插入式阻性消聲筒在船用通風管道內(nèi)的消聲性能研究

劉 悅，溫華兵，張 帆，吳俊杰，黃偉稀

（1.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082）

為了提高船員的工作壞境舒適性，大多數(shù)船舶配備了船用空調(diào)通風系統(tǒng)，其中通風管道是空調(diào)通風系統(tǒng)的重要部件。

由于空調(diào)通風管道延伸至各個艙室，空調(diào)等機械裝置產(chǎn)生的噪聲也會隨著管道中的氣流進入艙室中進而影響艙室環(huán)境舒適性。由于通風系統(tǒng)中管道眾多，極易成為傳播噪聲的一個重要途徑，所以針對管道降噪已經(jīng)成為船舶噪聲控制的重要問題[1]。管道噪聲主要是由于管壁結(jié)構(gòu)的振動和管內(nèi)流體產(chǎn)生湍流引起[2]，所以當通風管道中有氣流流動時，管中既會產(chǎn)生管道結(jié)構(gòu)噪聲又會產(chǎn)生氣動噪聲，而且噪聲會沿著管道直接傳遞到艙室中。為了減小管道噪聲，一般采取的方式是給管道包覆吸聲材料[3]，進行整段管道包覆需要花費大量的包覆材料，而且會耗費大量的改造時間和費用。本文設(shè)計的阻性消聲筒是一種安裝于船舶通風管道系統(tǒng)末端處的內(nèi)插式吸聲裝置，由穿孔管與吸聲材料組成。該裝置不僅能降低艙室中的氣動噪聲，而且不用改變原有的管路設(shè)計，可節(jié)約改造費用和改造時間。

文中根據(jù)吸聲材料類別與厚度的不同設(shè)計了8種阻性消聲筒，運用有限元法(FEM)、混合法(FESEA)以及統(tǒng)計能量法(SEA)對消聲筒的傳遞損失和插入損失進行計算分析，通過實驗法對靜態(tài)聲源下消聲筒的消聲效果進行了測量。采用仿真與實驗相結(jié)合的分析方法驗證了消聲筒仿真計算方法的可行性；根據(jù)仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的詳細分析，給出了有效的消聲筒設(shè)計方案。文中僅研究管道內(nèi)無氣流存在時消聲筒的靜態(tài)消聲性能，不考慮由聲源造成的輻射噪聲以及結(jié)構(gòu)噪聲，管道內(nèi)存在氣流的動態(tài)測試將在以后進行。本文的研究對于消聲筒裝置的工程應用以及方法研究都有一定的意義。

1 通風管道消聲筒消聲性能仿真分析

1.1 仿真模型建立

管道噪聲分析頻率范圍為100 Hz～5 000 Hz，涵蓋了管道噪聲的低、中以及高頻域，雖然理論上可以直接用有限元法(FEM)進行100 Hz～5 000 Hz 頻域仿真計算，但考慮到劃分的網(wǎng)格數(shù)量以及計算時間，本文采取有限元法(FEM)、混合法(FE-SEA)以及統(tǒng)計能量法(SEA)分別對低、中以及高頻域進行計算，以縮短計算時間和運算量。計算頻率范圍將通過“單位帶寬模態(tài)數(shù)N”進行判斷，具體的標準為[4-6]：

（1）N＞5，則該頻段屬于高頻段，運用SEA計算；

（2）1≤N≤5，則該頻段屬于中頻段，運用FESEA計算；

（3）N＜1，則該頻段屬于低頻段，運用FEM 計算。最終，結(jié)果通過對各個頻段模型計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，給出消聲筒的傳遞損失以及插入損失曲線，得到全頻域計算結(jié)果。

管道模型包括了17m 長的管道，管道內(nèi)徑為160 mm，外徑為175 mm，管道材料為15 mm厚的巖棉夾心板（0.7 mm 鍍鋅板+13.6 mm 巖棉+0.7 mm 鍍鋅板），鍍鋅板的密度ρ1=7 800 kg/m3，楊氏模量E1=200 GPa，巖棉的密度ρ2=80 kg/m3。為了分析消聲筒在100 Hz～5 000 Hz 頻段的聲固耦合狀態(tài)，需要分別建立管道的低頻域有限元模型、中頻域混合法模型以及高頻域統(tǒng)計能量法模型。為了確定整個頻域有限元法、混合法、統(tǒng)計能量法適用的頻率區(qū)間，通過VA-one 軟件建立管道系統(tǒng)的統(tǒng)計能量法SEA 模型，包含直管1至4、彎管1、彎管2、測點管段1、測點管段2、消聲管道（對應實驗中的消聲筒）以及它們所對應的聲腔，具體模型以及管道分布如圖1所示。

