吸油烟机在国标及用户体验下的噪声差异分析

黄 朴，肖林辉，乌胜斌

（广东中山百得厨卫有限公司，广东中山528478）

在国家标准《GB/T 17713－2011 吸油烟机》中采用全球包络法对吸油烟机噪声进行测定。按国标规定，测定吸油烟机噪声时不外接烟管，4个噪声测试点A、B、C、D 分别处于比被测吸油烟机风机叶轮中心低1 m的水平平面与球表面相交形成的周围上均布的4 个位置。而在用户体验条件下，吸油烟机需通过弯曲的烟管连接公共烟道，往往在出口处形成了背压，对噪声有较大影响。另外，在用户体验条件下，噪声测试点应为在实际烹饪情况下人耳所处的位置，与国标噪声测试点有所不同。综上，吸油烟机在国标与用户体验下的噪声有很大的差异性[1]。

Actran 是比利时FFT（Free Field Technologies）公司开发的噪声分析软件[2]，其中Aero-Acoustic 是预测湍流噪声的声学模块，多应用于航空、汽车、船舶行业的气动噪声计算。白长安等[3]采用CFD软件与Actran结合的方法，对汽车风噪声进行了计算，并分析了声壁面脉动压力和湍流壁面脉动压力对车内驾驶员人耳处的贡献率。张咏鸥等[4]利用Actran 基于Lighthill声类比理论对船舰管路系统中阀门水动力流噪声进行了求解，与实际测量值误差仅3 %。文中基于瞬态CFD 与Actran 联合方法对吸油烟机在国标和用户体验两种情况下的噪声进行了模拟研究，并与实际测量结果进行了对比，分析了其差异性。

1 数学建模

1.1 气动噪声方程

风机气动噪声主要由两类噪声构成，分别为叶片倍频噪声（由于叶片周期性转动所导致在特定基频与倍频处的噪声）和涡流噪声（由于湍流产生的宽频噪声，在整个频率区间无非常明显的起伏）[5]。Lighthill声类比方法对于马赫数低于0.3的气流噪声有很好预测性，依据高斯定理将离心风机中紊乱体声源项积分得到面声源项，将面上的声源波动作为风机的声源项，从而进行气动噪声的传播计算，高斯方程[6]如下：

式中：Fi为向量场，xi为点坐标，ni为曲面通量，方程左侧为封闭空间里的声源体积分项，方程右侧为封闭空间曲面的声源面积分项。基于瞬态CFD 的计算结果，在Actran 中提取流场声源后以体声源和面声源的方法计算风机的气动噪声，其计算理论方程如下：

式中：N为向量场，xi为点坐标，ni为曲面通量，ρ为气体密度，c0为声速，ω为通量密度，Tij为Lighthill应力张量，方程左侧为声音波动算子项，方程右侧为基于流场数据提取的面声源项和体声源项。

1.2 仿真计算模型

在Actran中计算旋转机械类噪声有3种方法：

（1）解析声源法：对于大型旋转机械，如果划分网格进行流体计算，计算量会很大，这时往往会采用解析生源法，采用Rotor Noise直接算叶片倍频噪声。

（2）CFD稳态法[7]：通过提取稳态CFD流场数据计算叶片倍频噪声，相比于解析声源法有更高的精度。

（3）CFD瞬态法[8]：通过提取周期性瞬态CFD流场数据计算叶片倍频噪声和涡流噪声，相比于以上两种方法有更高的精度，但是计算量较大。

本文采用第3种瞬态CFD方法计算欧式吸油烟机在国标和用户体验下的气动噪声，将吸油烟机三维模型简化后，得到最终的仿真模型如图1所示。

图1 仿真模型

将三维模型划分网格后导入FLUENT中进行瞬态流场计算[9]。首先采用RNGk-ε湍流模型结合SIMPLEC速度-压力算法求解离心风机内部稳态流场，待其收敛后，基于稳态流场采用大涡模拟LES（Large Eddy Simulation）进行瞬态计算[10]，待其监测点静压呈现周期性变化后，以Ensight Gold中间格式输出瞬态流场的速度项和密度项，以便导入Actran进行噪声计算。在Actran 中，通过ICFD Analysis 提取瞬态流场噪声源，并将噪声时域信息转换为频域信息，基于其结果通过直接频谱分析DFR（Direct Frequency Response）计算远场噪声传播[11]。以吸油烟机风轮中心为坐标原点，在国标下噪声监测点坐标分别为A(1,1,0)、B(0,1,1)、C(-1,1,0)、D(0,1,-1)，在用户体验下取身高1.6 m 的家庭主妇人耳所在处为噪声监测点，其坐标分别为a(1,0.1,0)、b(0,0.1,1)、c(-1,0.1,0)、d(0,0.1,-1)。因吸油烟机采用交流电机，其转速随着外部背压的变动而有所波动，为使模拟设置更加贴近实际情况，对电机转速、风量及最大静压进行了实验，转速、风量及最大静压曲线图如图2所示。

图2 转速、风量及最大静压曲线图

当背压为0时为国标情况，此时风轮转速为790 r/min。在实际用户条件下接烟管后对烟机进行了风量测试，此时风量相比于国标情况减少了1 m3/min，对应图2可知此时电机转速约为820 r/min。在模拟过程中将国标和用户体验下实际测量的电机转速设为参数以减少误差。

