微穿孔板在抽油煙機噪聲控制中的應(yīng)用

賈興仕，李 勇，張洪軍

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.香港大學(xué)浙江科學(xué)技術(shù)研究院， 浙江 杭州 311300；3.溫州大學(xué) 機電工程學(xué)院， 浙江 溫州 325000)

抽油煙機是廚房噪聲最主要來源。國家對抽油煙機產(chǎn)品噪聲有嚴(yán)格規(guī)定，一般要求總體聲功率級不大于68 dB[1]。為了進一步降低噪聲，提高產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)研究單位不斷嘗試新的降噪技術(shù)并進行低噪聲產(chǎn)品開發(fā)。抽油煙機的噪聲主要來自風(fēng)扇本身的氣動噪聲和結(jié)構(gòu)機械噪聲，其中氣動噪聲及其引起的氣-固耦合噪聲是主要噪聲來源，其噪聲頻率較低且頻帶較寬，對降噪技術(shù)提出很高要求[2]。

對抽油煙機進行噪聲控制，除了采用低噪聲風(fēng)機和合理進行結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計以降低聲源噪聲以外，還可以采用消聲的辦法，即采用各種主動和被動消聲技術(shù)進行降噪。關(guān)于抽油煙機被動降噪，可采用的方法有：在抽油煙機金屬外殼涂抹阻尼材料，以及在抽油煙機進氣通道加裝吸聲材料構(gòu)成的消聲器。這種方法對于降噪是有效的，但由于抽油煙機工作條件比較惡劣，油煙密集、潮濕、且流速較快，傳統(tǒng)的含有多孔吸聲材料的消聲器容易出現(xiàn)吸聲結(jié)構(gòu)失效，影響長期效果，且不易清潔。微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)是由一定穿孔率的微穿孔板以及其背部空腔組合而成，由于其表面孔徑較小，具有較大的聲阻和較小的聲抗，具有較好的寬頻特性[3]，而且微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)本身是帶有一定穿孔率的金屬薄板，環(huán)境適應(yīng)性好，在抽油煙機的噪聲控制中應(yīng)用具有較好的可行性。

本文針對抽油煙機的噪聲特性，利用傳遞矩陣法[4]對單層和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性進行分析，以此進行參數(shù)計算和吸聲通道設(shè)計，并對改造前后的抽油煙機的降噪效果進行實驗測試。

1 降噪設(shè)計及計算

1.1 抽油煙機結(jié)構(gòu)改造

常規(guī)抽油煙機結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1(a)所示，抽油煙機內(nèi)裝有鼠籠式離心風(fēng)機提供抽力，廚房油煙經(jīng)進風(fēng)口吸入后，從離心風(fēng)機的兩側(cè)進入風(fēng)機，從抽油煙機出風(fēng)口排出。此結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間有限，不利于加裝通道消聲器，因此，在不影響離心風(fēng)機的正常工作的情況下，將離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)90°放置，氣流從離心風(fēng)機的單側(cè)進入(圖1(b))。同時，為了增大消聲通道長度，把抽油煙機殼體拉長150 mm，即由原來的520 mm加長到670 mm，消聲通道延長至420 mm。在進風(fēng)通道內(nèi)部加裝微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，構(gòu)成通道消聲器。

圖1 抽油煙機結(jié)構(gòu)改造示意圖Figure 1 Schematic diagram of sound absorbing reform of the range hood

1.2 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了有針對性地設(shè)計降噪方案，對結(jié)構(gòu)改造后(未加裝消聲器)的抽油煙機噪聲進行了測試。將抽油煙機水平放置在隔音箱內(nèi)，出風(fēng)口通往隔音箱以外。在隔音箱內(nèi)使用GRAS40AE自由場麥克風(fēng)在正對抽油煙機進風(fēng)口中央800 mm處，進行抽油煙機噪聲測量。待抽油煙機運行平穩(wěn)后，麥克風(fēng)開始采集信號，采樣頻率為40.96 kHz，采樣時間為10 s。

抽油煙機測試所得的聲功率頻譜圖和能量累積圖如圖2，其噪聲的頻譜范圍主要集中在100～2 000 Hz內(nèi)，噪聲主要以中低頻噪聲為主，其中在200～400 Hz和1 000～1 100 Hz頻段上聲功率分布尤為集中，約占總噪聲能量的70%左右。

圖2 抽油煙機噪聲頻譜圖Figure 2 noise spectrum of the range hood

1.2.1 吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計

進氣通道采用錐形結(jié)構(gòu)，以微穿孔板為內(nèi)壁的進氣通道直徑從離心風(fēng)機入口的212 mm逐漸到油煙機進風(fēng)口的272 mm。這種漸變截面通道一方面起到導(dǎo)流的作用[5]，另一方面也構(gòu)造出變空腔微穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)，即聲襯[6]，實現(xiàn)寬頻吸聲設(shè)計，滿足抽油煙機寬頻噪聲控制要求。圓形截面吸聲結(jié)構(gòu)存在高頻失效頻率，根據(jù)失效臨界頻率計算公式[7]：