圖1 管道系統(tǒng)的SEA模型

管道系統(tǒng)中管道結(jié)構(gòu)與聲腔子系統(tǒng)在單位頻帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)[7]分別如圖2和圖3所示。

圖2 管道結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)單位頻帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)

圖3 聲腔子系統(tǒng)單位頻帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)

結(jié)果表明：

（1）管道結(jié)構(gòu)、聲腔子系統(tǒng)在2 500 Hz 以上都滿足統(tǒng)計能量法的分析要求；

（2）在1 250 Hz～2 000 Hz 都滿足混合法分析要求；

（3）在100 Hz～1 000 Hz 能夠滿足有限元法分析要求。

在確定了有限元法、混合法以及統(tǒng)計能量法的分析頻段后，再通過軟件建立管道系統(tǒng)有限元模型以及混合法模型。模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 管道系統(tǒng)FEM模型

圖5 管道系統(tǒng)FE-SEA模型

1.2 仿真計算分析

通過仿真對比不同吸聲處理方式對該通風管道吸聲性能的影響，吸聲處理方式通過NCT 功能實現(xiàn)[8]（輸入各個方案的吸聲系數(shù)A），幾種吸聲處理方式如表1所示。

表中l(wèi)ayer1 到layer3 分別表示為從管道結(jié)構(gòu)側(cè)到管道內(nèi)部流體側(cè)吸聲材料的組合形式，示意圖如圖6所示。

其中穿孔管分為內(nèi)徑140 mm（管A）和120 mm（管B）2 種，管壁厚度為1 mm，穿孔筒的長度都為1 m，穿孔率為35 %，孔徑為3 mm，孔間距為5 mm。吸聲材料分別為厚10 mm、面密度ρM1=800 g/m2的針刺棉和厚10 mm、面密度ρM2=400 g/m2的超細纖維，下文實驗中所用的吸聲材料、穿孔管的屬性以及兩者的組合方式與表1中相同。

圖6 組合形式示意圖

為了準確預報消聲筒的消聲性能，在仿真前首先利用駐波管測出吸聲材料的吸聲系數(shù)A（N0 為管道內(nèi)無吸聲材料，故吸聲系數(shù)A近似為0），具體數(shù)值如圖7所示。

圖7 各種材料的吸聲系數(shù)

為了使仿真結(jié)果能夠與實驗結(jié)果更吻合，將實測的聲源出口聲壓級LP施加到通風管道模型入口，作為通風管道的激勵載荷。通過測試測點管段1（入口）、測點管段2（出口）處的聲壓級LP1i和LP2i（i=0～8），根據(jù)式（1）計算出消聲管道的傳遞損失LTLi（i=0～8），根據(jù)式（2）計算得到消聲管道的插入損失LILi（i=1～8），分別如圖8和圖9所示。

表1 不同的吸聲處理方式

圖8 消聲筒的傳遞損失仿真結(jié)果

圖9 消聲筒的插入損失仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示：

（1）消聲筒在1 000 Hz～5 000 Hz 有良好的消聲效果，其傳遞損失LTL和插入損失LIL能夠達到4 dB以上，在1 250 Hz～4 000 Hz頻段能夠達到10 dB左右；

（2）消聲筒在4 000 Hz～5 000 Hz 處的傳遞損失LTL和插入損失LIL隨著頻率的增加而下降；

（3）在400 Hz～1 000 Hz 這一頻段可以看出方案N4 至N6 的消聲效果要好于其余幾個方案，其傳遞損失LTL和插入損失LIL平均提高了2 dB左右。

由于消聲筒在4 000 Hz～5 000 Hz 處的消聲效果降低，所以根據(jù)式（3）計算出消聲筒的上限截止頻率，其中c為聲速，取c=340 m/s，D為消聲筒的內(nèi)徑（單位：mm）。

設(shè)計的消聲筒可分為2 類，一類是10 mm 厚吸聲材料的消聲筒（N1 和N2），另一類是20 mm 厚吸聲材料的消聲筒（N3 至N8），其內(nèi)徑分別為DA=120 mm和DB=140 mm。所以，消聲筒N1至N2的上限截止頻率為fs1=5 241.7 Hz，N3 至N8 的上限截止頻率為fs2=4 492.9 Hz。所以消聲筒傳遞損失以及插入損失在靠近5 000 Hz時迅速下降。

