“回”形超构复合消声器的设计及研究

2022-10-09赵亚林王绿马建刚杨涵杰徐靖鉴肖和业周杰

哈尔滨工程大学学报 2022年9期

赵亚林，王绿，马建刚，杨涵杰，徐靖鉴，肖和业，周杰

(1.国网陕西省电力有限公司电力科学研究院，陕西西安 710054； 2.西北工业大学航空学院，陕西西安 710072； 3.西北工业大学无人系统研究院，陕西西安 710072)

变电站作为接收电能及分配电能的场所，保证了人们生活的正常及稳定，但变电站产生的可听噪声对周围的声环境有着不可避免的影响[1-2]。随着城市化推进及居民环保意识的增强，变电站噪声尤为显著，成为一个迫切需要解决的问题。变电站主要噪声为通风设备及空调设备的结构和空气动力噪声，其中进、排风口的空气动力性噪声为最强，且频带较宽，指向性强。不仅如此，主变压器本体及其冷却系统产生的电磁、结构和流体激励噪声也会顺着通风口传递出来。因此，变电站出风、排风口是噪声源的主要源头，其排除噪声频谱以100～500 Hz的中低频为主，具有穿透力强、传播距离远、衰减慢的特点。

为了缓解变电站噪声产生的声环境影响，通常采用安装声屏障[3-4]、开展绿色建筑系统[5-6]、改变变压器噪声成分[7]等主动及被动控制手段来降低变电站噪声。就现阶段技术而言，目前最有效和简便的解决方案是采用矩阵消声器排列在通风扇后方对其进行降噪处理。变电站用的矩阵消声器由多个消声单元排列组成，具有消声性能好、阻力损失小、运行耗能低、安装方便灵活等优点。现有消声单元通常为抗性或阻性消声结构，抗性消声单元主要针对低频噪声，阻性消声单元采用多孔材料主要针对高频噪声。为了增强消声器的降噪效果，研究人员对此进行了大量的研究[8-12]，Lu等[13]将介电弹性体与空腔结合形成新型声学消声器，当电介质弹性体施加不同的预载和驱动电压时，其谐振频率可以偏移由此扩展共振峰带宽，实现了宽频率范围内的噪声控制。Huy等[14]提出了一种亚波长消声器，它基于紧凑组装的狭缝式亥姆霍兹谐振器，用于低频宽带隔声，同时可保持通风。Xue等[15]研究验证了本研究验证了U形波纹管应用于插入式消声器的可行性，为消声器的声学设计提供了一种新的方法。综上所述，虽然消声结构的设计和改进得到了很大的发展，但结构的加工难度、应用条件的限制、消声频率和带宽都制约了上述研究中设计消声器的实际应用。为了更贴合实际的变电站降噪通风需求，需要更进一步寻求易加工、阻损小、中低频降噪性能突出的消声降噪结构。

声学超材料作为一种新式、可设计的结构，以其奇异的物理性质和出色的声学表现被广泛应用于吸声降噪[16-21]。Zhou等[22]提出了利用多孔泡沫材料制作声学超表面，能够在特定频率和周期长度下实现吸声；比均匀多孔层具有更好的吸声效果。Zhang等[23]利用声学黑洞特有的阻波和陷波现象以及微穿孔的能量耗散能力，实现了一种紧凑的超宽带近完美亚波长厚度吸声装置，用于管道中的降噪。Ji等[24]构建了迷宫型声学超表面，结果表明与相同厚度的均匀三聚氰胺泡沫相比，超表面的透射系数和吸声系数均有所提高。Mei等[25]通过在薄膜上附着一个薄的半圆形金属板构建了一种薄膜声学超表面，在100～1 000 Hz低频段实现了宽带吸声，在172 Hz频率段吸声率达到86%。可以看出，声学超材料对于噪声控制有着出色的降噪能力，而低频吸声超构表面在消声器的降噪使用还研究甚少。

为了解决变电站原有阻性消声器的低频消声性能较弱的问题，本文在消声器设计中引入声学超材料，进而提出了一种声学超构复合消声器，该消声结构充分结合空腔结构和多孔材料的降噪特性，提高了原有阻性矩形消声器的中低频降噪效果，为声学超材料的管道降噪应用提供了的理论及应用参考。

1 阻性矩阵消声器组成及声学性能

1.1 阻性矩阵消声器组成结构

变电站阻性消声器由多个消声单元排列构成，每个消声单元的腔体由前后方导流罩与四周穿孔板组成，再在腔体中嵌入玻璃棉或者泡沫等吸声轻质材料，是一种常见的阻性消声结构。图 1为一种简单的阻性矩阵消声器示意图。