(1)

式(1)中，DE為圓形截面吸聲通道的直徑，c0為聲速。

吸聲通道直徑從212 mm到272 mm逐漸變化，其失效臨界頻率范圍為1 575～1 956 Hz，未處于抽油煙機主要噪聲頻段，說明該吸聲通道對于抽油煙機噪聲頻段是合適的。

1.2.2 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)

微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)在共振頻率附近有較高的吸聲系數(shù)，變空腔和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)能有效拓寬吸聲頻帶[8]。對于單層和雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性可采用傳遞損失法進行分析[9]。

微穿孔板的傳遞矩陣為

(2)

式(2)中，ρ0為空氣密度，ξ為歸一化聲阻抗，ξ=[7.337×10-3+jδx×2.224 5×10-5(1+51t)(1+204d)f]/σ，δx為修正系數(shù)，根據(jù)參考文獻[9]，δx=1.3比較合適；t為微穿孔板板厚；d為孔徑；f為頻率；σ為穿孔率。

空氣腔的傳遞矩陣為

(3)

圖3 單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)Figure 3 Resonance sound absorption structure of single-layer microperforated plate

單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)計算可參考圖3，Ae-jkx和Bejkx分別為入射聲波和反射聲波。聲波入射至此結(jié)構(gòu)時，先經(jīng)過微穿孔板進入其背部空腔，最后到達剛性壁面。因此，單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣可表示為

(4)

式(4)中p、v為聲壓和質(zhì)點振速。

其傳遞函數(shù)可表示為

(5)

由于聲波終止于剛性壁面，因此v2=0，

(6)

根據(jù)定義，反射系數(shù)

(7)

吸聲系數(shù)

(8)

圖4 雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)Figure 4 Resonance sound absorption structure of double-layer microperforated plate

同理，雙層微穿孔板的傳遞矩陣為(參考圖4)：

(9)

(10)

最終計算可得雙層微穿孔板吸聲系數(shù)為

(11)

在微穿孔板參數(shù)設(shè)計時，應(yīng)保證在主要噪聲頻段內(nèi)有較高的吸聲系數(shù)，以達到較好的吸聲效果。在參數(shù)選擇時，可采用吸聲量A作為吸聲效果的評判標(biāo)準(zhǔn)，其定義為[10]

(12)

0.4 mm≤t≤1.5 mm，1%≤p≤20%，0.1 mm≤d≤1 mm。

使用Matlab通過參數(shù)掃描的方法，計算得到最優(yōu)解為：t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm。

雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的約束條件為：

0.4 mm≤t1，t2≤1.5 mm，1%≤p1，p2≤20%，0.2 mm≤d1，d2≤1 mm，D1+D2=79 mm。

計算得到最優(yōu)解為：t1=1 mm，t2=1.1 mm，p1=2%，p2=1%，d1=d2=0.3 mm，D1=29 mm，D2=50 mm。

根據(jù)計算，單、雙層穿孔板參數(shù)均采用t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm時，其吸聲量較之最優(yōu)解相差不超過1%。因此，單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)將均采用此參數(shù)進行設(shè)計。

根據(jù)傳遞矩陣法分別計算單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖5。可以看出，相較于單層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶寬度更寬，并且在低頻處吸聲表現(xiàn)優(yōu)于單層。

圖5 微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)Figure 5 Absorption coefficient of resonant absorption structure of microperforated plate

2 實驗測試與結(jié)果分析

2.1 實驗裝置

2.1.1 噪聲測試裝置

實驗測試裝置如圖6所示，抽油煙機水平放置于隔音箱內(nèi)，出風(fēng)口通往隔音箱以外，并連接一段波紋軟管以模仿實際情況[11]。在隔音箱內(nèi)使用四個GRAS40AE自由場麥克風(fēng)對抽油煙機噪聲進行測試，麥克風(fēng)Mic1模擬在抽油煙機的正常使用時人耳所在的位置，位于抽油煙的正上方180 mm的位置，Mic2、Mic3、Mic4分別在距離抽油煙機進風(fēng)口中心位置800 mm的球面上，其中Mic3正對于抽油煙機的中心，Mic2和Mic4左右分別偏離35°。圖7為測試裝置實物。

改造前后的油煙機抽氣流量經(jīng)測試比較接近，大約為17 m3/min。待抽油煙機運行平穩(wěn)后，麥克風(fēng)開始采集信號，數(shù)據(jù)采樣頻率為40.96 kHz，采樣時間為10 s。測試均在最大檔流量情況下進行。

圖6 噪聲測試裝置示意圖Figure 6 Schematic diagram of the noise test device

圖7 噪聲測試裝置實物圖Figure 7 Physical drawing of noise test device

2.1.2 空氣性能測試裝置

根據(jù)GB/T 17713-2011《吸油煙機》中對外排式抽油煙機的空氣性能測量的建議，我們采用了如圖8所示的空氣性能測量管道，測量管道由抽油煙機連接段、十字整流器、擴張段、減壓筒和孔板組成。被測抽油煙機的出風(fēng)口與測試管道連接段相連，取壓軟管一端接于取壓口，另一端接入微差壓計。

