微穿孔板在列车空调风道中的应用研究

彭健，肖新标，李承城，付辰辰，许天啸

微穿孔板在列车空调风道中的应用研究

彭健，肖新标*，李承城，付辰辰，许天啸

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

根据测试数据对空调噪声特点进行了分析，研究发现空调噪声能量主要集中在100～1000 Hz的频带内，且空调噪声的大小会直接影响客室内噪声的大小。为了计算空调风道的传递损失，采用简单结构对仿真计算方法进行了验证，仿真结果证明采用“压力声学，频域”接口可以用于计算空调风道的传递损失。为了保证在空调风道内有效的布置微穿孔板，且不影响空调风道内正常的空气流量，文中设计了四种将微穿孔板排布于空调风道内的方案，均可以有效地提升空调风道传递损失的谷值和峰值。四种方案均提升了空调风道的降噪效果，其中方案1降噪效果优于方案2，方案3优于方案4。采用微穿孔板错位分布的方式降噪效果要优于同侧分布的方式。通过对微穿孔板在空调风道内的应用研究，为降低列车空调噪声提供了一种有效的途径。

空调噪声；传递损失；微穿孔板；压力声学

空调噪声作为列车静置时的主要噪声源，当空调噪声过大就会出现噪声超标的现象。张捷[1]对高速列车噪声进行了实验测试分析，从测试的结果来看空调噪声也是影响客室内噪声的关键因素。孙艳红[2-3]对高速列车风道传声特性和风道消声器传声特性进行了分析，并通过调整吸声包的关键参数等对空调风道进行了优化设计。张振威[4]通过在空调风道壁上粘贴多孔吸声材料的方式，降低了列车空调风道噪声，从吸声材料对空调风道降噪的效果来看，多孔材料在中低频范围内的降噪效果有限。展伟[5]对某列车在静置状态下开启和关闭空调测得的车内噪声声压级总值进行了分析，发现开启空调后使客室内声压级增加了40 dB。因此，针对于地铁和市域车等低速运营列车，研究其空调风道的低噪声优化方案是十分重要的。马大猷[6]认识到，如果将微穿孔板的孔隙尺寸调整到亚毫米级（传统为毫米级），微穿孔板可以在中低频范围内有比较好的宽频吸声性能。研究表明，两层和多层串联的微穿孔板吸声器可获得更宽的吸声带宽，微穿孔板吸声器是一种较好的亚波长吸收结构[7-8]。吴飞等[9]基于微孔板结构，设计了一种折曲通道的亚波长宽带吸声结构，实现微穿孔板在复杂结构中的应用。李清等[10]和贾兴仕等[11]将微穿孔板用于油烟机的噪声控制中，实现对油烟机噪声的有效控制。

本文中针对空调噪声显著的问题，通过研究微穿孔板在空调风道内的应用方式，利用微穿孔板的宽频吸声性能来实现对列车空调风道噪声的抑制。

1 空调噪声特性

在空调中使用微穿孔板前，需要对列车空调噪声特性进行分析，以确保微穿孔板在空调风道内实现对空调显著频段噪声的吸收。按照ISO 3381-2011[12]，分别在车体纵向中心线上方距离地板面1.6 m高度处的列车客室前、前空调机组、列车客室中、后空调机组和列车客室后这5个地方布置声学评价点。表1给出了列车在空调全开和全关状态时的声压总值。从表中可以看出，空调打开后，声压总值增加了23.5～27.6 dB，空调开启后客室内噪声明显提高。且前空调机组和后空调机组声压总值的差值要明显大于客室前、中、后三个位置。图1中给出了空调全开状态时客室内噪声的1/3倍频程谱图，可以看出，在空调全开状态下，空调噪声能量主要集中在中心频率为100～1000 Hz的频带内，且前空调机组和后空调机组的声压级整体高于客室前中后三个位置。由此可见，空调噪声是影响列车静置状态下客室内噪声大小的主要噪声源，且100～1000 Hz范围内的空调噪声的主要噪声频段。因此，本文使用微穿孔板对100～1000 Hz范围的空调噪声进行控制。

