声衬在抽油烟机噪声控制中的应用

贾兴仕,李 勇,张洪军

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018；2.香港大学 浙江科学技术研究院,浙江 杭州 311300；3.温州大学 机电工程学院,浙江 温州 325000)

随着人民生活水平的日益提高，抽油烟机逐渐成为必不可少的家用电器之一。目前我国的抽油烟机总体声功率级一般不大于68 dB[1]，但由于厨房空间较小，经过墙壁反射，抽油烟机产生的噪声依旧是厨房噪声最主要来源。抽油烟机的噪声主要来自风扇本身的气动噪声和结构机械噪声，其中气动噪声及其引起的气-固耦合噪声为其主要噪声来源[2]。目前对抽油烟机的降噪研究主要有两个方向：1)通过优化风机结构和改善风扇设计实现主动降噪。基于这种思路，冯琪[3]等人通过优化风机口的进出口角度改善流动，从而实现降噪。陈朝晖[4]等人通过改变蜗舌间距来降低抽油烟机噪声。肖彪[5]等人分析了离心风机出风不均的原因，并对蜗壳进行优化设计来降低噪声。由于要以保证油烟机风量和风压为前提，以及工艺条件等限制，目前进一步改善降噪效果已很不易。2)通过隔声、吸声的方式进行被动降噪。周睿[6]等人通过在入风口设置双层结构油网来进行隔声。张立强[7]等人通过在抽油烟机内部流场构建微穿孔导流罩来进行吸声处理。采用吸声、隔声的办法降噪在目前抽油烟机设计方面应用不多，还有一定的潜力。

文中通过在抽油烟机进风通道加装穿孔板和多孔吸声材料相结合的声衬，用以吸收风扇运行等产生的噪声。研究中设计了吸声通道内衬结构，并对改造前后抽油烟机的噪声进行测试分析。

1 抽油烟机吸声降噪方案

1.1 吸声流道结构

常规抽油烟机结构和工作原理如图1(a)，抽油烟机内装一鼠笼式离心风机提供抽力，将厨房油烟通过进风收集器从进风口吸入后，从离心风机的两侧进入风机，从出风口排出。为了增加通道长度，在不影响离心风机的正常工作的情况下，将离心风机旋转90°，让气流从离心风机的单侧进气(图1(b))，并在进风通道内部加装由穿孔板和吸声材料构成的声衬结构。

通常来说，抽油烟机的噪声频谱主要分布在中低频段，并且为宽频噪声。多孔吸声材料在中频有较好的宽频吸声特点，穿孔板与壁面形成的空腔结构在低频有较好的吸声效果。实验测试对象为某品牌抽油烟机，其进风筒矩形横截面尺寸为366 mm×352 mm。考虑到离心风机入口为直径为212 mm的圆形入口，设计了锥形内衬进风通道(图1(b))。穿孔板与进风筒之间的共振吸声空腔厚度沿轴向逐渐变化，这在一定程度上能实现较宽的吸声频带，同时这种导流设计在保持风量的同时会减小风机入口处的湍流噪声[8]。

图1 抽油烟机吸声改造示意图

为了研究通道长度的影响，设计了两种长度尺寸，一种与抽油烟机原型的长度一致，即锥形声衬的长度为270 mm，直径从212 mm变化到272 mm；另一种在现有长度的基础上，将锥形声衬延长150 mm至420 mm，直径仍从212 mm变化至272 mm。

1.2 复合吸声结构

本研究采用的进气通道内声衬是穿孔板与多孔吸声材料组成的复合吸声结构，下面对这种复合吸声结构吸声原理进行简单分析。

1.2.1 穿孔板共振腔

当不考虑穿孔板与通道壳体之间的吸声材料，穿孔板与通道壳体之间组成一个声学共振腔。穿孔板共振腔是一种常见的吸声结构(图2(a))，由一定穿孔率的穿孔板及其背部空腔构成，等效于多个亥姆霍兹共振器[9]并联。当声波进入小孔后引起穿孔板背部空腔内的空气振动，空气柱在穿孔板孔颈处往复运动，通过与孔壁及气流内部摩擦将声能转化为热能，实现降噪。当声波频率和穿孔板共振吸声结构的共振频率一致时，空气柱在孔颈处的运动幅值和速度达到最大，声能转化为热能也最大，吸声系数达到最大(图2(b))，当频率偏离共振频率时，其吸声系数急剧下降。单个亥姆霍兹共振器的降噪频带较窄，但通过并联不同结构的亥姆霍兹共振器就可拓宽共振器的降噪带宽。

