彭健，肖新標(biāo)，李承城，付辰辰，許天嘯

微穿孔板在列車空調(diào)風(fēng)道中的應(yīng)用研究

彭健，肖新標(biāo)*，李承城，付辰辰，許天嘯

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)噪聲特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)空調(diào)噪聲能量主要集中在100～1000 Hz的頻帶內(nèi)，且空調(diào)噪聲的大小會(huì)直接影響客室內(nèi)噪聲的大小。為了計(jì)算空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失，采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)對(duì)仿真計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明采用“壓力聲學(xué)，頻域”接口可以用于計(jì)算空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失。為了保證在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)有效的布置微穿孔板，且不影響空調(diào)風(fēng)道內(nèi)正常的空氣流量，文中設(shè)計(jì)了四種將微穿孔板排布于空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的方案，均可以有效地提升空調(diào)風(fēng)道傳遞損失的谷值和峰值。四種方案均提升了空調(diào)風(fēng)道的降噪效果，其中方案1降噪效果優(yōu)于方案2，方案3優(yōu)于方案4。采用微穿孔板錯(cuò)位分布的方式降噪效果要優(yōu)于同側(cè)分布的方式。通過(guò)對(duì)微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的應(yīng)用研究，為降低列車空調(diào)噪聲提供了一種有效的途徑。

空調(diào)噪聲；傳遞損失；微穿孔板；壓力聲學(xué)

空調(diào)噪聲作為列車靜置時(shí)的主要噪聲源，當(dāng)空調(diào)噪聲過(guò)大就會(huì)出現(xiàn)噪聲超標(biāo)的現(xiàn)象。張捷[1]對(duì)高速列車噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看空調(diào)噪聲也是影響客室內(nèi)噪聲的關(guān)鍵因素。孫艷紅[2-3]對(duì)高速列車風(fēng)道傳聲特性和風(fēng)道消聲器傳聲特性進(jìn)行了分析，并通過(guò)調(diào)整吸聲包的關(guān)鍵參數(shù)等對(duì)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。張振威[4]通過(guò)在空調(diào)風(fēng)道壁上粘貼多孔吸聲材料的方式，降低了列車空調(diào)風(fēng)道噪聲，從吸聲材料對(duì)空調(diào)風(fēng)道降噪的效果來(lái)看，多孔材料在中低頻范圍內(nèi)的降噪效果有限。展偉[5]對(duì)某列車在靜置狀態(tài)下開(kāi)啟和關(guān)閉空調(diào)測(cè)得的車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)總值進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟空調(diào)后使客室內(nèi)聲壓級(jí)增加了40 dB。因此，針對(duì)于地鐵和市域車等低速運(yùn)營(yíng)列車，研究其空調(diào)風(fēng)道的低噪聲優(yōu)化方案是十分重要的。馬大猷[6]認(rèn)識(shí)到，如果將微穿孔板的孔隙尺寸調(diào)整到亞毫米級(jí)（傳統(tǒng)為毫米級(jí)），微穿孔板可以在中低頻范圍內(nèi)有比較好的寬頻吸聲性能。研究表明，兩層和多層串聯(lián)的微穿孔板吸聲器可獲得更寬的吸聲帶寬，微穿孔板吸聲器是一種較好的亞波長(zhǎng)吸收結(jié)構(gòu)[7-8]。吳飛等[9]基于微孔板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種折曲通道的亞波長(zhǎng)寬帶吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微穿孔板在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。李清等[10]和賈興仕等[11]將微穿孔板用于油煙機(jī)的噪聲控制中，實(shí)現(xiàn)對(duì)油煙機(jī)噪聲的有效控制。

本文中針對(duì)空調(diào)噪聲顯著的問(wèn)題，通過(guò)研究微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的應(yīng)用方式，利用微穿孔板的寬頻吸聲性能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車空調(diào)風(fēng)道噪聲的抑制。