2 消聲筒消聲性能分析

2.1 消聲實驗分析

為了驗證插入式消聲筒仿真結(jié)果的準確性，搭建了一個消聲筒消聲性能實驗臺架系統(tǒng)，臺架如圖10所示。

圖10 消聲筒消聲性能實驗臺架系統(tǒng)圖

臺架主要由喇叭、信號發(fā)生器以及管道組成，將喇叭放入管道入口內(nèi)并將其連接信號發(fā)生器，通過信號發(fā)生器使喇叭發(fā)出白噪聲。喇叭與信號發(fā)生器放置在消聲室中防止喇叭輻射出管道的噪聲影響測試結(jié)果。信號發(fā)生器的掃頻頻率設(shè)為100 Hz～10 000 Hz，信號幅值為10VRMS。將喇叭放進管道入口后，需將入口處密封防止漏聲。

在安裝消聲筒的管道開2 個孔，孔的位置分別在消聲筒的進口與出口附近，將孔中插入2 個傳聲器分別定為測點1和測點2，測點布置如圖11所示。

開展實驗并測得實驗方案中各個消聲筒在測點1和測點2處的聲壓級。

通過數(shù)據(jù)處理得到各實驗方案中消聲筒的傳遞損失LTLi（i=0～8）、插入損失LILi（i=1～8）分別如圖12和圖13所示，

（1）在160 Hz～5 000 Hz頻段，方案N1至N8的傳遞損失LTL值和插入損失值LIL要大于N0（參考組），但在100 Hz～160 Hz 頻段，幾個方案的消聲效果并不理想，主要是由于吸聲材料在該頻段的吸聲系數(shù)較低；

（2）對比N1、N3 以及N2、N4 發(fā)現(xiàn)，N3 和N4 在160 Hz～5 000 Hz 的傳遞損失LTL值和插入損失值LIL要大于N1 和N2，說明對于同種吸聲材料的消聲筒，吸聲材料厚度越大其吸聲效果越好，增加吸聲材料厚度還能提高消聲筒在低頻處的吸聲效果；

圖11 測點布置示意圖

圖12 消聲筒的傳遞損失實驗結(jié)果

圖13 消聲筒的插入損失實驗結(jié)果

（3）對比N5 至N8 發(fā)現(xiàn)，吸聲材料厚度相同的情況下，不同材料進行疊加可以得到更好的吸聲效果，這是由于不同吸聲材料的疊加改變了消聲筒內(nèi)壁的阻抗特性。

2.2 仿真與實驗結(jié)果對比分析

將方案N1至N8的消聲性能仿真與實驗結(jié)果進行對比，如圖14和圖15所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)各個方案的仿真值與實測值相近，在100 Hz～5 000 Hz的趨勢基本相同，說明采用FEM、FE-SEA 混合法以及SEA 組合方案進行管道消聲性能仿真計算的方法是可行的。但在仿真時沒有考慮管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的再生噪聲以及管道輻射出的噪聲，導致消聲筒仿真結(jié)果在中頻段與實驗結(jié)果的誤差相對較大，約在3 dB左右。

3 結(jié)語

設(shè)計了8 種船用通風管道消聲筒，分別采用FEM、FE-SEA 混合法、SEA 對其消聲性能進行仿真計算，采用實驗測試了消聲筒的消聲值，可得到以下主要結(jié)論：

（1）采用FEM、FE-SEA 混合法、SEA 相結(jié)合的方法可以有效、準確地對消聲筒的消聲性能進行仿真分析。

（2）設(shè)計的消聲筒在200 Hz～3 150 Hz 有較好的消聲效果，方案N6 的傳遞損失LTL值最高達到10 dB，但在低頻消聲效果一般，插入損失LIL在3 dB 左右；在3 150 Hz～5 000 Hz 由于上限截止頻率的原因，導致消聲效果降低。

（3）可以采取加厚吸聲材料的方法提高消聲筒的消聲效果，通過疊加不同吸聲材料也可以進一步提高吸聲材料的吸聲性能，以降低通風管道出風口末端的氣流噪聲。

圖14 方案N1至N4仿真與實驗結(jié)果對比

圖15 方案N5至N8仿真與實驗結(jié)果對比