图2 穿孔板共振吸声原理

根据马大猷先生的理论[10]，当声波入射至穿孔板共振吸声结构时，其吸声系数为

(1)

其中D为穿孔板背部空腔厚度，θ为声波入射角与法线的夹角，ω为角频率,c为空气中的声速，r为相对声阻，m为相对声质量。

相对声阻r

(2)

t为穿孔板厚度，p为穿孔率，d为小孔直径，kr为声阻系数，其中，声阻系数

(3)

式(3)中，k为穿孔板常数，

(4)

式(4)中，f0为穿孔板的共振频率。

相对声质量m

(5)

式(5)中，km为声质量系数，

(6)

为了便于分析，假设声波垂直入射，则cosθ=1，吸声系数为

(7)

根据穿孔板吸声理论[11]，当声波频率为穿孔板共振吸声结构的共振频率f0时，其吸声系数最大，并满足

(8)

其中ω0为共振角频率，f0=2πω0,解方程可得

(9)

由此可得，穿孔板共振吸声结构的吸声特性与板厚t，穿孔率p，孔径d，背部空腔厚度D等因素有关。对此，田汉平[12]推导出共振频率的估算公式为

(10)

上述公式表明穿孔板吸声特性与穿孔率、孔径、板厚等都有关系，实际上当穿孔率较大时(如25%)声波几乎无阻碍地穿过穿孔板，穿孔板只起到护面作用。穿孔板吸声相对于多孔吸声材料往往用于较低频率吸声。

1.2.2 多孔吸声材料

多孔吸声材料[13]的种类繁多，但其吸声原理相同。当声波入射至多孔吸声材料时，声波进入材料内部的微小间隙引起内部空气和材料的振动，在内摩擦力与粘滞力的作用下，声能逐渐转化为热能消散掉，从而实现吸声。多孔吸声材料往往对于中高频吸声效果更佳。本研究中选用聚酯纤维吸声棉作为实验吸声材料，其具有耐腐蚀、防水、吸声效率高、不危害人体健康等特点。在选择吸声材料时，容重是影响吸声性能的重要参数，容重较小时，吸声材料孔径过大，导致声波与材料之间的相互作用不大，吸声性能不佳；容重过大时，由于材料密度过大，声波难以进入吸声材料内部，声波在吸声材料表面较多地被反射，亦会抑制吸声材料的吸声性能。张斌[14]等人对不同容重的聚酯纤维吸声棉的吸声性能进行试验研究，结果显示，容重在20～40 kg/m3之间的聚酯纤维吸声棉均有较好的吸声性能。考虑到不引入太多负重，本研究选取容重为20 kg/m3的聚酯纤维吸声棉。

1.2.3 复合吸声结构

穿孔板共振吸声结构在低频有较好的吸声效果，但是吸声频带较窄，而多孔吸声材料虽然吸声频带较宽，但主要集中在中高频。因此，采用穿孔板和多孔吸声材料组成的复合吸声结构，理论上会得到较佳的宽频吸声特性。对此，文献[15]进行了研究，其研究结果表明(图3)，较低声阻抗的穿孔板护面对多孔吸声材料的吸声性声能影响较小，并且会使吸声系数峰值所在的频率向低频移动，复合吸声结构具有更好的吸声特性。

图3 穿孔板对复合吸声结构吸声系数的影响[15]

在进行改造设计之前，对原抽油烟机噪声特性进行了测试。抽油烟机的A计权声压级频谱图如图4，可见噪声频带分布较宽，从80～5 000 Hz均有较高的噪声分布。因此，在设计复合吸声结构时，应保证足够的宽频吸声性能。考虑到实际应用条件和保证吸声材料的吸声性能，选取穿孔板的基本参数为板厚t=0.8 mm，孔径d=2.5 mm，穿孔率p=23.5%。在此基础上，在其他参数保持不变的情况下，通过降低穿孔板的穿孔率来提高低频吸声能力，选取的穿孔率为p=3%、6%和12%。

图4 抽油烟机原噪声A计权声压级频谱图

2 实验测试与结果分析

2.1 实验装置

实验测试装置如图5。抽油烟机水平放置于消声室内，出风口通往消声室以外，并连接一段波纹软管以模仿实际情况。在消声室内使用四个GRAS40AE自由场麦克风对抽油烟机噪声进行测试，麦克风Mic1模拟在抽油烟机的正常使用时，人耳所在的位置，位于抽油烟的正上方180 mm的位置，Mic2、Mic3、Mic4分别在距离抽油烟机进风口中心位置800 mm的球面上，其中Mic3正对于抽油烟机的中心，Mic2和Mic4左右分别偏离35°。