1 空調(diào)噪聲特性

在空調(diào)中使用微穿孔板前，需要對(duì)列車空調(diào)噪聲特性進(jìn)行分析，以確保微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)顯著頻段噪聲的吸收。按照ISO 3381-2011[12]，分別在車體縱向中心線上方距離地板面1.6 m高度處的列車客室前、前空調(diào)機(jī)組、列車客室中、后空調(diào)機(jī)組和列車客室后這5個(gè)地方布置聲學(xué)評(píng)價(jià)點(diǎn)。表1給出了列車在空調(diào)全開(kāi)和全關(guān)狀態(tài)時(shí)的聲壓總值。從表中可以看出，空調(diào)打開(kāi)后，聲壓總值增加了23.5～27.6 dB，空調(diào)開(kāi)啟后客室內(nèi)噪聲明顯提高。且前空調(diào)機(jī)組和后空調(diào)機(jī)組聲壓總值的差值要明顯大于客室前、中、后三個(gè)位置。圖1中給出了空調(diào)全開(kāi)狀態(tài)時(shí)客室內(nèi)噪聲的1/3倍頻程譜圖，可以看出，在空調(diào)全開(kāi)狀態(tài)下，空調(diào)噪聲能量主要集中在中心頻率為100～1000 Hz的頻帶內(nèi)，且前空調(diào)機(jī)組和后空調(diào)機(jī)組的聲壓級(jí)整體高于客室前中后三個(gè)位置。由此可見(jiàn)，空調(diào)噪聲是影響列車靜置狀態(tài)下客室內(nèi)噪聲大小的主要噪聲源，且100～1000 Hz范圍內(nèi)的空調(diào)噪聲的主要噪聲頻段。因此，本文使用微穿孔板對(duì)100～1000 Hz范圍的空調(diào)噪聲進(jìn)行控制。

表1 某列車車內(nèi)噪聲聲壓總值

2 列車空調(diào)風(fēng)道模型與方法驗(yàn)證

2.1 列車空調(diào)風(fēng)道模型的建立

列車客室內(nèi)空調(diào)噪聲傳播路徑為“聲源－進(jìn)風(fēng)口－空調(diào)風(fēng)道－出風(fēng)口－客室”，其中空調(diào)風(fēng)道對(duì)空調(diào)噪聲降噪的效果會(huì)直接影響客室內(nèi)噪聲的大小。因此計(jì)算并分析空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失，是降低空調(diào)噪聲的關(guān)鍵。首先，COMSOL Multiphysics軟件的“壓力聲學(xué)，頻域”接口建立空調(diào)風(fēng)道聲學(xué)有限元模型，空調(diào)風(fēng)道聲學(xué)模型如圖2所示?？照{(diào)風(fēng)道外部尺寸大小為：長(zhǎng)19 m，寬0.8 m，高0.17 m。

圖1 空調(diào)全開(kāi)狀態(tài)時(shí)噪聲的1/3倍頻程譜圖

圖2 列車空調(diào)風(fēng)道模型

接下來(lái)，在“壓力聲學(xué)，頻域”接口對(duì)列車空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失進(jìn)行求解。模型求解過(guò)程中使用的方程為修正的Helmholtz方程，其表達(dá)式為：

將列車空調(diào)風(fēng)道的所有外邊界使用硬聲場(chǎng)邊界（也稱剛性壁），即忽略聲波與壁面之間的粘滯損耗和熱損耗對(duì)聲波能量的影響，滿足：

式中：為向量。

在空調(diào)風(fēng)道入口處，會(huì)同時(shí)存在入射平面波與出射平面波的疊加，需要滿足條件：

在空調(diào)風(fēng)道出口處，僅受出射波的影響，所以設(shè)置的出射平面波滿足：

因此，空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失為：

2.2 傳遞損失計(jì)算與驗(yàn)證

在空調(diào)風(fēng)道聲學(xué)有限元模型的進(jìn)風(fēng)口處添加壓力幅值為1 Pa的入射聲壓，對(duì)列車空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失進(jìn)行計(jì)算。圖3中給出了仿真得到的頻率為1000 Hz內(nèi)的空調(diào)風(fēng)道傳遞損失。

