洁净室消声器的设计与测试

时间：2024-07-28

葛亚辉，胡立峰，张恒

（上海申华声学装备有限公司，上海 201709）

1 问题的提出

一台置于洁净房间的空气净化器，要求设备噪声小于60dB（A），而设备风机噪声约74dB（A），噪声要降低14dB（A）以上。由于设备空间的限制，消声器不能太长，因此将消声器分为两段，各成两个独立的消声器。由于洁净房间不能引入任何粉尘、纤维，因此所有含纤维的阻性吸声材料都不能使用。此外，抗性共振式消声结构的消声频率带宽较窄，难以应对风机这类宽频噪声源。

常用的设计公式成熟的方案被排除后，微穿孔板成了备选的第一方案。目前由于微穿孔板的规格及性能指标（例如吸声系数、半吸收带宽）之间的关系尚缺乏定量的参数，因此该洁净室消声器的设计对其他降噪工程有一定的参考价值。

2 初次设计方案

该风机的风量为600m3/h，相当于0.17m3/s。为降低次声噪声，选用较低的进出口风速，即均小于3m/s。基于现场的条件，消声器采用400mm×400mm的方形结构，长度为800mm，内部结构见图1。

图1显示了400mm×400mm结构在轴向被分割成4个100mm×400mm的独立单元，四周是1mm厚的镀锌钢板，内壁均涂敷2mm的阻尼层，从壁向内25mm处是0.5mm微穿孔板（实际深度仅23mm），内壁平整。壁和穿孔板之间每0.4m有支撑。

图1 分割后消声器示意图

通风面积是4个350mm×50mm的通道，使用风速2.38m/s。该消声器的腔深23mm、板厚0.5mm、孔径0.3～0.5mm、穿孔率2%。

转换接头与测试设备连接，连接处应光滑密封，既不能漏风，又要尽量减小次声噪声。

测试设备包括两通道数据分析模块29400001，声校准器27800001，传声器前置放大器28900001，工作标准传声器28900003，数据采集仪25900001，数字式压力计25900002和卷尺。测试在声学实验室进行，采用《声学消声器测量方法》（GB/T 4760—1995）进行测试。测试结果见表1，消声量频谱曲线见图2。

由表1可知，该消声器总的消声量约4dB（A），随风速从0m/s升至12m/s，消声效果略有上升。由图1可见，中低频区的消声量小于5dB（A），高频段插入损失的峰值约在2000Hz可达20dB（A），但4000Hz之后的消声量降低至5dB（A）以下。此消声器的消声带宽在高频段的较窄部分，并不能满足洁净房间对设备的消声要求。

图2 400mm×400mm×800mm消声器消声量频谱曲线

3 改进

3.1 第一次改进

因消声效果未达到预期要求，在总的结构尺寸不变的情况下，对通道结构进行调整，增加了微穿孔板后面的空腔深度到34mm，使其将4通道调整为3通道，总截面由4个100mm×400mm的通道改成3个133mm×400mm的通道，如图3所示，材料和加工工艺同前。

通过计算，该2台消声器可通过的风速提高到了2.78m/s。图3（a）消声量测结果见表2；图3（b）消声量测结果见表3；消声量频谱曲线见图4、图5。

由表2可知，该消声器总的消声量约11dB（A）。从图4中可看出，中低频的消声量在5～10dB（A），高频段消声量都大于10dB（A），同时插入损失的峰值在1600Hz左右可达21dB（A），此消声器在高频段的消声量有较高的消声效果。

图3 第一次改进后的消声器示意图

图4 400mm×400mm×679mm消声器消声量频谱曲线

表1 400mm×400mm×800mm消声器消声效果倍频带插入损失和A计权插入损失DA

表2 400mm×400mm×718mm消声器消声效果倍频带插入损失和A计权插入损失DA

图5 400mm×400mm×718mm消声器消声量频谱曲线

通过表3和图5可看出，该消声器总的消声量约为13dB（A），消声量在中低频消声5～10dB（A），高频段消声峰值与400mm×400mm×679mm消声器同样在1600Hz，高频段的消声整体在10dB（A）以上。

通过第一次的改进可看出，消声器的消声效果提高到11dB（A）以上，由于400mm×400mm×718mm消声器比400mm×400mm×679mm消声器的长度稍长，导致前者A计权插入损失DA比后者高出2dB（A）左右。此消声器虽然在整个高频带宽内有较高的消声量，但依旧不能满足洁净房间对设备的消声要求14dB（A）。

3.2 第二次改进

首次的改进结果在高频段有较大改进，但中低频段的消声量依然较低。结构尺寸不变，再次对通道结构进行了调整，双层微穿孔板采用双层结构，第一层板厚0.5mm，孔径0.5mm，穿孔率2%；距第一层24mm处设置第二层板厚0.8mm，孔径0.8mm，穿孔率1%，其后设置36mm空腔，前后空腔深度比为2︰3。使其将4通道调整为2通道，总截面由3个133mm×400mm的通道改成2个通道，如图6所示，材料和加工工艺同前。

图6 第二次改进后的消声器示意图

由于通过此消声器的通道面积变小，最高风速升至4.41m/s。测试结果见表4，消声量频谱曲线见图7。由表4可见，该消声器总的消声量约为19dB（A）。由图7可见，低频区的消声量在5～10dB（A），在整个高频带宽内消声量在15dB（A）以上，在中频段500Hz以上，消声量在15dB（A）以上。

图7 第二次改进后的消声器消声量频谱曲线

4 性能比较

如图8所示，三次设计的消声器的吸收峰随微穿孔板的背后空腔深度的增加，依次向低频移动，由2000Hz降至1000Hz附近。消声量由最初的5dB（A）以下上升到19dB（A）以上，吸收压力提高了4倍。

图8 各消声器平均消声量频谱曲线

从图8消声量与频率的关系曲线可看出，初次设计的消声器的半吸收宽带1600～2500Hz，约900Hz；首次改进对应的消声器的吸收带宽都是从1000Hz到5000Hz以上，约4000Hz以上；对应的消声器的吸收带宽400～5000Hz，跨越了整个高频和半个中频的带宽。该半吸收宽带反映了消声器在使用中的适应性，广谱的消声器有更大的使用空间。

该三批次的消声器结构上的不同仅在于腔深的不同，前者是23mm，后者是34mm，由于外观完全一致，因而通风风道的总截面积由0.070m2降到0.060m2，风道阻力略有增加，仅提高了腔深11mm，使得消声器的能力和品质有大的提升，也指出了性能进一步提高的方向。