改造前后的油烟机抽气流量经测试比较接近，大约为17 m3/min。待抽油烟机运行平稳后，麦克风开始采集信号，数据采样频率为40.96 kHz，共采集409 600个点，即采样时间为10 s。

图5 实验测试装置

2.2 吸声通道长度影响

针对抽油烟机原型和长短两种吸声通道的改造模型进行了噪声测试对比，测试都是在最大档流量情况下进行的，穿孔板穿孔率均为23.5%。图6为Mic1测得的三种情况下噪声结果，图6(a)为A计权声压级频谱曲线，图6(b)为累积能量频谱曲线(将各频率的声功率累积作为能量累积)。图中可见，噪声能量主要分布在100～5000 Hz，绿色曲线对应较短吸声通道，在400 Hz以上吸声效果显著，累积能量下降50%左右，100～400 Hz频段内吸声效果不显著；蓝色曲线对应长吸声通道，在整个频段上噪声都有较为明显下降，累积能量降为原型的30%，更长的吸声通道显然有更好的吸声效果。

图6 Mic1改造前后噪声频谱对比

表1 各测点A计权总声压级对比

其它三个测点数据可做类似分析，噪声频谱与图6类似，不在文中给出。表1列出了4个麦克风测得的各油烟机模型A计权总声压级，其中频率取值范围为20～10 000 Hz。表中数据可见，Mic3所在位置噪声降低不明显，其他3个位置噪声均有比较明显降低，长短吸声通道的降噪量分别为3.6 dBA和3.8 dBA。表1数据也表明，抽油烟机噪声指向性比较明显，不同方向噪声下降情况差别较大，但在Mic1、Mic2和Mic4三个位置方向降噪效果明显，对于实际使用是比较有利的。就Mic1所在对厨房烹饪人员影响较大的位置，此处短长两个吸声通道模型降噪量分别达到2.8 dBA和4.7 dBA。

2.3 穿孔率影响

针对穿孔率23.5%，12%、6%和3%四种情况进行了测试，测试实验中吸声通道为420 mm，即长吸声通道。图7和图8分别为四种穿孔率情况下的A计权声压级频谱图和噪声能量累积曲线。图7显示，穿孔率23.5%对应的曲线在较高频率段数值明显低于其他曲线，低频处略高于其他曲线。结合图8的噪声能量累积曲线可以更加清楚地观察降噪规律，显然，穿孔率23.5%曲线在300～1 000 Hz区域明显高于其他3条曲线，这是由于23.5%穿孔率穿孔板在低频段吸声能力弱，对于200～300 Hz左右频段的吸声效果不佳；而在1000～8000 Hz的较高频段，23.5%穿孔率穿孔板吸声效果优于其他穿孔板。

对于上述观察可做如下解释：穿孔板共振吸声结构对于低频噪声有较好的吸声效果，多孔吸声材料吸声频带处于中高频。对于23.5%穿孔率的穿孔板，因为穿孔率太大，声学共振腔效果非常弱，因此低频吸声效果很差，但中高频吸声效果好；对于其他3种较低穿孔率情况，穿孔板低频吸声效果得以体现，但由于低穿孔率阻碍了部分声波进入后面的多孔吸声材料，使得中高频吸声效果变差，整体吸声性能反而有所下降。

各个测量点的总噪声声压级列于表3，可以看到，相对于原油烟机的60.3 dBA噪声平均声压级，4种穿孔率的吸声通道吸声水平分别达到3.8 dBA，3.5 dBA，3 dBA，2.5 dBA。

图7 不同穿孔率下噪声A计权声压级频谱图

图8 不同穿孔率下能量累积图

表2 不同穿孔率A计权总声压级

3 结 论

本文针对抽油烟机降噪技术进行了研究，采用在油烟机进风通道进行消声的方法进行降噪，文中介绍了改造设计方法和实验测试情况。主要工作和结果如下。

1)穿孔板和多孔吸声材料相结合的吸声声衬可显著降低抽油烟机噪声，降噪量可达3.8 dBA。

2)通过延长吸声声衬的长度可在一定程度提高降噪能力，特别是对于Mic1位置，即烹饪人员所在位置降噪量更为明显。

3)穿孔率降低可改善低频降噪效果，但会抑制吸声材料的中高频吸声，导致总体降噪量随着穿孔率的降低而略有减小。