中在100～1000 Hz的頻帶內。通過模型驗證，證明了“壓力聲學，頻域”聲學有限元分析方法可用于計算空調風道的傳遞損失。

（2）在未安裝微穿孔板前，空調風道的傳遞損失在1.8～26.5 dB之間，而方案1、方案2、方案3、方案4的傳遞損失分別在6.2～30.2 dB、6.5～26.7 dB、4.6～30.7 dB和4.5～25.4 dB之間。四種方案均使空調風道的傳遞損失得到提高。

（3）采用方案1和方案2均可改善空調風道傳遞損失，并且有效提升了空調風道傳遞損失的谷值和峰值，提升的最大差值約為17 dB，且方案1降噪效果要優于方案2。方案3和方案4也有效提升了空調風道傳遞損失的谷值和峰值，提升的最大差值約為15 dB，方案3的降噪效果要優于方案4。由此可得，采用微穿孔板錯位分布的方式降噪效果要優于同側分布的方式。微穿孔板在列車空調風道中的應用研究，為降低空調噪聲提供了一種降噪途徑。

[1]張捷，肖新標，王諦，等. 350 km/h 以上高速列車觀光區噪聲特性及其評價研究[J]. 鐵道學報，2012，34（10）：23-29.

[2]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風道傳聲特性及其優化設計[J]. 機械工程學報，2018，54（24）：129-137.

[3]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風道消聲器傳聲特性[J]. 浙江大學學報（工學版），2019（7）：1389-1397.

[4]張振威，蘇燕辰. 高速列車空調風道的降噪[J]. 科學技術與工程，2018，18（3）：354-360.

[5]展偉，劉巖，鐘志方，等. 地鐵車輛空調系統噪聲分布規律[J]. 噪聲與振動控制，2014，34（5）：91-94.

[6]Maa D Y. Potential of microperforated panel absorber[J]. Journal of the Acoustical Society of America，1998，104（5）：2861-2866.

[7]Sakagami K，Matsutani K，Morimoto M. Sound absorption of a double-leaf micro-perforated panel with an air-back cavity and a rigid-back wall：Detailed analysis with a Helmholtz–Kirchhoff integral formulation[J]. Applied Acoustics，2010，71（5）：411-417.

[8]Lee D H，Kwon Y P. Estimation of the absorption performance of multiple layer perforated panel systems by transfer matrix method[J]. Journal of Sound & Vibration，2004，278（4-5）：847-860.

[9]吳飛，黃威，陳文淵，等. 基于微孔板與折曲通道的亞波長寬帶吸聲結構設計[J]. 物理學報，2020，69（13）：22-28.

[10]李清，張肅，龔純，等. 微穿孔板的設計方法及其在煙機上的應用[J]. 噪聲與振動控制，2020，40（1）：219-222.

[11]賈興仕，李勇，張洪軍. 微穿孔板在抽油煙機噪聲控制中的應用[J]. 中國計量大學學報，2020，31（1）：57-64.

[12]The International Organization for Standardization. ISO 3381-2011.Railway applications-Acoustics Measurement of noise inside railbound vehicles[S]. Switzerland: ISO Copyright Office, 2011.

[13]T. Elnady. Modelling and Characterization of Perforates in Lined Ducts and Mufflers, doctoral dissertation[D]. Department Aeronautical and Vehicle Engineering，Royal Institute of Technology，Stockholm，2004.

Application of Micro-Perforated Plate in Train Air-Conditioning Duct

PENG Jian，XIAO Xinbiao，LI Chengcheng，FU Chenchen，XU Tianxiao

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The characteristics of air conditioning noise are analyzed based on test data. It is found that the air conditioning noise energy is mainly concentrated in the frequency band of 100～1000 Hz and the air conditioning noise level will directly affect the noise level in passenger compartment. In order to calculate the transfer loss of air duct, a simple structure is used to verify the simulation calculation method. The results show that the "pressure acoustics, frequency domain" interface can be used to calculate the transfer loss of air duct. In order to ensure that the micro-perforated panels are effectively arranged and the normal air flow is not affected, four schemes are designed to arrange micro-perforated panels in the air-conditioning duct. The four schemes can effectively improve the valley value and peak value of air duct transfer loss. All the four schemes can improve the noise reduction effect of air duct, among which scheme 1 is better than scheme 2, and scheme 3 is better than scheme 4. The noise reduction effect of dislocation distribution of micro-perforated plate is better than that of ipsilateral distribution. The application of micro-perforated plate in air duct provides an effective way to reduce the noise of train air conditioning.

air conditioning noise；transfer loss；microperforated plate；the acoustic pressure

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.005

1006-0316 (2022) 08-0024-06

2022-02-21

國家自然科學基金（U1934203，52002257）；牽引動力國家重點實驗室開放課題（TPL2205）

彭健（1995－），男，云南麗江人，碩士研究生，主要研究方向為軌道車輛減振降噪，E-mail：3332320870@qq.com。*通訊作者：肖新標（1978－），男，四川成都人，博士，副研究員，主要研究方向為鐵路車輛減振降噪，E-mail：xinbiaoxiao@163.com。