真空泵复合消声器设计与声学性能仿真

赵 博，李 鹤，苏前跃

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

1 引言

在实际生产中，由于大功率真空泵的噪声非常大，且噪声传播远、衰减慢、声音低沉，使人难以忍受，因此对真空泵进行降噪处理显得十分重要。排气噪声是真空泵产品的一项重要性能评价指标，过高的噪声不仅会对机械本身造成损伤，同时也会对操作者的生命健康产生危害。在排气口加装排气消声器是目前最有效，也是应用最广泛的降噪措施之一。

文献［1］对车用鼓风机的噪声特性进行了测试和分析，并根据消声器的噪声特性，提出了一种可调节传递损失的多室微穿孔消声器。文献［2］采用平面波法对一台升压燃式发动机配套消声器进行了分析，结果表明平面波模型在分析紧凑型混合消声器的声学性能时具有良好的效果。文献［3］利用LMS中的虚拟实验室建立了消声器仿真模型，根据传递损失进行了仿真和评估，并通过与文献中实验数据的比较验证了模型的正确性。文献［4］针对某型号电动空压机进气系统进行了噪声分析，并通过有限元法完成了消声器的结构设计与声学性能分析。文献［5］通过数值仿真分析对不同进气速度下的扩张管的压力损失进行了对比，得到了抗性消声器单元压力损失的影响规律。

阻抗复合消声器是根据膨胀消声器和阻抗谐振消声器的原理，将阻性消声器和阻性消声器结合起来的一种复合消声器。现场测试采用B&K数据采集分析系统对某新型干式真空泵现场噪声数据进行采集分析，利用SOLIDWORK 三维软件进行三维建模，使用LMS Virtual.Lab 软件的Acoustics 模块进行了声学有限元计算和消声器性能仿真实验，为干式真空泵复合消声器的设计与实际生产提供了数据与理论基础。

2 噪声测试与数据分析

2.1 测试设备

根据室内测试规范，在真空泵稳定运行状态下对真空泵进行测试，并对真空泵的噪声进行测量并记录，以确定消声器需要的传递损失大小和频率特性。测试需要的工具，如表1所示。

表1 测试设备Tab.1 Test Equipment

2.2 测点位置

测点的位置由被测设备的外形尺寸确定，本次测试收音麦克风布置在与排风口轴线45°方向上，距管口中心1m处，测量高度为距地面1m处，现场测试情况，如图1所示。

图1 噪声测试现场Fig.1 Noise Test Site

2.3 真空泵噪声测试

根据现场测试数据，分别取1800型与3000型干式真空泵噪声原始数据的FFT和CPB的形式进行分析，得到的分析结果，如图2～图5所示。

图2 1800型真空泵噪声FFT图Fig.2 FFT of 1800 Vacuum Pump Noise

图3 1800型真空泵噪声CPB图Fig.3 CPB of 1800 Vacuum Pump Noise

图4 3000型噪声FFT图Fig.4 FFT of 3000 Vacuum Pump Noise

图5 3000型噪声CPB图Fig.5 CPB of 3000 Vacuum Pump Noise

两型号真空泵的噪声总值及主要频率，如表2所示。

表2 噪声总值及主要频率表Tab.2 Noise Value and Main Frequency Table

从以上的倍频程表中看出，上述新型号干式真空泵的噪声频段主要集中在（500～1000）Hz，以中高频噪声为主。

2.4 背景噪声及修正

背景噪声会影响实际测量的声级，因此测量结果应根据不同大小的背景噪声进行校正［6］。正式测量前，应单独检测背景噪声，并与被测源的噪声进行比较，对噪声值进行修正，以获得被测源噪声的合理声级，如有3所示。

表3 背景噪声修正值表Tab.3 Background Noise Correction Value

根据现场测试，分别取背景噪声的FFT和CPB的形式进行分析，得到测试结果，如图6、图7所示。

图6 背景噪声FFT图Fig.6 FFT of Background Noise

图7 背景噪声CPB图Fig.7 CPB of Background Noise

通过分析测试结果得知，测试现场背景环境噪声值为63.3dB，与真空泵工作噪声相差超过30dB，这时的噪声修正值在0.5dB以下，对噪声总值大小的影响很小，通常我们会认为该测量值就是该点的实际值。

3 扩张式消声器选型设计

从现场测试结果来看，目标型号真空泵产生的噪声频带较宽，涉及到低中高频领域，所以单一结构的消声器并不能对其起到良好的消声效果，而阻抗复合消声器对低中高频范围内的噪声都有很好的消除作用，所以阻抗复合式消声结构比较符合本次设计的要求［7］。罗茨真空泵的噪声以中低频为主，在（500～1000）Hz最为突出，消声频带宽，所以可采用扩张式消声器与阻性消声器合成的阻抗复合式消声器。

根据企业的需求与实际情况，确定目标消声量为25dB，选择带内插管的扩张消声器为主体辅以阻性吸声材料，选定进气口/出气口/内插管直径为40mm，扩张腔直径为200mm，因此扩张比为5，根据扩张式消声器传递损失公式可知，单节扩张腔消声量不能达到设计要求，因此采用三段不同长度扩张室串联的方式设计，以满足要求。

