杨芳乙，李旭巍，李力克，石国兵，王鹏

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

消声器是一种既能允许流动介质通过，又能有效抑制噪声传播的器件。在各种通风系统工程中，最常见的消声器结构形式是片式消声器和矩阵消声器[1]。

目前，针对这两款常用的消声器，主要采用在消声器动态评价实验平台上对其消声性能进行实验室测试，但大量的实测不仅试验周期较长，而且对于超过实验室安装条件的消声器还存在无法测试的情况。 利用计算机仿真模拟技术对消声器消声性能进行仿真模拟， 不仅可快速评价消声器设计方案的消声效果，而且可以避免重复繁琐的实验测试和验证，缩短了试验周期，降低了开发成本，对消声器的设计、优化及工程应用具有重要参考意义。

本文以目前常用的两款声学仿真模拟软件——LMS Virtual Lab Acoustic 和COMSOL 为基础，详细探讨通风工程中常用两款消声器的传递损失。

1 消声器声学性能仿真模拟

1.1 片式消声器声学性能仿真模拟

片式消声器一般具有较大的进出口横截面积， 容易激发高阶模态声波，需要用三维理论进行计算和分析， 采用LMS Virtual Lab Acoustic 声学仿真软件对片式消声进行三维数值模拟[2]。

对于线性有限元和边界元模型，为保证其计算精度，划分的最大单元长度L应满足：

式中：c——某流体介质中的声速； fmax——高计算频率。

在LMS Virtual.Lab12 以后版本中，采用FEMAO 技术（FEM Adaptive Order）求解方式，该求解技术为声学分析提供了高阶自适应有限元解决方法[3]。

片式消声器采用通流面积比为50%、片厚150mm、长度为2.0m 的片式消声器（150mm、50%、2.0m，不带吸声衬垫，玻璃棉密度取32kg/m3）作为研究对象，通过对三维数值模拟和实测数据（实验室测试数据）进行对比，分析研究数值模拟的准确性。

多孔材料的流阻率一般通过实验的方法获得， 对于具有均匀纤维直径、少量粘合剂的纤维材料，其流阻率也可根据经验公式获得，Bies 和Hanson 在1980年提出了多孔性材料流阻的经验公式[4]：

式中：ρ 为材料密度；da为平均纤维孔直径，此处取为10μm，流阻率为6387 Pa·s/m2。

片式消声器三维数值仿真结果云图如图1 所示，将片式消声器仿真计算所得传递损失数据和实测插入损失数据进行对比，结果如图2 所示。通过对比片式消声器实测数据和软件仿真模拟数据可知：

图1 片式消声器仿真结果云图

图2 片式消声器仿真结果对比

（1）采用Virtual Lab Acoustic 软件模拟片式消声器传递损失，模拟数据和实测数据趋势基本一致；

（2） 模拟数据在500Hz 以后偏高，应根据实测数据进行参数调整；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 软件模拟消声器传递损失，离不开消声器实测数据作为标定，在标定修正完成的情况下，利用软件模拟消声器传递损失，可实现较高的精度。

1.2 矩阵消声器声学性能仿真模拟

COMSOL Multiphysics 是一款以有限元理论为核心算法的多物理场仿真软件，可快速、准确地模拟各类流体、固体中的声音传播，从而求解各类经典声学问题[5]。 与LMS Virtual Lab Acoustic 声学仿真软件计算相比，COMSOL 参数化建模功能和参数化扫描研究功能， 可更高效地对模型计算进行参数调整和分析。 因此，以COMSOL 软件对矩阵式消声器的传递损失进行研究。

矩阵式消声器结构参数如表1 所示。

表1 3m长矩阵消声器结构参数表

3m 长矩阵消声器实测插入损失性能如表2 所示。

表2 3m长矩阵消声器实测插入损失性能表(单位/dB)

矩阵消声器矩阵单元输入参数如表3 所示。

表3 矩阵消声器输入参数

根据以上数据，矩阵消声器三维模拟结果如图3 所示，将矩阵消声器仿真计算所得传递损失数据和实测插入损失数据进行对比，如图4 所示。

图3 矩阵消声器仿真结果云图

图4 矩阵消声器模拟和测试对比

将软件模拟数据和实测数据进行对比可知：

（1） 采用COMSOL Multiphysics 软件模拟矩阵消声器传递损失，模拟数据和实测数据趋势基本一致；

（2） 模拟数据在500Hz 以后偏高，但与实测数据偏差值相比，采用Virtual Lab Acoustic 软件模拟值和实测值偏差较小。

2 消声器不同结构参数对其传递损失的影响研究

2.1 不同孔径的穿孔护面板影响

对不同孔径的穿孔板护面进行研究，依次取消声器穿孔护面板孔径0.10mm、0.12mm、0.15mm 和0.20mm， 得出传递损失曲线图，如图5 所示。

通过图5 可知， 在一定范围内， 孔径越大，消声器传递损失越大，消声器消声性能越好。

图5 不同孔径传递损失结果

2.2 不同板厚的穿孔护面板影响

对不同板厚的穿孔护面板进行研究， 依次取消声器穿孔护面板板厚为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，得出传递损失曲线，如图6 所示。

由图6 可知，在一定范围内，穿孔护面板板厚越小，消声器传递损失越大，消声器消声性能越好。

图6 不同板厚传递损失结果

2.3 不同吸声材料影响

常用离心玻璃棉吸声材料密度参数及其对应流阻率如表4 所示。

表4 玻璃棉密度及其流阻率

对不同密度和流阻率的离心玻璃棉进行研究， 传递损失曲线如图7 所示。

由图7 可知，吸声材料流阻率越大，消声器传递损失越大，消声器消声性能越好。在1000Hz 处，不同流阻率所对应的传递损失存在一个上限， 即传递损失值不会随着流阻率的增加而不断增加。

图7 不同流阻率传递损失结果

3 结语

以消声器传递损失作为评价指标，分别对通风工程中常用的两款消声器——片式消声器和矩阵消声器进行了仿真模拟，比较了模拟传递损失和实测插入损失的数据，通过对比可以发现：

（1）采用Virtual Lab Acoustic 软件和COMSOL Multiphysics软件， 模拟消声器传递损失， 模拟数据和实测数据趋势基本一致；

（2） 模拟数据在500Hz 以后偏高， 但采用COMSOL Multiphysics 软件模拟数值与实测数据存在的偏差， 比采用Virtual Lab Acoustic 软件模拟值和实测值偏差小；

（3） 采用Virtual Lab Acoustic 软件模拟消声器传递损失，离不开消声器实测数据作为标定，在标定修正完成的情况下，利用软件模拟消声器传递损失可实现较高的精度；

（4） 同 时 利 用Virtual Lab Acoustic 软 件 和COMSOL Multiphysics 软件，研究矩阵消声器不同结构参数对消声器传递损失的影响，在一定范围内，消声器穿孔护面板孔径越大，板厚越小，吸声材料流阻率越大，消声器传递损失越大，消声器消声性能越好。超过一定范围后，随着流阻率增加，分频处传递损失值存在上限值，不再增加。 片式消声器和矩阵消声器同属于阻性消声器，只是结构形式不同，以上结论同样适用。