通风冷却风扇噪声消声器设计

通风冷却风扇噪声消声器设计 2008年6月噪声与振动控制第3期 文章编号:1006—1355(2008)03—0124—03 通风冷却风扇噪声消声器设计 齐天,吴亚锋,李野 (西北工业大学动力与能源学院,西安710072) 摘要:针对某飞机用通风冷却风扇降噪,通过测量,和计算,设计一种复合式消声器.该消声器由微穿 孔板吸声结构和阻式吸声材料组合而成.实验表明,该消声器能在较宽的频带上有效地消减风扇运行中所产生的 进排气噪声,距离风扇1m处可使噪声平均降低12dB(A). 关键词:声学;风扇;微穿孔板;消声器;噪声 中图分类号:TB535文献标识码:A DesignofaSilencerforAttenuatingFanNoise QtTian,ng, (SchoolofEngineandEnergy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xihn710072,Chin a) Abstract:Inthepaper,acompoundsilencercombinedmicroperforatedstructureandsound absorb— ingmaterialsforattenuatingthefannoiseisdesignedthroughthemeasurement,theanalysis andthecal— culation.Experimentalresultsshowthatthesilencercanefficientlyattenuatethenoiseinaw ideffequen— cybandandreduce12dBaroundthefaninthe1mscope. Keywords:acoustics;fan;microperforationplate;silencer;noise 在某国产飞机的设备系统中,利用风扇进 行通风冷却.这种风扇体积小,转速高,气流速度 大,工作时会产生高分贝噪声,严重影响飞机驾,乘 人员的工作和活动.为此需要采取合理有效的措施 降低该风扇的噪声. 本文设计了一种由微穿孔板吸声结构与阻性吸 声材料组合成的复合型消声器.一方面利用材料的 吸声特性,使沿通道传播的噪声不断地被吸收而逐 渐衰减;另一方面利用结构共振时空气中的粘滞阻 力来耗散入射的声能_2j.该消声器具有较宽的消 声频带并对峰值频率具有良好的消减作用.应用结 果证明了该消声器的优良性能和工程适用性. 1风扇噪声分析 通风冷却风扇装置由风扇,电路板以及起固定 和保护作用的外壳组成.其中风扇为美国某公司制 造,内径67mm,外径76ram,高60ram,叶片数为4 个,正常转速为20300r/min,工作电压为115V,工 作电流为1.2A.实际使用中,该风扇装置安装在驾 驶舱的设备架上,出气口与上层需要冷却的设备的 气流通过导管连接,进气口距离下层设备架蒙皮约 260ram,且进,出气口周围还环布各种线路,管路和 支架.图1给出了该风扇的安装位置情况. —18 收稿日期:2007-08 作者简介:齐天(1982一),男,陕西西安人,在读硕士研究生,研究方 向:振动与声音信号分析控制. 机 舱 蒙皮 图1风扇安装情况不意图 噪声测量系统由声级计一A/D一计算机组成. 为了避免排气气流的冲击影响,测点选在风扇上方 的排气口斜上方45.角,1m处.测得的原始噪声频 谱如图2所示. 由图2可以看出,该风扇的噪声频谱呈宽带特 性,亦具有明显的离散峰值.峰值声压的频率为 1494.1Hz,噪声声压平均值为88.7dB(A). 分析认为:该风扇噪声以气体流动过程中产生 的空气动力性噪声为主.主要是由于气体的非稳定 流动,即气流扰动,气体与气体及气体与固体相互作 用产生的噪声,包括了旋转噪声,涡流噪声和喷流噪 声J.考虑到以送风冷却为目的的风扇,将来在飞 机上安装时出气口的气流会由密封胶管引到需冷却 的设备上,而进气口由于敞开暴露于空问,应是风扇 通风冷却风扇噪声消声器设计125 矗 诅 图2风扇的噪声频谱 的主要噪声辐射源.所以该风扇装置的降噪应主要 考虑风扇进气产生的旋转噪声和涡流噪声. (1)旋转噪声是由于风扇叶片在旋转时与空气 相对运动出现压力脉冲而形成的.对于空间某点来 说,每当一个叶片通过时,气体的压力便迅速起伏一 次,产生一个压强脉冲,从而向四周辐射噪声. 旋转噪声的频率(Hz)与风扇的转速(r/ min),叶片数有关.其基频可由下式计算 = (1)601一, 除基频外,还有谐波频率=2flJ3:3f,….