微穿孔板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)

抽油烟机是厨房噪声最主要来源。国家对抽油烟机产品噪声有严格规定，一般要求总体声功率级不大于68 dB[1]。为了进一步降低噪声，提高产品品质，生产企业和相关研究单位不断尝试新的降噪技术并进行低噪声产品开发。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-固耦合噪声是主要噪声来源，其噪声频率较低且频带较宽，对降噪技术提出很高要求[2]。

对抽油烟机进行噪声控制，除了采用低噪声风机和合理进行结构刚度设计以降低声源噪声以外，还可以采用消声的办法，即采用各种主动和被动消声技术进行降噪。关于抽油烟机被动降噪，可采用的方法有：在抽油烟机金属外壳涂抹阻尼材料，以及在抽油烟机进气通道加装吸声材料构成的消声器。这种方法对于降噪是有效的，但由于抽油烟机工作条件比较恶劣，油烟密集、潮湿、且流速较快，传统的含有多孔吸声材料的消声器容易出现吸声结构失效，影响长期效果，且不易清洁。微穿孔板共振吸声结构是由一定穿孔率的微穿孔板以及其背部空腔组合而成，由于其表面孔径较小，具有较大的声阻和较小的声抗，具有较好的宽频特性[3]，而且微穿孔板共振吸声结构本身是带有一定穿孔率的金属薄板，环境适应性好，在抽油烟机的噪声控制中应用具有较好的可行性。

本文针对抽油烟机的噪声特性，利用传递矩阵法[4]对单层和双层微穿孔板共振吸声结构的声学特性进行分析，以此进行参数计算和吸声通道设计，并对改造前后的抽油烟机的降噪效果进行实验测试。

1 降噪设计及计算

1.1 抽油烟机结构改造

常规抽油烟机结构和工作原理如图1(a)所示，抽油烟机内装有鼠笼式离心风机提供抽力，厨房油烟经进风口吸入后，从离心风机的两侧进入风机，从抽油烟机出风口排出。此结构的内部空间有限，不利于加装通道消声器，因此，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°放置，气流从离心风机的单侧进入(图1(b))。同时，为了增大消声通道长度，把抽油烟机壳体拉长150 mm，即由原来的520 mm加长到670 mm，消声通道延长至420 mm。在进风通道内部加装微穿孔板共振吸声结构，构成通道消声器。

图1 抽油烟机结构改造示意图Figure 1 Schematic diagram of sound absorbing reform of the range hood

1.2 微穿孔板共振吸声结构设计

为了有针对性地设计降噪方案，对结构改造后(未加装消声器)的抽油烟机噪声进行了测试。将抽油烟机水平放置在隔音箱内，出风口通往隔音箱以外。在隔音箱内使用GRAS40AE自由场麦克风在正对抽油烟机进风口中央800 mm处，进行抽油烟机噪声测量。待抽油烟机运行平稳后，麦克风开始采集信号，采样频率为40.96 kHz，采样时间为10 s。

抽油烟机测试所得的声功率频谱图和能量累积图如图2，其噪声的频谱范围主要集中在100～2 000 Hz内，噪声主要以中低频噪声为主，其中在200～400 Hz和1 000～1 100 Hz频段上声功率分布尤为集中，约占总噪声能量的70%左右。

图2 抽油烟机噪声频谱图Figure 2 noise spectrum of the range hood

1.2.1 吸声结构设计

进气通道采用锥形结构，以微穿孔板为内壁的进气通道直径从离心风机入口的212 mm逐渐到油烟机进风口的272 mm。这种渐变截面通道一方面起到导流的作用[5]，另一方面也构造出变空腔微穿孔共振吸声结构，即声衬[6]，实现宽频吸声设计，满足抽油烟机宽频噪声控制要求。圆形截面吸声结构存在高频失效频率，根据失效临界频率计算公式[7]：

(1)

式(1)中，DE为圆形截面吸声通道的直径，c0为声速。

吸声通道直径从212 mm到272 mm逐渐变化，其失效临界频率范围为1 575～1 956 Hz，未处于抽油烟机主要噪声频段，说明该吸声通道对于抽油烟机噪声频段是合适的。