图1 阻性矩阵消声器Fig.1 Dissipative muffler of matrix

1.2 阻性消声器声学性能分析

为了分析阻性消声器的消声效果，使用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.5对现有的阻性矩阵消声器的消声效果进行评估。

在声学计算中使用JCA模型对多孔吸声材料进行表征，其中需要材料的5个JCA模型参数：流阻率σ、孔隙率φ、曲折度α∞、粘滞特征长度Λ、热特征长度Λ′。

其中等效动态密度ρe(ω)和等效动态体积模量Ke(ω)定义为：

(1)

(2)

(3)

式中：σ、φ、α∞、Λ、Λ′分别表示静态流阻率、孔隙率、曲折因子、粘性特征长度、热特征长度；P0表示环境大气压力;ω表示角频率；ρ0、η、γ、B2分别表示空气密度、动力粘度、比热率、饱和空气的普朗特常数。

本文中通过扫描电镜得到某型玻璃纤维棉的微结构尺寸参数，使用自下而上的方法[26-28]得到的这种玻璃纤维棉的JCA模型参数，其JCA参数如表1所示。

表1 玻璃纤维棉参数Table1 Parameters of glass fiber wool

根据现有矩阵消声器，在COMSOL Multiphysics中建立消声器单元模型。模型采用“压力声学”频域进行研究，消声器入口端为平面波辐射，入射波压力幅值1 Pa；消声器出口端采用PML层用于模拟出射声场的全吸收作用；四周管道为附有直径为1 mm的小孔、穿孔率为30%的穿孔板，板厚2.5 mm，采用压力声学——频域中的内部穿孔板模块，通过定义穿孔板孔径、穿孔率、板厚及流体属性便可以定义穿孔板在模型中的贡献，使用求解器求解。采用内部穿孔板模块优点在于无需画出具体的几何小孔形状及尺寸，并且减小了网格划分的误差，减少了求解时间。穿孔管内部填充有玻璃纤维棉多孔材料。

根据消声器声学理论，其隔声性能采用 “传声损失”来进行评价，其计算方式为：

(4)

式中：Wi为消声器入口处的入射声功率；Wt为消声器出口处的透射声功率。

在本次分析中，消声器进出口位置为平面波时，则入射声功率和透射声功率分别为：

(5)

(6)

式中：S1为消声器入口面面积；S2为消声器出口面面积；M1、M2为入口和出口处的气流马赫数；ρ、c分别为空气密度和声速；Pi和Pt分别为消声器入口声压和出口声压。则当气流流经消声器的入口和出口面积相同时，式(4)可表示为：

(7)

因此，在COMSOL中即采用式(7)进行计算。通过定义结构入口面和出口面定义积分算子得到所需参数。单个消声器模型和传递损失结果如图 2所示。

图2 阻性消声单元Fig.2 Dissipative muffler unit

在消声单元的分析基础上，建立矩阵消声器的模型。总消声器为消声单元的5×5的排列矩阵。模型计算方法和单个消声单元的相同，总模型和传递损失如图 3所示。

图3 阻性矩阵消声器仿真模型Fig.3 Simulation model of dissipative matrix muffler

从2种模型的传声曲线中可以看出：单个消声单元和矩阵式消声器两者的声学性能保持相同，消声值基本一致，整个频段范围内的传声曲线都表现为先上升后保持平稳。传声损失曲线表明消声器能够在1 400 Hz之后的高频范围内获得较好的吸声效果；在低频吸声效果基本呈线性关系。高频吸声较好的性能与纤维多孔材料的使用有关，同样与穿孔板孔隙率、孔径、板厚有关。因此，该结构对于一些低频噪声的吸收还需要进一步改进。

2 “回”形超构复合消声器

2.1 1/4波长管理论

在长为L，截面积为S开口-封闭管道中，声波在管道内从左向右传播。当声波接触到刚性封闭端时，会被全部反射回来，从而向左传播。

图4 开口-封闭管道声传播示意Fig.4 Schematic diagram of sound propagation in open-closed duct

在开口处的声阻抗可表示为：

(8)

式中：Z(0)与Z(L)分别为x=0与x=L处的声阻抗；ρ为空气密度；c为声速；k为波数。

对于刚性封闭口的管道来说，其开头处声阻抗无穷大，即Z(L)=∞，由此可得：

(9)

当声抗为零的时候, 结构就发生共振，即公式中的声阻抗Z(0)=0，此时：

cot(kL)=0

(10)

可得：

(11)

因此可以求得管长与声波波长之间的关系：

(12)