基 频强度最大,随着谐波次数的增加,噪声强度越来越 弱. (2)涡流噪声是当气体流经叶片,并在旋转的 叶片界面上分裂时,由于空气的粘滞性,便形成一系 列涡流,从而辐射一种非稳定的流动噪声. 涡流噪声的频率.(Hz)为 T/ (2) =K?音 式中:K为斯脱路哈数,数值为0.15—0.22:V为气体 与叶片的相对速度;D为气体入射方向的物体厚度. 由于涡流噪声频率取决于叶片与气体的相对速 度,而叶片的圆周速度又取决于各点的圆半径,叶片 各点速度的连续变化,因此风扇所产生的涡流噪声 具有随机性,且一般呈宽带谱形式. 2消声器设计 该消声器的设计指标为风扇上排气口斜上方 45.角,1m处的噪声平均值能降低到80dB(A)左右. 作为空气动力性噪声的消声器,可供选择的类 型很多,包括阻性?肖声器,抗性消声器,及微穿孔板 吸声结构组成的阻抗复合型消声器.各类消声器各 有其自身的特点和应用场合.对于该风扇装置噪声 来说,因为气流速度大,空间尺寸及对消声器重量的 限制,分析认为,阻性消声器无法满足设计指标;空 间尺寸无法安排扩张式消声器;而普通穿孔板共振 腔式消声器又因为消声频带太窄无法满足要求.因 此,决定采用微穿孔板和阻性吸声材料组合成的复 合型结构,因为这种消声器结构简单,对气流影响小 (损失小),可以在高转速下长期工作,而且通过结 构参数的选择还可以在一定的范围内控制消声频段 和消声量,,. 消声器由内外两部分组成.其外部是一微穿孔 板消声筒结构,外壁材质是不锈钢板,内壁由微穿孔 板构成,两壁之间由法兰连接,中间填充玻璃丝棉. 选用厚0.8mm,孔径0.8mm,穿孔率4%的微穿 孔板,那么对于频率为1494.1Hz的风扇噪声可计 算得到微穿孔板消声筒的空气层厚度.但考虑到降 低噪声覆盖的倍频程范围和消声器尺寸问题,我们 选取2倍基频,即2900Hz为微穿孔板结构消声筒的 共振频率. 根据共振结构的频率计算公式 (3) 式中:D为穿孔板后空气层的厚度(em);p为穿孔 率;L为孔径的有效长(em);L=t+0.8d,t为板 厚,d为孔径. 可算出微穿孔板后空气层的厚度为D=8mm. 于是可以得到微穿孔板消声结构的设计尺寸: 长度为200mm;内径与风扇内径相同67mm.夕径为 83mm. 为了提高该肖声器的降噪量,我们还在消声筒 孔率的不锈钢板 中插入一吸声圆柱,它采用20%穿 卷成,直径为48mm,长度为200mm,内衬玻璃丝布, 中间填充超细玻璃丝棉. 由消声筒内壁直径与内插圆柱直径之差可计算 出组合式消声器风道截面大小为1821.2mm,大于 风扇装置上盖出风口的截面积599.7mm,因此在增 加降噪效果的同时,不会影响风扇的31处测得加消 声器的噪声频谱如图4所示. 由图4可以看出,加上消声器后,噪声声压的平 均值为76.7dB(A),与前相比噪声降低12dB(A). 图5为加消声器前后声场的1/3倍频程对比谱 图. 从图5中可以看出,该消声器在一个较宽的频 带上,尤其在1000,6000Hz,降噪效果非常明显. 结果与理论分析和计算是一致的. 4结语 本文针对某飞机的通风冷却风扇设计了一复合 型消声器.该消声器能在一个较宽频带上能有效地 噪声/dBA 图4加消声器后风扇的噪声频谱 降低噪声,在im处可使噪声平均降低12dB(A),且 其结构简单,体积小,重量轻,对气流影响小,能在高 速下长期运行.特别适用于诸如飞机一类对重量, 环境要求较高的场合. 一未加消声器 一 加消声器人 入//. \/——. ——.一一—\—,., ?, :== 频率/Hz 图5加消声器后风扇的噪声频谱 参考文献:[4]吴亚锋 ,魏文德.一种组合式风扇噪声消音器的设计 『1]RandallF.Barron,IndustrialNoiseControlandAcous.[J].机械科学与技 术,2004,(23):76—77. fics[M].MarcelDekke,Inc.,2003.[5]王占学,乔渭阳,李文兰.穿孔板消声器在MA60 飞机 [2]IstvdnL.V6randLe0L.Beranek,NoiseandVibrationAPU排气管的应用[J].航空动力学报,2003,(3):331 ControlEngineering[M].JohnWiley&Sons,Ine.,一335. ,陈旭东.与通风机配套的消声器的设 2006.[6]刘子风,陈万志 [3]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京:中国机ff[J]?风机技术,2002,(5):16—17,27? 械工,出版社,2002.