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迷宫式消音器设计准则

2022-06-13
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对于这种传统的消声器来说,一个重要的问题是它的传输损失太低。如果需要增加这种消声器的隔音特性,需要增加其长度。对于普通机器来说,这往往很难实现,因为进气和出气通道的长度往往非常有限。这直接导致风扇的噪声在许多情况下往往占到机器整体噪声的50%以上。迷宫消声器(Labyrinthbafffles)可以用来提高消声器的效果。迷宫消声器的特点是它可以提供相对较高的吸声性能,但同时,它也会给风扇带来更高的压降。因此,在设计这种消声器时,通常建议同时进行CFD模拟(计算流体力学),以确保吸声器和风扇性能都能达到标准。然而,这已经超出了这篇文章的范围,有兴趣的读者可以阅读以下论文1。

对迷宫型消声器(如上图所示)而言,在低频会出现一系列气体气体积突变(如上图所示红影)。这些体积突变会导致声阻抗不匹配(impedancematch),从而导致噪声的反射(reflective)。当这些噪声的反射波与入射波相互干涉时,可能会在特定频率下形成破坏性干扰(impedancewave),声能会集中在进气箱中,因此,较少的声能会传递到进气格栅。在较高频率时,声障板模块能反射相当大一部分声波,并在不同模块之间形成混响。可以使用额外的吸音泡棉来降低混响噪声的声压,从而降低传递到进气格栅的声能。

首先我们来对比一下这种迷宫消音器的隔音特性曲线和传统的分路衰减器,我们采用完全相同的声障板模块进行对比。

效应器应该是图例中的消音器

我们可以看到,迷宫消音器的传输损耗(或传输损耗)分路衰减器的平均比值在10-15dB之间。同样有意思的是,传输损耗峰值在980hz左右。下图我们显示的是进气箱内的980hz的压力分布,从图中可以看到,声屏障板模块正好位于驻波模态的反节点处。所以,吸音泡棉会吸收更多的声能。

接下来,我们对迷宫消声器的几何参数对隔音效果的影响进行研究。这里,我们研究的几何参数包括声屏障板模块间的间隙和模块的数量。下图显示了使用不同迷宫消声器的不同型。

,我们将对两个声障板模块间的间隙对隔音性能的影响进行评估。

可以看到,在中高频时,所有三种配置(约18dB)的传输损失几乎相同。在这些频率中,这三种结构的区别是出现在衰减峰值中的频率。对于这三种结构,进气室通道中的压力分布如图所示,

我们可以看到,当声屏障板模块处在高阶驻波模态的压力场的反节点时,就会出现的衰减,在这样的情况下,声和能耗散达到了值。这就导致了,对于这三种不同的构式,声屏障消散的峰出现在不同的频率,可惜的是,因为立体效应,所以不容易预测驻波模态,所以预测这种迷宫消音器性能简单有效的方法就是有限元法。

使用两个声障板模块时,仍然可以辐射噪声辐射的直接传播路径。为了阻断声波的直接传播路径,需要增加第三个声障板模块。这个隔板需要足够高,才能阻断进气格栅底部和第二个挡板顶部的延长线(见下图)。

另一种选择是统一的叶片设计(如设计(e)所示),使用模块化。下图显示了传输损失的比较三种构型。

在这个迷宫消声器中使用三声屏障板模组时,消声器的传输损耗会增大。当额外声屏障板不够高时,由于部分驻波仍可传至左侧叶片,因此中高频的性能变化不大。但在低频时,平面波的传播(屏障板)会受阻。因此,噪声的辐射较低。在高频时,墙面的噪声主要以混响噪声为主。当额外声屏障板足够高时,额外的吸音泡棉能更好地将噪声转换为热能,因此我们可以看到更高的传输损耗。

在工业领域,人们总是要求使用更简单的噪声吸收策略,这是由于节省成本和安全。因此,我们还研究了使用单个声屏障板模块的可能性。下图显示了设计A、F和G的传输损耗比较。

如果进气格栅没有完全被声屏障板模组所阻挡,模组将失去其有效性。所有直接传输噪声的路径都会随着进气格栅尺寸的减少而受阻。单个声屏障板模组的传输损失可与两个模组的配置相似。此外,由于进气格栅关闭40%时传输损失没有显著改善,因此大多数能量吸收是由吸声泡棉引起的,与进气格栅的大小无关。

综上所述,迷宫消音器相对于分路式衰减器来说,可以提供比较高的声衰减。在低频时,降噪是由于噪声的直接传播路径受阻造成的。在中高频下,当声障板模组处于高阶驻波模态的反节点时,就会达到的衰减。尽管迷宫消音器能提供非常有效的噪声衰减程度。但是,它所造成的风机的压降是相当高的。要提供足够的冷却气流,风机的转速也需要相应的增加。因此,对于风机的噪声衰减,可能是极其有限的。为了克服这个问题,在下篇文章中,我们给出几种形状复杂、几何的吸音器。对于这些消音器,一个重要的目的就是要更好地引导气流,从而减少风机系统的压降。


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