风机排风口L型消声器的设计及仿真

李 达，阮学云，吴启富(.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 300；.南京开拓环保科技技术有限公司，江苏 南京 0000)

0 引言

在工业企业中，风机作为重要的噪声源之一，一直受到人们的关注。如何有效地降低风机的噪声，是重要研究方向之一。目前，风机比较成熟的噪声控制方案是安装消声器，通常采用的大多是直管消声器，对于一些空间有限，需要改变排风口方向的特殊情况下，就需要一款带弯头的消声器，一般采用L型消声器。目前已有的消声器大多是是靠工程经验设计，而没有系统的理论计算。

本文将以收尘器为研究对象，研究排风口噪声特性，在重点研究了风机噪声的控制方法上，设计一款L型消声器，希望能够为风机降噪提供有效参考。

1 风机噪声特性测试及分析

1.1 测试说明

本文将使用爱华声级计来测量噪声源的频谱，在噪声测量中，测点的布置也尤为重要，直接影响数据的准确性。在测量过程中噪声测点将选取3个测点，一个布置在距离排风出口平面1 m，高1.2 m处。一个布置在排风口轴线45°方向上，距管中心1 m，高1.2 m处。一个布置在排风口中线上，距出口平面1 m，高1.2 m处[1]。对测得的数据进行平均处理，来简单的作为噪声源的频谱，防止数据的单一性存在误差。

1.2 噪声源分析

风机的噪声源可分为三个部分：一是电机本身的噪音：电机噪音与功率成正比。由于循环风机风量较大，需要采用较大功率的电机，从而导致电机噪音较大；二是风机叶轮：叶轮叶片搅动空气从而形成气流，使得空气快速流动产生噪音，这个噪声与电机的转速成正比，转速越快，噪声越大；三是机械振动：叶轮主轴快速转动，由于配合和精度问题会产生振动，从而产生较大的噪音。在三个噪声中，气流噪声最为明显。图1为噪声源频谱图。

根据图1噪声源频谱可知，风机噪声在200～2000 Hz范围内噪声都比较大，属于一种宽频噪声，然而一般阻性消声器针对中高频消声效果较好，消声弯头在500 Hz有较好的消声效果，抗性消声器中低频消声效果比较好。根据我们需要消声的频率段及各种消声器的优点，本文设计一款组合式L型消声器。

图1 噪声源频谱

2 消声器结构设计

在实际工程中，由于风机一般安装在房间里面，而排风口在墙体外边，对外边影响较大。因此本设计只考虑排风口安装消声器达到抑制风机噪声传播的目的。由于风机排风口噪声高、风量大、频带宽，因此本文选用阻性消声器方案。

2.1 声波在阻性管道的衰减

其中：L-消声器的通道断面周长(m)；S-消声器的通道有效横截面积(m2)；l-消声器的有效部分长度(m)。

消声系数φ(α0)与材料的吸声系数α0的换算关系，具体参考文献[2]。

其中：p1-进气口处入射声压；p2-排气口处透射声压；Ain-入口横截面积；Aout-出口横截面积。

2.2 消声器参数确定及结构设计

2.2.1 消声量

根据现场降噪要求，在实际工程噪声控制中，一般要求消声器消声量在25 dB(A)。

2.2.2 其他参数确定

根据阻性消声器的设计步骤，为减少空气在消声器中的流体压力损失，流体通道的周长面积比为13.33；有效长度为1.5 m；内部填充的材料为超细玻璃棉，综合吸声系数达到0.94以上，对应φ(α0)为1。

通过公式(1)估算出，1.5 m的直通阻性消声器的消声量为20 dB(A)。考虑到安装，需对排风口消声器设计一个弯头，根据以往的工程经验，消声弯头可以格外增加5 dB(A)以上的消声效果。考虑到1.5 m的消声器过高，将设计成L型，其中短端设计0.5 m，长端设计长1 m，中间通过消声弯头连接。