即当管长为声波波长的1/4时，结构发生共振，此时空腔结构整体的声波损耗效果最好。

2.2 吸声腔体结构

在针对目前阻性消声器在低频降噪并不理想的情况下，提出了一种“回”形超构复合式消声器，结合声学超结构和多孔材料用以替代传统阻性消声器的纯泡沫结构可以提高消声器的消声带宽和消声幅值。为了在提高消声器低频吸声效果的同时，保证结构的高频吸声效果依然优异，在阻性消声器基础上增加抗性单元组成了一种“回”形超构复合式消声器。

“回”形超构消声器由3层组成(图 6所示)，第1层为最外层的抗性消声腔，用于增加结构的低频吸声效果；中间一层为多孔吸声材料，用于吸收高频及部分低频噪声；最里层为气流的流动通道。其中，多孔材料与气流通道之间由穿孔率为30%，直径为1 mm，板厚2.5 mm的穿孔护面层隔开。

图5 “回”形消声器单元侧面剖视图Fig.5 The side section view of “loop”-shaped muffler unit

图6 “回”形消声单元截面示意Fig.6 Schematic diagram of the cross-section of the “loop”-shaped muffler unit

“回”形超构消声器最外层分别为4个长度为0.9 m与16个长度为0.45 m的吸声腔组成，根据“1/4波长管理论”可知，腔1用于吸收200 Hz左右的噪声，腔2用于吸收100 Hz处的噪声。单个吸声腔截面是一个两边长分别为0.42、0.38 m，高为0.02 m的梯形，如图 6所示。声波从入口进入后会先后经过玻璃纤维棉、吸声腔进行损耗。

使用有限元软件COMSOL Multiphysics中压力声学——频域可以得到这种吸声腔的传递损失。穿孔板一端穿孔，其中腔1穿孔段长度为0.1 m，腔2，穿孔段长度为0.2 m，两者穿孔段的板厚为2 mm，孔径为2 mm，孔隙率为25%。同样的，在有限元软件COMSOL中，利用压力声学——频域中的“内部穿孔板”模板，通过定义穿孔板的孔隙率、孔径、板厚与流体属性便可以定义穿孔板在模型中的贡献，可以大幅降低网格误差与求解时间。平面波由图 7(a)中入口方向进入中间气流通道，经过四周吸声腔吸收设计频率的噪声后由尾部完美匹配层吸收。

当只有空腔吸声结构的情况下其传声损失如图 8所示，提取传声损失2个峰值处的声压响应为图 9所示,玻璃纤维棉布置如图10所示。

图7 吸声腔组合的消声器Fig.7 A muffler with a combination of absorbing cavities

图8 空腔结构的传声损失Fig.8 Transmission loss of cavity structures

图9 吸声腔消声器表面声压级Fig.9 Surface sound pressure level of sound absorber muffler

可以看出，空腔结构在115 Hz、225 Hz、350 Hz处能够有效吸收噪声，3个位置处出现了明显的吸声峰值，其中225 Hz处的降噪效果最好。设计长度为0.9 m的空腔2针对频率为115 Hz，同时在350 Hz处还产生了二阶共振。设计长度为0.45 m的空腔1针对频率为225 Hz,该空腔在整体结构中排布最多，从而对该频率处的声能损耗比其他频率的更大；此外由于2个长度的空腔在225 Hz吸声有叠加作用，因此该频率下消声器的降噪能力最大。

2.3 添加多孔材料

在四周吸声腔与中间流道之间加入一层玻璃纤维棉多孔材料，与先前阻性消声器为同一种多孔泡沫材料，其声学特性依然可以由JCA模型计算得到，JCA参数在表1中所已给出。其形状是外边长为0.38 m×4的正方形与内边长为0.26 m×4 m的正方形构成的环状结构。

将整个复合消声结构组合起来，结合JCA模型理论，可计算得到整个结构的传声损失如图 11所示。

图10 玻璃纤维棉布置示意Fig.10 Layout of glass fiber wool

将“回”形超构复合消声器与现有的阻性消声器比较发现：“回”形超构复合式消声器比现有阻性消声器在低频的吸声能够达到至少提高5 dB以上的效果。其中，在100 Hz处传声损失相较于阻性消声器提高6 dB，200 Hz处能提高7 dB，300 Hz处提高10 dB，并且随着频率越高，吸声效果提高得越好。除此以外，由于空腔结构取代了部分的多孔材料，玻璃纤维棉横截面积(768 cm2)相较于阻性消声器所使用的玻璃纤维棉(900 cm2)降低了14.7%。