從圖中可以看出，空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失在1.8～26.5 dB之間，且存在多個(gè)傳遞損失谷值。要降低空調(diào)噪聲，則需要提高空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失，特別是傳遞損失谷值區(qū)域。

為了驗(yàn)證聲學(xué)有限分析方法計(jì)算的正確性，使用參考文獻(xiàn)[13]中的模型，使用“壓力聲學(xué)，頻域”對(duì)文獻(xiàn)中的模型進(jìn)行了仿真計(jì)算。文獻(xiàn)中的模型如圖4所示，傳遞損失仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5中所示的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，通過(guò)“壓力聲學(xué)，頻域”計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的傳遞損失曲線走勢(shì)一致，僅在170～290 Hz頻段內(nèi)有一定的差異。綜上分析，可認(rèn)為采用“壓力聲學(xué)，頻域”接口計(jì)算列車空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失是準(zhǔn)確的。

圖3 列車空調(diào)風(fēng)道的傳輸損失

圖4 消聲器模型[13]

圖5 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3 微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道中的應(yīng)用

3.1 微穿孔板的布置方式研究

列車空調(diào)風(fēng)道是列車空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部件，在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)利用微穿孔板對(duì)空調(diào)噪聲進(jìn)行控制時(shí)，因微穿孔板上的穿孔直徑小于1 mm，將整塊微穿孔板直接安置在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)，會(huì)相應(yīng)的增加風(fēng)道送風(fēng)的阻力，進(jìn)而影響空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的空氣流量。因此，需要研究微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的布置方式，使空調(diào)風(fēng)道在保證有足夠送風(fēng)能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)提高空調(diào)風(fēng)道傳遞損失的目的。受到以上所分析條件的限制，下面將研究微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的應(yīng)用方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)噪聲的抑制。

圖6、圖7分別給出了2種微穿孔板在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)的布置方案，將兩種布置方式設(shè)置為對(duì)比項(xiàng)。第一種應(yīng)用方案，將微穿孔板錯(cuò)位排布在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)，相鄰微穿孔板之間的距離為，如圖6（a）所示。圖6（b）所示為在空調(diào)風(fēng)道聲學(xué)有限元模型中設(shè)置微穿孔板的三維圖，在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)共設(shè)置了19塊微穿孔板。圖7所示為微穿孔板的第二種應(yīng)用方案，即將微穿孔板排布在同側(cè)空調(diào)風(fēng)道內(nèi)，相鄰微穿孔板之間的距離為，在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)共設(shè)置了19塊微穿孔板。

圖6 方案1：微穿孔板錯(cuò)位分布

圖7 方案2：微穿孔板同側(cè)分布

圖8（a）為第三種布置方案，將L形微穿孔板錯(cuò)位排布在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)，相鄰微穿孔板之間的距離為2。如圖8（b）所示在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)共設(shè)置了6塊L形微穿孔板。如圖9（a）所示為第四種方案，即將L形微穿孔板排布在同側(cè)空調(diào)風(fēng)道內(nèi)，相鄰微穿孔板之間的距離為2。如圖9（b）所示在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)共設(shè)置了6塊L形微穿孔板。

