洁净室消声器的设计与测试

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。

5 结论

通过对该洁净房间的空气净化器噪声的消声器设计与测试，从中可发现，在狭窄空间，消声器的可消声长度尺寸缩短的情况下，设计采用双层微穿孔板消声器，不仅在体积上进行缩小，且在性能上消声效果从单层微穿孔消声器在高频区消声跨越到了整个高频和半个中频的带宽。

表3 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

表4 400mm×400mm×800mm双层微穿孔板消声器消声效果倍频带插入损失和A计权插入损失DA