1.2.2 微穿孔板共振吸声结构

微穿孔板共振吸声结构在共振频率附近有较高的吸声系数，变空腔和双层微穿孔板共振吸声结构能有效拓宽吸声频带[8]。对于单层和双层微穿孔板吸声结构的吸声特性可采用传递损失法进行分析[9]。

微穿孔板的传递矩阵为

(2)

式(2)中，ρ0为空气密度，ξ为归一化声阻抗，ξ=[7.337×10-3+jδx×2.224 5×10-5(1+51t)(1+204d)f]/σ，δx为修正系数，根据参考文献[9]，δx=1.3比较合适；t为微穿孔板板厚；d为孔径；f为频率；σ为穿孔率。

空气腔的传递矩阵为

(3)

图3 单层微穿孔板共振吸声结构Figure 3 Resonance sound absorption structure of single-layer microperforated plate

单层微穿孔板共振吸声结构计算可参考图3，Ae-jkx和Bejkx分别为入射声波和反射声波。声波入射至此结构时，先经过微穿孔板进入其背部空腔，最后到达刚性壁面。因此，单层微穿孔板共振吸声结构的传递矩阵可表示为

(4)

式(4)中p、v为声压和质点振速。

其传递函数可表示为

(5)

由于声波终止于刚性壁面，因此v2=0，

(6)

根据定义，反射系数

(7)

吸声系数

(8)

图4 双层微穿孔板共振吸声结构Figure 4 Resonance sound absorption structure of double-layer microperforated plate

同理，双层微穿孔板的传递矩阵为(参考图4)：

(9)

(10)

最终计算可得双层微穿孔板吸声系数为

(11)

在微穿孔板参数设计时，应保证在主要噪声频段内有较高的吸声系数，以达到较好的吸声效果。在参数选择时，可采用吸声量A作为吸声效果的评判标准，其定义为[10]

(12)

0.4 mm≤t≤1.5 mm，1%≤p≤20%，0.1 mm≤d≤1 mm。

使用Matlab通过参数扫描的方法，计算得到最优解为：t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm。

双层微穿孔板吸声结构的约束条件为：

0.4 mm≤t1，t2≤1.5 mm，1%≤p1，p2≤20%，0.2 mm≤d1，d2≤1 mm，D1+D2=79 mm。

计算得到最优解为：t1=1 mm，t2=1.1 mm，p1=2%，p2=1%，d1=d2=0.3 mm，D1=29 mm，D2=50 mm。

根据计算，单、双层穿孔板参数均采用t=1 mm，p=5%，d=0.2 mm时，其吸声量较之最优解相差不超过1%。因此，单、双层微穿孔板共振吸声结构将均采用此参数进行设计。

根据传递矩阵法分别计算单、双层微穿孔板共振吸声结构的吸声系数，结果如图5。可以看出，相较于单层微穿孔板共振吸声结构，双层微穿孔板共振吸声结构的吸声频带宽度更宽，并且在低频处吸声表现优于单层。

图5 微穿孔板共振吸声结构吸声系数Figure 5 Absorption coefficient of resonant absorption structure of microperforated plate

2 实验测试与结果分析

2.1 实验装置

2.1.1 噪声测试装置

实验测试装置如图6所示，抽油烟机水平放置于隔音箱内，出风口通往隔音箱以外，并连接一段波纹软管以模仿实际情况[11]。在隔音箱内使用四个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°。图7为测试装置实物。

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，采样时间为10 s。测试均在最大档流量情况下进行。

图6 噪声测试装置示意图Figure 6 Schematic diagram of the noise test device

图7 噪声测试装置实物图Figure 7 Physical drawing of noise test device

2.1.2 空气性能测试装置

根据GB/T 17713-2011《吸油烟机》中对外排式抽油烟机的空气性能测量的建议，我们采用了如图8所示的空气性能测量管道，测量管道由抽油烟机连接段、十字整流器、扩张段、减压筒和孔板组成。被测抽油烟机的出风口与测试管道连接段相连，取压软管一端接于取压口，另一端接入微差压计。