圖8 方案3：L形微穿孔板錯(cuò)位分布

3.2 應(yīng)用方案對(duì)傳遞損失的影響

在不影響空調(diào)風(fēng)道正常工作的情況下，本文中研究了四種將微穿孔板應(yīng)用于空調(diào)風(fēng)道中的方案。為了進(jìn)一步比較各方案之間的降噪效果，將對(duì)四種方案的傳遞損失的傳遞損失進(jìn)行計(jì)算。微穿孔板的寬頻吸聲特性與穿孔孔徑、穿孔率和板厚均有關(guān)。在仿真計(jì)算中將微穿孔板的穿孔孔徑、穿孔率和板厚分別設(shè)置為0.4 mm、0.01 mm和1 mm。并將的值固定為1 m。如圖10和圖11所示，分別給出了四種方案的計(jì)算結(jié)果。

圖10 方案1和方案2計(jì)算結(jié)果

圖11 方案3和方案4計(jì)算結(jié)果

在圖10中對(duì)方案1和方案2進(jìn)行了對(duì)比，從圖中可以看出，無(wú)論是方案1和方案2均可以改善空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失。兩種方案均使空調(diào)風(fēng)道傳遞損失谷值和峰值均得到了有效的提升，傳遞損失提高的最大值約為17 dB。方案1的傳遞損失在6.2～30.2 dB之間，方案2的傳遞損失在6.5～26.7 dB之間。在642～700 Hz、823～848 Hz和937～1000 Hz頻帶內(nèi)，方案1的傳遞損失曲線要明顯高于方案2。其它頻率區(qū)域，方案1和方案2的傳遞損失曲線走勢(shì)基本一致。

由此可見(jiàn)，采用微穿孔板錯(cuò)位排布的方案（方案1）的降噪效果要優(yōu)于微穿孔板同側(cè)排布的降噪方案（方案2）。

從圖11中可以看出，方案3和方案4的降噪措施也有效提高了空調(diào)風(fēng)道傳遞損失谷值和峰值，傳遞損失提升的最大值約為15 dB。方案3在373～398 Hz和812～844 Hz頻帶內(nèi)，傳遞損失要明顯高于方案4。但在其它頻帶內(nèi)，方案3和方案4的傳遞損失曲線基本一致。其中，方案3的傳遞損失在4.6～30.7 dB之間，方案4的傳遞損失在4.5～25.4 dB之間。

由此可得，采用微穿孔板L形錯(cuò)位排布的方案（方案3）的降噪效果要優(yōu)于微穿孔板L形同側(cè)排布的降噪方案（方案4）。通過(guò)以上分析可知，在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)合理的布置微穿孔板，可以提升列車空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失，達(dá)到降低空調(diào)噪聲的目的。

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究主要得出以下的結(jié)論：

（1）空調(diào)噪聲作為列車靜置時(shí)的主要噪聲源，當(dāng)空調(diào)噪聲過(guò)大時(shí)，會(huì)增大客室內(nèi)的噪聲，且空調(diào)噪聲能量主要集中在100～1000 Hz的頻帶內(nèi)。通過(guò)模型驗(yàn)證，證明了“壓力聲學(xué)，頻域”聲學(xué)有限元分析方法可用于計(jì)算空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失。

（2）在未安裝微穿孔板前，空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失在1.8～26.5 dB之間，而方案1、方案2、方案3、方案4的傳遞損失分別在6.2～30.2 dB、6.5～26.7 dB、4.6～30.7 dB和4.5～25.4 dB之間。四種方案均使空調(diào)風(fēng)道的傳遞損失得到提高。

（3）采用方案1和方案2均可改善空調(diào)風(fēng)道傳遞損失，并且有效提升了空調(diào)風(fēng)道傳遞損失的谷值和峰值，提升的最大差值約為17 dB，且方案1降噪效果要優(yōu)于方案2。方案3和方案4也有效提升了空調(diào)風(fēng)道傳遞損失的谷值和峰值，提升的最大差值約為15 dB，方案3的降噪效果要優(yōu)于方案4。由此可得，采用微穿孔板錯(cuò)位分布的方式降噪效果要優(yōu)于同側(cè)分布的方式。微穿孔板在列車空調(diào)風(fēng)道中的應(yīng)用研究，為降低空調(diào)噪聲提供了一種降噪途徑。

[1]張捷，肖新標(biāo)，王諦，等. 350 km/h 以上高速列車觀光區(qū)噪聲特性及其評(píng)價(jià)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：23-29.

