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在上一篇文章《声障板的设计准则 – 传统分路衰减器》中，我们介绍了传统的分路衰减器的设计准则。对于这种传统的消音器，一个显著的问题在于它的传输损失过低。如果需要增加这类消音器的隔音特性，那就需要增加它的长度。对于一般的机器而言，这往往是很难实现的，因为进气和出气的通道长度往往是很有限的。这就直接导致了在很多情况下，风扇的噪声往往占到了机器总体噪声的50% 以上。为了提高消音器的效果，可以使用迷宫式的消音器 (Labyrinth baffles)。迷宫式消音器的特点是，它可以提供比较高的吸声性能，但与此同时，它也会对风扇产生更高的压降。所以，在设计这类消音器时，一般也推荐同时进行CFD（计算流体力学）仿真，来保证吸音和风扇性能都能达到标准。不过，这已经超出了本文的范围，有兴趣的读者可以阅读如下的论文1。
对于迷宫型消音器（如上图所示），在低频时，将会存在一系列的空气气体体积突变（上图红色阴影处所示）。这些体积突变将导致声阻抗不匹配（impedance mismatch），这会导致噪声波的反射（reflective wave）。当这些噪音的反射波与入射波（incidence noise wave）互相干涉时，在特定的频率下，破坏性的干涉（destructive interference）可能会形成，声能将集中在进气箱，因此，较少的声能会传播到进气格栅上。在更高的频率时，声障板模块可以反射相当大的一部分声波，并在不同的模块之间形成混响场。额外的吸音泡棉可以用来减少混响噪音的声压，从而减少传输到进气格栅的声能。 首先，我们来比较这类迷宫式消音器与传统的分路衰减器的隔音特性曲线。为了进行对比，我们使用完全相同的声障板模块。
图例中的“效应器”应为“消音器” 我们可以看到，迷宫式消音器的传输损耗（或传递损失）平均比分路衰减器高10-15 dB。同样有趣的是，在大约980Hz处存在一个传输损失峰值。在下图中，我们显示了进气箱内980 Hz的压力分布，从图中可以看出，声障板模块正好位于驻波模态的反节点处。因此，更多的声能将被吸音泡棉吸收。
接下来，我们研究迷宫式消音器中几何参数对于隔音效果的影响。在这里，我们研究的几何参数包括声障板模块之间的间隙和模块的数量。下图显示了使用的各种不同的迷宫式消音器的不同构型。
首先，我们将会评估两块声障板模块之间的间隙对于隔音性能的影响。
可以看到，在中高频率时，最低的传递损失对于所有的三种配置来说都是差不多（在18 dB左右）。在这些频率中，这三种结构的唯一区别是衰减峰值所出现的频率。对于这三种构型，在进气室通道内压力分布如图下所示，
我们可以看出，当声障板模块位于高阶驻波模态的压力场的反节点时，会出现最大衰减。在这种情况下，声能耗散达到了最大值。这就造成了，对于这三种不同的构型，最大的声能耗散的峰值出现在不同的频率。不幸的是，由于三维效应，驻波模态不容易预测，因此，有限元方法是预测这类迷宫式消音器性能的最简单有效的方法。 当使用两个声障板模块时，噪声辐射的直接传播路径（direct line of sight）仍然可以被辐射。为了阻断声波的直接路径，需要增加第三个声障板模块。这一块隔板需要足够高，这样才能阻挡连接进气格栅底部和第二块挡板顶部的延伸线（见下图）。
另一个选择是使用模块化的统一叶片设计（如设计（e）所示）。下图显示了这三种构型的传递损失的比较。
当在这个迷宫式消音器中使用三个声障板模块时，消音器的传输损耗会增加。当额外的声障板不够高时，中高频的性能变化不大，因为一些驻波仍然可以传播到最左边的叶片上。然而，在低频时，平面波的传播（plane wave）将会被阻挡。因此，噪声辐射要低得多。在高频时，墙体的噪声主要是由混响噪声所主导。当额外的声障板足够高时，额外的吸音泡棉作用可以更好地转化噪声的能量为热能，所以我们可以看到更高的传递损失。 在工业领域，由于节约成本和安全原因，人们总是要求使用更简单的噪声吸收策略。因此，我们也研究了使用单个声障板模块的可能性。下图中，显示了设计A，F和G的传输损耗比较。
如上图所示，如果进气格栅没有完全地被声障板模块所挡住，这个模块就会失去其有效性。随着进气格栅尺寸的减小，所有的噪声的直接传递路径都被阻断。单个声障板模块的传输损耗可以类似于两个模块的配置。此外，大部分的能量吸收是由吸音泡棉所引起，而与进气格栅的大小相对无关，因为当进气格栅关闭40%时，传输损失并没有显著的提高。 综上所述，与分路式衰减器相比，迷宫式消音器可以提供相对较高的声音衰减。在低频时，降噪是由噪音的直接传播路径被阻挡所引起的。在中高频率下，当声障板模块位于高阶驻波模态的反节点时，将实现最高的衰减。虽然迷宫式消音器可以提供非常有效的噪音衰减水平。然而，它造成的风扇的压降相当高。为了提供足够的冷却气流，风扇的旋转速度也需要相应增高。因此，对于风扇的噪音衰减可能是极为有限的。为了克服这个问题，在下一篇文章中，我们会给出几个具有复杂几何形状的吸音器。对于这些消音器，一个最重要的目的就是更好地引导气流，从而减低风扇系统的压降。 参考文献： [1] Chmielewski B, Herrero-Durá I, Nieradka P. Pressure Loss in Ducts by Dissipative Splitter Silencers: Comparative Study of Standardized, Numerical and Experimental Results[J]. Applied Sciences, 2021, 11(22): 10998. Al-Atabi M, Al-Zuhair S, Chin S B, et al. Pressure Drop in Laminar and Turbulent Flows in Circular Pipe with Baffles− An Experimental and Analytical Study[J]. International journal of fluid mechanics research, 2006, 33(4). 作者简介  |
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