传递损失计算公式：

式中：TL—抗性消声量，dB；l—扩张室长度，m；k—波数；m—扩张比。

由上述公式可知，消声量的值与sin(kl)的值有关，而sin(kl)是周期变化的，因此单节消声器的消声量也随频率周期性变化。

当sin2kl=1时，最大消声量为：

相应的最大消声频率为：

式中：c—声速，m/s；

由此可得，一节消声器扩张室的长度为：

扩张室上限截止频率：

式中：D—扩张室直径，m。

结合第一节中的噪声频谱可得真空泵的噪声峰值频率分别为500Hz，800Hz，1000Hz，为了重点消除目标真空泵峰值频率及周围出现的强噪声，可针对性的设计消声器扩张腔结构及长度，使通过频率相互叉开，这种设计方式不仅可以改善消声器的频率特性，还能提高总的消声量。根据式（4）可以得到消声器的三个扩张室分别长：170mm，106mm，85mm。

由于单一抗性消声器的通过频率较多，而这些通过频率会影响消声器的消声效果，因此在工程应用中，常采用带内插管的多段扩张室串联的方法来消除通过频率［8］。

4 阻性消声设计

为了降低目标真空泵产生的高频噪声，改善消声器的高频消声效果，采用在以上设计的消声结构扩张腔内铺设吸声材料的方式进行吸声降噪［9］。复合消声器的吸声材料选超细玻璃棉。

阻性消声器消声量计算公式如下：

式中：ΔL—阻性消声量，dB；P—消声器气流通道截面周长，m；L—消声器气流通道有效长度（填充有吸声材料的部分），m；S—消声器气流通道截面面积，m2；φ(α0) —与材料吸声系数α0有关的消声系数。

吸声层厚度设置为20mm，填充密度为25kg/m3，根据气流速度，吸声层面采用的是一层玻璃布加一层穿孔板。根据式（6）可得吸声材料总的降噪值为15dB。

消声器截面积过大会出现高频失效现象，消声量明显开始下降的频率称为上限失效频率，其计算公式如下：

式中：c—声速，m/s；D—消声器管道直径，m。

经计算高频失效频率为5241Hz，已超出噪声的主要频段，故不影响消声器的消声效果。

5 复合消声器结构参数

综合前文的内容，可得复合消声器结构参数表与复合式消声器尺寸图，如图4所示。

图8 复合式消声器图Fig.8 Composite Muffler Diagram

6 复合消声器声学性能分析

根据表4中的复合消声器的设计尺寸及式（1）～式（8）我们可以理论计算出消声器各主要性能参数，如表5所示。

表4 复合消声器结构参数表Tab.4 Structural Parameters of Composite Muffler

表5 复合消声器性能参数表Tab.5 Performance Parameters of Composite Muffler

通过与前文所给出的设计需求相比较，设计消声器经理论计算得出的各项性能均符合设计要求，接下来通过LMS Virtual.Lab Acoustics 软件进行有限元仿真进一步分析设计消声器的消声水平。

LMS Virtual.Lab Acoustics软件是一款专门进行噪声分析的CAE 软件，利用LMS Virtual.Lab Acoustics 软件可以对相关的设备进行噪声仿真分析，得到相应的噪声数据，为产品的优化降噪提供依据，为设计开发者提供相应的技术支持［10］。设计采用SOLIDWORK三维软件进行三维建模，使用LMS Virtual.Lab软件的Acoustics 模块进行了网格划分和声学有限元计算［11］，网格划分模型，如图9所示。

图9 消声器网格划分模型图Fig.9 Muffler Mesh Model

在LMS Virtual.Lab Acoustics 软件中分析消声器的传递损失，首先在入口施加平面波激励，在出口定义无反射边界条件，最终计算出、入口的声功率进而求得传递损失。由于传递损失是消声器本身具有的特性，因此常用作评价标准。

消声器的传递损失计算表达式如下：

求解频率范围设置为（50～2000）Hz，求解步长为10Hz，得到的求解结果，其中，1000Hz 消声器声场分布云图，如图10所示。据此可以得到复合消声器出口及入口处声压曲线和复合消声器传递损失曲线，如图11、图12 所示。通过与前文的真空泵噪声图谱对比可以看出，该消声器在真空泵噪声的主要频段800Hz、1000Hz、1200Hz 等处的消声效果都很好，可以满足设计需求。

图10 消声器1000Hz声场分布云图Fig.10 Sound Field Distribution Nephogram of Muffler at 1000Hz

图11 消声器出口及入口处声压级频率响应函数曲线图Fig.11 Frequency Response Function Curve of Sound Pressure Level at Outlet and Inlet of Muffler

图12 消声器传递损失曲线图Fig.12 Transmission Loss Curve of Muffler

7 结论

消声器是目前工业上解决机械排气噪声问题的主要手段之一。因为不同的机械设备所产生噪声的特性不是一样的，所以消声器应该针对每一款不同的设备进行单独设计。文章针对某新型真空泵进行噪声测试，设计了一款阻抗负荷消声器，并对消声器的声学性能和算法进行研究。通过LMS Virtual.Lab Acoustics软件对该消声器的效果进行计算与评价。从复合消声器传递损失曲线可以看出，该消声器在频率为800Hz、1000Hz、1200Hz 处的消声效果非常好，仿真结果表明该消声器的设计可以满足企业对目标干式真空泵的消声降噪要求，为下一步应进行样品生产以及更进一步的实物检测奠定了基础。