[2]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風(fēng)道傳聲特性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（24）：129-137.

[3]孫艷紅，張捷，韓健，等. 高速列車風(fēng)道消聲器傳聲特性[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019（7）：1389-1397.

[4]張振威，蘇燕辰. 高速列車空調(diào)風(fēng)道的降噪[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（3）：354-360.

[5]展偉，劉巖，鐘志方，等. 地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)噪聲分布規(guī)律[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（5）：91-94.

[6]Maa D Y. Potential of microperforated panel absorber[J]. Journal of the Acoustical Society of America，1998，104（5）：2861-2866.

[7]Sakagami K，Matsutani K，Morimoto M. Sound absorption of a double-leaf micro-perforated panel with an air-back cavity and a rigid-back wall：Detailed analysis with a Helmholtz–Kirchhoff integral formulation[J]. Applied Acoustics，2010，71（5）：411-417.

[8]Lee D H，Kwon Y P. Estimation of the absorption performance of multiple layer perforated panel systems by transfer matrix method[J]. Journal of Sound & Vibration，2004，278（4-5）：847-860.

[9]吳飛，黃威，陳文淵，等. 基于微孔板與折曲通道的亞波長(zhǎng)寬帶吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 物理學(xué)報(bào)，2020，69（13）：22-28.

[10]李清，張肅，龔純，等. 微穿孔板的設(shè)計(jì)方法及其在煙機(jī)上的應(yīng)用[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2020，40（1）：219-222.

[11]賈興仕，李勇，張洪軍. 微穿孔板在抽油煙機(jī)噪聲控制中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，31（1）：57-64.

[12]The International Organization for Standardization. ISO 3381-2011.Railway applications-Acoustics Measurement of noise inside railbound vehicles[S]. Switzerland: ISO Copyright Office, 2011.

[13]T. Elnady. Modelling and Characterization of Perforates in Lined Ducts and Mufflers, doctoral dissertation[D]. Department Aeronautical and Vehicle Engineering，Royal Institute of Technology，Stockholm，2004.

Application of Micro-Perforated Plate in Train Air-Conditioning Duct

PENG Jian，XIAO Xinbiao，LI Chengcheng，F(xiàn)U Chenchen，XU Tianxiao

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The characteristics of air conditioning noise are analyzed based on test data. It is found that the air conditioning noise energy is mainly concentrated in the frequency band of 100～1000 Hz and the air conditioning noise level will directly affect the noise level in passenger compartment. In order to calculate the transfer loss of air duct, a simple structure is used to verify the simulation calculation method. The results show that the "pressure acoustics, frequency domain" interface can be used to calculate the transfer loss of air duct. In order to ensure that the micro-perforated panels are effectively arranged and the normal air flow is not affected, four schemes are designed to arrange micro-perforated panels in the air-conditioning duct. The four schemes can effectively improve the valley value and peak value of air duct transfer loss. All the four schemes can improve the noise reduction effect of air duct, among which scheme 1 is better than scheme 2, and scheme 3 is better than scheme 4. The noise reduction effect of dislocation distribution of micro-perforated plate is better than that of ipsilateral distribution. The application of micro-perforated plate in air duct provides an effective way to reduce the noise of train air conditioning.

air conditioning noise；transfer loss；microperforated plate；the acoustic pressure

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.005

1006-0316 (2022) 08-0024-06

2022-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1934203，52002257）；牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（TPL2205）

彭健（1995－），男，云南麗江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v減振降噪，E-mail：3332320870@qq.com。*通訊作者：肖新標(biāo)（1978－），男，四川成都人，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)殍F路車輛減振降噪，E-mail：xinbiaoxiao@163.com。