不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究

史慶國 李新 任盤小

摘 要：不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究，主要是研究陣列式消聲器的穿孔板穿孔率、超細離心玻璃棉容重、消聲模塊的排布、模塊的尺寸以及模塊間的縫隙對不同噪聲值噪聲消聲效果的影響。

關(guān)鍵詞：穿孔板穿孔率;超細離心玻璃棉容重;消聲模塊的排布;模塊的尺寸;模塊間的縫隙

中圖分類號：TU551 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0071-03

0 引言

在地鐵項目中，存在多種噪聲源，如空調(diào)機組、隧道風(fēng)機、排熱風(fēng)機、通風(fēng)風(fēng)機和列車噪聲等，它們對地鐵建筑室內(nèi)和室外的聲環(huán)境都產(chǎn)生了不利影響。地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲控制是一項重要的工作內(nèi)容，它不僅關(guān)系到是否滿足環(huán)評的要求，還關(guān)系到人們的身心健康，是建設(shè)和諧社會的一個重要因素。陣列式消聲器相比常規(guī)片式消聲器具有阻力損失較小、消聲器性能優(yōu)越、節(jié)能效果明顯及安裝方便等特點，在節(jié)能、環(huán)保方面具有突出優(yōu)勢，是大截面地鐵風(fēng)道、隧道、冷卻塔降噪等領(lǐng)域消聲的首選設(shè)備。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 消聲器的性能評價

消聲器性能的評價指標(biāo)包括消聲性能、空氣動力性能及氣流再生噪聲特性等3個評價指標(biāo)。

1.1.1 消聲性能

消聲器消聲性能的評價通常用消聲量的大小和消聲頻帶特性來表示，消聲量主要是用倍頻帶和A計權(quán)聲級消聲量來表示。目前，我們常用的消聲器消聲量是插入損失，插入損失即消聲器安裝前、后在某給定點測得的平均聲壓級之差值，如下式所示：

ΔL=-

評價說明：ΔL即消聲量越大越好。

1.1.2 空氣動力性能

空氣動力性能是評價消聲器性能的又一重要指標(biāo)，其評價指標(biāo)通常是壓力損失或壓力系數(shù)。消聲器的壓力損失是氣流通過消聲器前、后的平均全壓的差值ΔP。消聲器的阻力系數(shù)ζ是氣流通過消聲器前后的壓力損失與氣流動壓的比值。

ΔP=-

ζ=，Pv=10

式中ΔP—壓力損失值，Pa;Pv—動壓值，Pa;ρ—空氣密度，kg/m3;v—消聲器內(nèi)平均氣流速度，m/s;g—重力加速度，m/s2。

評價說明：阻力系數(shù)ζ越小越好，表明越節(jié)能。它主要與消聲器的結(jié)構(gòu)及通過它的氣流速度v有關(guān)。

1.1.3 氣流再生噪聲

消聲器氣流再生噪聲就是當(dāng)氣流以一定的速度通過消聲器時，由于氣流在消聲器內(nèi)所產(chǎn)生的湍流噪聲（以中高頻為主）以及氣流激發(fā)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件振動所產(chǎn)生的噪聲（以低頻為主）。氣流再生噪聲的大小取決于消聲器的結(jié)構(gòu)形式和氣流速度。

1.2 影響消聲器性能的因素

1.2.1 計算公式

阻性消聲器的聲衰減量可以通過R.Rogers的經(jīng)驗公式進行計算，因此陣列式消聲器和片式消聲器聲衰減量計算公式如下：

ΔL=Ф（α0）

Ф（α0）=4.34×

式中Ф（α0）—是與材料吸聲系數(shù)α0有關(guān)的消聲系數(shù);α0—正入射吸聲系數(shù);P—消聲器通道截面周長，m;S—消聲器通道截面積，m2;l—消聲器的有效長度，m。

通過上式，我們可以看到：（1）消聲器的聲衰減量與消聲系數(shù)成正比，消聲系數(shù)隨著吸聲材料吸聲系數(shù)的增加而增加。（2）消聲器的聲衰減量與消聲通道的周長P成正比。（3）消聲器的聲衰減量與消聲器的長度l成正比。（4）消聲器的聲衰減量與消聲器通道凈斷面積S成反比。

1.2.2 影響因素

根據(jù)上述公式和對公式的分析，來研究以下問題。

（1）吸聲系數(shù)：1）厚度的影響：對于阻性消聲器的吸聲材料即超細離心玻璃棉，其吸聲系數(shù)隨著厚度的增加，低頻吸聲系數(shù)有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著厚度的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨緩。因此，我們將陣列式消聲器吸聲體的厚度取為380mm，其影響吸聲系數(shù)的計算厚度為380/2=190mm;傳統(tǒng)地鐵片式消聲器消聲片的計算厚度為200/2=100mm;由于陣列式消聲器吸聲材料的計算厚度大于片式消聲器吸聲材料的計算厚度即190>100mm，因此該結(jié)構(gòu)陣列式消聲器的消聲系數(shù)大于傳統(tǒng)片式消聲器的消聲系數(shù)，則在此情況下陣列式消聲器的結(jié)構(gòu)和消聲性能較傳統(tǒng)片式消聲器是有利的。2）容重的影響：對于阻性消聲器的吸聲材料即超細離心玻璃棉，其吸聲系數(shù)隨著容重的增加，低頻吸聲系數(shù)有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著容重的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨緩。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，吸聲材料的最佳容重在32～48kg/m3，容重超過48kg/m3后吸聲系數(shù)變化較小和經(jīng)濟性較差。