2 数值分析

2.1 流场分析

基于CFD-POST对吸油烟机在国标及用户体验条件下内部流场进行了分析，吸油烟机子午面的速度云图如图3所示。

图3 子午面速度云图

从图3可以看到，在国标情况下，吸油烟机未接烟管而气流直接吹向大气，据伯努利原理，流体流动管道面积突然扩大到无限大，流体与壁面分离并形成漩涡，必然产生局部的流动能量损失，且在烟机出口处形成紊乱的气流区。在用户体验的情况下，吸油烟机出口处有一定的背压存在，导致机转速也有所提升，所以吸油烟机内部气流相对紊乱，其最大气流速度达到24.25 m/s，相比国标增大了8%。但是，外接烟管的导流作用使气流的紊乱区远离烟机，这也是在用户体验情况下，虽然其转速上升但噪声体验却会更好的原因之一，烟机气流流线图如图4所示。

图4 气流流线图

2.2 噪声场分析

采用Actran VI 模块进行瞬态流场噪声源的提取和声传播的计算，以lighthill surface 及lighthill volume设置噪声源。将风轮转动区域体积噪声积分到风轮与风柜的交界面作为面生源，将风柜区域作为体声源[12]，计算得到吸油烟机表面的声压云图如图5所示。

从图5可以看出，在国标和用户体验条件下，吸油烟机内部的声压级分布基本一致，最大声压级区域主要分布在风轮和风柜处，可知离心风机为吸油烟机的主要噪声源，用户体验条件下烟机内部最大声压值为77.3 dB，比国标条件下高出2.4 dB。在Actran PLT 模块中对所监测的噪声点进行分析，声压1/3倍频图如图6所示。

图5 声压云图

从图6 可以看出，吸油烟机噪声主要集中在中频500 Hz～1 500 Hz之间，低频区间噪声较小，高频区间噪声较为稳定，针对吸油烟机在特定频率下噪声较大的现象，可通过被动消声降低特定频率下的噪声。用户体验条件下各频率区间的噪声值都要小于国标条件下的噪声值，噪声模拟数值表如表1所示。

图6 声压1/3倍频图

表1 噪声模拟数值表/dB

从表1 可以看出，用户体验下各监测点噪声比国标下噪声平均低2.1 dB，其一是因为外接烟管的导流作用使气流紊乱区远离了噪声监测点，其二是因为欧式烟机特定的结构使噪声由油网向下传播，而用户体验噪声监测点不在噪声的传播核心区，从而使噪声相对较低[13]。

3 噪声测试及比较分析

为验证模拟结果的可靠性，对吸油烟机进行了噪声的实际测量。设备采用AWA6290L型多通道信号分析仪，采用GB/T6882－2008消声室和半消声室精密法能达到1 级准确度。AWA14423 型测试传感器放置位置与模拟过程中设置的噪声监测点一致，噪声测试图如图7所示。

图7 噪声测试图

将噪声监测点A/a实际测量频谱图与模拟计算频谱图进行对比，得到声压频谱图对比如图8所示。从图8可以看出，两个噪声监测点A/a模拟计算频谱图和实际测量频谱图趋势基本吻合。模拟噪声频谱图声压上下幅值的跳动更加明显，实际噪声频谱图声压上下幅值的跳动相对平稳，主要原因是在瞬态模拟过程中采用的LES大涡模拟精确求解了某个尺度上所有湍流尺度的运动，从而捕捉到RANS（Reynolds-average navier-stokes）方法无法求出的许多非稳态、非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构。将模拟计算噪声值与实际测量噪声值进行对比，噪声模拟与实际数值表如表2所示。

图8 声压频谱图对比

从表2 可以看出，噪声实际值比模拟值普遍要高出2 dB～4 dB，但是误差均在10%以内。用户体验下噪声模拟值比国标下噪声模拟值平均要低2.1 dB，用户体验下噪声实际值比国标下噪声实际值平均要低1.28 dB，噪声模拟值在国标和用户体验两种条件下的变化趋势与噪声实际值的变化趋势趋同，从而进一步验证了噪声模拟计算方法的正确性。

表2 噪声模拟与实际数值表/dB

4 结语

本文基于声学仿真软件Actran对吸油烟机在国标和用户体验两种不同条件下的噪声进行了模拟研究，并与实际测量的数据和频谱进行了对比，探究了在国标和用户体验条件下吸油烟机的噪声差异，为家电行业制定吸油烟机的噪声评判标准提供了新参考，主要结论如下：

（1）基于瞬态CFD+Actran 的声学模拟方法对吸油烟机噪声有很好的预测能力，模拟值和实际值噪声频谱趋势一致且数值误差保持在10%以内。

（2）吸油烟机噪声主要来源于风轮风柜，用户体验条件下吸油烟机内部声压比国标条件下高2.4 dB，噪声最大值稳定在频率500 Hz～1 500 Hz之间，属于中频噪声。

（3）由于受到欧式吸油烟机的特定结构以及用户体验下的特定工况影响，用户体验条件下噪声数值比在国标条件下平均低2.1 dB。