实验中，采用Furness Control公司的FC560微差压计测量取压口的静压，即环境大气压之间的差压，用于计算流速和流量。采用不同孔径的孔板来改变流量和油烟机出口压力，同时进行流量测量。孔板孔径分别为40 mm，60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，160 mm，180 mm，200 mm和210 mm。

图8 空气性能测试装置Figure 8 Air performance test device

2.2 测试结果与分析

分别对抽油烟机原型、结构改造后但无吸声结构和分别装有单、双层微穿孔板两种吸声结构的抽油烟机进行噪声测试。为了更直观反映噪声对人耳的影响，引入A计权声压级作为评价标准。图9为各测点A计权声压级频谱图，图10为各测点声能密度累积频谱图。由于改变离心风机安装方向后，风机噪声直接从进风口向外辐射，因此4个测点噪声均有增大，在Mic2和Mic3方向上，声能密度累积增大幅度尤为明显，如图10的(b)(c)，分别为原型噪声声能密度累积的3.12倍，4.37倍。加装吸声结构后，噪声水平下降显著，相较于改造后未安装吸声结构的情况，单层微穿孔板吸声通道声能密度累积平均下降60%左右，双层微穿孔板吸声通道的累计能量平均降低则达到72%左右，双层微穿孔板的下降幅度相较于单层微穿孔板更大。从图9可以看出，两种吸声通道在200～400 Hz，1 000～2 000 Hz频段上吸声比较显著(图9(c)最为明显)，这是抽油烟机噪声能量最为集中的两个频段。图10显示，能量累积曲线斜率在这些频段上相较未加吸声时明显减小，说明该频段内的吸声效果显著，这与理论上此频段内的吸声系数较高是一致的。

表1为各个测量点的A计权噪声声压级及其平均值。由于改变离心风机安装方向后，风机噪声直接从进风口向外辐射，改造后结构在无吸声结构的情况下噪声相较于原型会有所变大，数据显示平均噪声增加2.3 dBA。在安装了单层和双层微穿孔板共振吸声结构后，相较于抽油烟机原型，平均降噪量分别达到1.7 dBA和2.8 dBA，相较于改变风机安装方向但未采用吸声措施的情况，平均降噪量达到了4 dBA和5.1 dBA，可见这种微穿孔板吸声通道的降噪效果是比较显著的。与多孔吸声材料声衬[11]相比，微穿孔板吸声通道在低频上的吸声表现会更好一些。

图9 A计权声压级频谱图Figure 9 A weighted sound pressure level spectrum

表1 各测点A计权总声压级对比Table 1 A weighted sound pressure level of each perforation rate dBA

图10 声能密度累积频谱图Figure 10 Cumulative spectrum of sound energy density

表2为抽油烟机的空气性能对比，改变离心风机方向后，风量下降了1.4 m3/min，最大静压和风压略有提升。加装了吸声通道后，风量提升明显，最大静压和风压有所下降。较之抽油烟机原型，安装吸声装置后的抽油烟机空气性能改变不大，各项性能该变量不超过5%。

表2 空气性能对比Table 2 Air performance comparison

3 结 语

本文针对抽油烟机降噪技术进行研究，采用在抽油烟机进风内部加装微穿孔板吸声通道的方法进行降噪，主要工作和结果如下。

1)在测量未采取消声措施的抽油烟机噪声数据基础上，基于传递矩阵法对单层和双层微穿孔板进行共振吸声结构的声学特性分析，对吸声通道结构参数进行计算，采用变截面锥形进风通道，获得良好气动性能的同时实现了变空腔声学共振结构设计。

2)加装吸声通道前后的抽油烟机噪声测试结果表明，变空腔微穿孔板共振吸声结构具有较好的宽频吸声特性；单、双层微穿孔板共振吸声结构的降噪量相较于原型抽油烟机分别达到1.7 dBA和2.8 dBA，相较于改变风机安装方向但未采用吸声措施的情况，平均降噪量达到了4 dBA和5.1 dBA，说明这种微穿孔板吸声通道的降噪效果是比较显著的，而双层微穿孔板结构效果更佳。

3)加装吸声通道前后的抽油烟机空气性能测试结果表明，改造后的抽油烟机空气性能改变不大，各项性能改变量不超过5%。