實驗中，采用Furness Control公司的FC560微差壓計測量取壓口的靜壓，即環(huán)境大氣壓之間的差壓，用于計算流速和流量。采用不同孔徑的孔板來改變流量和油煙機出口壓力，同時進行流量測量?？装蹇讖椒謩e為40 mm，60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，160 mm，180 mm，200 mm和210 mm。

圖8 空氣性能測試裝置Figure 8 Air performance test device

2.2 測試結(jié)果與分析

分別對抽油煙機原型、結(jié)構(gòu)改造后但無吸聲結(jié)構(gòu)和分別裝有單、雙層微穿孔板兩種吸聲結(jié)構(gòu)的抽油煙機進行噪聲測試。為了更直觀反映噪聲對人耳的影響，引入A計權(quán)聲壓級作為評價標(biāo)準(zhǔn)。圖9為各測點A計權(quán)聲壓級頻譜圖，圖10為各測點聲能密度累積頻譜圖。由于改變離心風(fēng)機安裝方向后，風(fēng)機噪聲直接從進風(fēng)口向外輻射，因此4個測點噪聲均有增大，在Mic2和Mic3方向上，聲能密度累積增大幅度尤為明顯，如圖10的(b)(c)，分別為原型噪聲聲能密度累積的3.12倍，4.37倍。加裝吸聲結(jié)構(gòu)后，噪聲水平下降顯著，相較于改造后未安裝吸聲結(jié)構(gòu)的情況，單層微穿孔板吸聲通道聲能密度累積平均下降60%左右，雙層微穿孔板吸聲通道的累計能量平均降低則達到72%左右，雙層微穿孔板的下降幅度相較于單層微穿孔板更大。從圖9可以看出，兩種吸聲通道在200～400 Hz，1 000～2 000 Hz頻段上吸聲比較顯著(圖9(c)最為明顯)，這是抽油煙機噪聲能量最為集中的兩個頻段。圖10顯示，能量累積曲線斜率在這些頻段上相較未加吸聲時明顯減小，說明該頻段內(nèi)的吸聲效果顯著，這與理論上此頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)較高是一致的。

表1為各個測量點的A計權(quán)噪聲聲壓級及其平均值。由于改變離心風(fēng)機安裝方向后，風(fēng)機噪聲直接從進風(fēng)口向外輻射，改造后結(jié)構(gòu)在無吸聲結(jié)構(gòu)的情況下噪聲相較于原型會有所變大，數(shù)據(jù)顯示平均噪聲增加2.3 dBA。在安裝了單層和雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)后，相較于抽油煙機原型，平均降噪量分別達到1.7 dBA和2.8 dBA，相較于改變風(fēng)機安裝方向但未采用吸聲措施的情況，平均降噪量達到了4 dBA和5.1 dBA，可見這種微穿孔板吸聲通道的降噪效果是比較顯著的。與多孔吸聲材料聲襯[11]相比，微穿孔板吸聲通道在低頻上的吸聲表現(xiàn)會更好一些。

圖9 A計權(quán)聲壓級頻譜圖Figure 9 A weighted sound pressure level spectrum

表1 各測點A計權(quán)總聲壓級對比Table 1 A weighted sound pressure level of each perforation rate dBA

圖10 聲能密度累積頻譜圖Figure 10 Cumulative spectrum of sound energy density

表2為抽油煙機的空氣性能對比，改變離心風(fēng)機方向后，風(fēng)量下降了1.4 m3/min，最大靜壓和風(fēng)壓略有提升。加裝了吸聲通道后，風(fēng)量提升明顯，最大靜壓和風(fēng)壓有所下降。較之抽油煙機原型，安裝吸聲裝置后的抽油煙機空氣性能改變不大，各項性能該變量不超過5%。

表2 空氣性能對比Table 2 Air performance comparison

3 結(jié) 語

本文針對抽油煙機降噪技術(shù)進行研究，采用在抽油煙機進風(fēng)內(nèi)部加裝微穿孔板吸聲通道的方法進行降噪，主要工作和結(jié)果如下。

1)在測量未采取消聲措施的抽油煙機噪聲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于傳遞矩陣法對單層和雙層微穿孔板進行共振吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性分析，對吸聲通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，采用變截面錐形進風(fēng)通道，獲得良好氣動性能的同時實現(xiàn)了變空腔聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)加裝吸聲通道前后的抽油煙機噪聲測試結(jié)果表明，變空腔微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)具有較好的寬頻吸聲特性；單、雙層微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的降噪量相較于原型抽油煙機分別達到1.7 dBA和2.8 dBA，相較于改變風(fēng)機安裝方向但未采用吸聲措施的情況，平均降噪量達到了4 dBA和5.1 dBA，說明這種微穿孔板吸聲通道的降噪效果是比較顯著的，而雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)效果更佳。

3)加裝吸聲通道前后的抽油煙機空氣性能測試結(jié)果表明，改造后的抽油煙機空氣性能改變不大，各項性能改變量不超過5%。