（2）消聲通道的周長P：我們通過設(shè)計合理的消聲器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化，從而在消聲器相同斷面尺寸上獲得更大的消聲通道周長，因此來改變消聲器的消聲性能。

（3）消聲器通道凈斷面積S：一般而言，消聲器通道凈斷面積S越小，也表示消聲通道的寬度也越小和消聲性能越好。為了獲得最佳的消聲器的聲衰減量，我們希望消聲通道的寬度較小但通道面積較大，這樣對降低空氣在消聲器內(nèi)的流速和氣流再生噪聲的控制是非常有利的。

（4）消聲器的長度：一般而言，消聲器的聲衰減量隨長度的增加而增加。我們需要做的是提高單位長度的消聲器聲衰減量，以此來獲得消聲器的經(jīng)濟性和良好的效果。

（5）穿孔板結(jié)構(gòu)：在消聲器內(nèi)吸聲材料的表面設(shè)置鍍鋅穿孔板，穿孔板的板厚、孔徑、間距、穿孔率和板后吸聲材料的厚度等都會影響吸聲系數(shù)的大小和吸聲頻帶的寬度。一般而言，當(dāng)穿孔率大于20%時，穿孔板的聲質(zhì)量很小，其聲學(xué)作用也降低了，此時整個吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性主要取決于板后吸聲材料的特性，而穿孔板僅僅成為吸聲材料的護面板。

2 不同噪聲值下陣列式消聲器消聲效果研究

根據(jù)前面的描述，我們知道陣列式消聲器的消聲性能與穿孔板的穿孔率、消聲模塊的排布、模塊的尺寸以及模塊間的縫隙及超細離心玻璃棉的容重等有關(guān)。下面我們對此做進一步研究，探索一種最佳的匹配和應(yīng)用效果。

2.1 孔板穿孔率的影響

在采用相同容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3的230消聲模塊不變的情況下，通過改變孔板穿孔率為15%、25%和35%，分別測試在低頻、中頻、高頻的噪聲下的消聲效果，我們得到如表1和圖1數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：當(dāng)當(dāng)穿孔率大于20%時，穿孔板的聲質(zhì)量很小，其聲學(xué)作用也降低了，此時整個吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性主要取決于板后吸聲材料的特性，而穿孔板僅僅成為吸聲材料的護面板。選用孔板穿孔率為25%為最佳，對消聲性能、強度、平整度、經(jīng)濟性最好。

2.2 消聲模塊排布的影響

采用容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，290×290的模塊進行測試。我們得到如表2和圖2數(shù)據(jù)：

通過實驗數(shù)據(jù)，我們知道，當(dāng)間距在120～200mm之間，阻力損失在100～30Pa之間，達到消聲性能和阻力損失的平衡最佳狀態(tài)。

結(jié)論：在阻力損失有要求的情況下，選用間距150～185為最佳，它對消聲性能、阻力損失、綜合節(jié)能最好。

2.3 消聲模塊的尺寸變化的影響

采用容重（48kg/m3）、孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，對不同消聲模塊230×230、290×290和380×380進行測試，通過測試不同模塊組成的陣列式消聲器，我們得到如表3和圖3數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：當(dāng)消聲模塊增大時，陣列式消聲器的消聲性能在中、低頻率上有較大的增加。這基本符合阻性消聲器的吸聲材料即超細離心玻璃棉吸聲系數(shù)的特性，即其吸聲系數(shù)隨著厚度的增加。容重不變、孔板穿孔率不變（25%）時，消聲模塊越大低頻消聲效果越好，但超過400以上時，由于模塊大，重量重，搬運不太方便，對結(jié)構(gòu)件的強度要求提高較多，經(jīng)濟上略微差一些。選用380×380的模塊消聲效果為最佳，對消聲性能、強度、平整度、經(jīng)濟性最好。

2.4 吸聲玻璃棉容重變化的影響

采用孔徑為Ф3、穿孔率為25%的穿孔板，180×180的模塊在容重24、32和48kg/m3時，分別測試在低頻、中頻、高頻的噪聲下的消聲效果。我們得到如表4和圖4數(shù)據(jù)：

通過上述數(shù)據(jù)，我們看到：隨著超細離心玻璃棉容重的增加，陣列式消聲器在低頻消聲性能有明顯的增加，高頻吸聲系數(shù)略有降低。隨著容重的不斷增加，吸聲系數(shù)的變化趨勢與此相同。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，吸聲材料的最佳容重在32～48kg/m3，容重超過48kg/m3后吸聲系數(shù)變化較小，相對經(jīng)濟性較差。

3 結(jié)語

通過以上研究，根據(jù)現(xiàn)場空間和噪聲指標(biāo)要求，在福州地鐵2號線上選用的陣列式消聲器，采用孔徑為Ф3、穿孔率為25%、容重48kg/m3填充（或針對噪聲源在不同噪聲值的情況下可采取32-48kg/m3填充）、380×380的模塊為主，控制流通比在50%-56%之間，可達到最佳的消聲性能和阻力損失的平衡，確保滿足《環(huán)評報告》和用戶要求，達到設(shè)計指標(biāo)。

參考文獻

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