2.2.3 结构设计

与其他参数相同，改变形状的原则。设计了3种消声器，如图2所示，方案1为L型插片式消声器，方案2为L型蜂窝式消声器，方案3为L型插片蜂窝式消声器。

图2 消声器三位模型图

消声器壳体用1.5 mm钢板制作；壳体内侧用0.6 mm穿孔板制作(穿孔率30%)；内部填充超细玻璃棉，其孔隙率为0.95，流阻为18500 Pa·s/m2，填空密度48 kg/m3，吸声材料护面结构为0.6 mm厚穿孔板。

3 消声器声学仿真及分析

本文采用Virtual.lab软件进行有限元声学分析，通过软件计算得到进出口声压量，再经过公式计算得到传递损失曲线。以传递损失曲线来作为消声器的评价标准对三种方案进行分析。

3.1 建模与网格划分

消声器中内板为穿孔板，考虑到计算机计算速度，建模中不考虑穿孔板。在设定网格大小时，一般需要保证一个声波波长可以包含6个单元网格，才可以满足计算要求[3]。因此，本文模型网格大小设置为14 mm，计算有效频率为2000 Hz。并运用SolidWorks建立三维模型，再将三维模型导入icem中进行网格处理，最后将画好的网格导出。

3.2 边界条件设置

将网格并导入Virtual.lab软件中的acoustics模块运用Acoustics Harmonic FEM分析。在Acoustics Harmonic FEM中制作声学有限元网格、定义网格类型、设置材料及属性、设置边界条件等，然后进行求解。在Virtual.lab中对消声器的边界条件设置入口边界条件：入口振动速度1 m/s；出口边界条件：出口一般为无反射边界条件，值为416.5 kg/m2·s；边界条件：消声器内板为穿孔板，采用导纳传递来代替穿孔板。

3.3 仿真结果分析

本文以两种传统式L型消声器及一种L型组合式消声器为研究对象，通过Virtual.lab软件中进行声学分析，得到消声器进出口声压，并进行后面的数据处理从而得到三种消声器传递损失曲线并分析。本节分析频率范围为100～2000 Hz，频率间隔为50 Hz。图3为消声器在1000 Hz频率下的声压分布云图。由图3可知三种方案中，组合式消声器的出口声压比前两个方案明显减少。

图3 消声器在1000 Hz频率下的声压分布云图

图4为3种方案传递损失对比结果。由图4可知，方案1 L型插片式消声器低频消声效果较好，但是在1200 ～1400 Hz范围之间效果较差，不太适合用于消声宽频的设计要求；方案2 L型蜂窝式消声器，高频消声效果较好，但是在100 ～200 Hz范围内消声不太理想，也不符合设计要求；方案3 L型组合式消声器，弥补了方案1和方案2的缺点，有良好的宽频消声效果，而且风机出口的频率范围主要在100～2000 Hz内，方案3消声效果明显优于方案1、方案2。

图4 三种方案传递损失曲线

3.4 实验验证

通过Virtual.lab软件对3种方案的消声器进行仿真分析并对比，可以得到方案3比方案1、方案2都好。本节将针对方案3制作实物，并进行现场测试，测量方案的效果。实验验证测点布置与噪声源数据采集测点布置相同。实验验证数据由表1所示。

表1 降噪量倍频程

由表1可知，安装消声器后在1000 Hz降噪量达到24.3 dB(A)，现场测试降噪量为23.9 dB(A)，满足设计要求。

4 总结

本文对风机的噪声特性进行试验研究，并开展了消声器方案设计及验证。通过仿真分析及试验证明，加装出口消声器方案，可有效改善产品噪声水平，并得出以下结论：

L型蜂窝式消声器在100～200 Hz范围内的低频消声效果较差；

L型组合式消声器，拥有插片及蜂窝两种消声器的优点，可以在100～2000 Hz范围的频率内有较好的消声效果；

设计的L型组合式消声器的降噪量达到23.9 dB(A)，能有效地降低风机排风口噪声。