表1 某列车车内噪声声压总值

2 列车空调风道模型与方法验证

2.1 列车空调风道模型的建立

列车客室内空调噪声传播路径为“声源－进风口－空调风道－出风口－客室”，其中空调风道对空调噪声降噪的效果会直接影响客室内噪声的大小。因此计算并分析空调风道的传递损失，是降低空调噪声的关键。首先，COMSOL Multiphysics软件的“压力声学，频域”接口建立空调风道声学有限元模型，空调风道声学模型如图2所示。空调风道外部尺寸大小为：长19 m，宽0.8 m，高0.17 m。

图1 空调全开状态时噪声的1/3倍频程谱图

图2 列车空调风道模型

接下来，在“压力声学，频域”接口对列车空调风道的传递损失进行求解。模型求解过程中使用的方程为修正的Helmholtz方程，其表达式为：

将列车空调风道的所有外边界使用硬声场边界（也称刚性壁），即忽略声波与壁面之间的粘滞损耗和热损耗对声波能量的影响，满足：

式中：为向量。

在空调风道入口处，会同时存在入射平面波与出射平面波的叠加，需要满足条件：

在空调风道出口处，仅受出射波的影响，所以设置的出射平面波满足：

因此，空调风道的传递损失为：

2.2 传递损失计算与验证

在空调风道声学有限元模型的进风口处添加压力幅值为1 Pa的入射声压，对列车空调风道的传递损失进行计算。图3中给出了仿真得到的频率为1000 Hz内的空调风道传递损失。

从图中可以看出，空调风道的传递损失在1.8～26.5 dB之间，且存在多个传递损失谷值。要降低空调噪声，则需要提高空调风道的传递损失，特别是传递损失谷值区域。

为了验证声学有限分析方法计算的正确性，使用参考文献[13]中的模型，使用“压力声学，频域”对文献中的模型进行了仿真计算。文献中的模型如图4所示，传递损失仿真结果与实验结果如图5所示。从图5中所示的仿真结果与实验结果可看出，通过“压力声学，频域”计算得到的结果与实验结果的传递损失曲线走势一致，仅在170～290 Hz频段内有一定的差异。综上分析，可认为采用“压力声学，频域”接口计算列车空调风道的传递损失是准确的。

图3 列车空调风道的传输损失

图4 消声器模型[13]

图5 仿真结果与实验结果比较

3 微穿孔板在空调风道中的应用

3.1 微穿孔板的布置方式研究

列车空调风道是列车空调系统中的重要组成部件，在空调风道内利用微穿孔板对空调噪声进行控制时，因微穿孔板上的穿孔直径小于1 mm，将整块微穿孔板直接安置在空调风道内，会相应的增加风道送风的阻力，进而影响空调风道内的空气流量。因此，需要研究微穿孔板在空调风道内的布置方式，使空调风道在保证有足够送风能力的同时，实现提高空调风道传递损失的目的。受到以上所分析条件的限制，下面将研究微穿孔板在空调风道内的应用方式，进而实现对空调噪声的抑制。

图6、图7分别给出了2种微穿孔板在空调风道内的布置方案，将两种布置方式设置为对比项。第一种应用方案，将微穿孔板错位排布在空调风道内，相邻微穿孔板之间的距离为，如图6（a）所示。图6（b）所示为在空调风道声学有限元模型中设置微穿孔板的三维图，在空调风道内共设置了19块微穿孔板。图7所示为微穿孔板的第二种应用方案，即将微穿孔板排布在同侧空调风道内，相邻微穿孔板之间的距离为，在空调风道内共设置了19块微穿孔板。

图6 方案1：微穿孔板错位分布

图7 方案2：微穿孔板同侧分布

图8（a）为第三种布置方案，将L形微穿孔板错位排布在空调风道内，相邻微穿孔板之间的距离为2。如图8（b）所示在空调风道内共设置了6块L形微穿孔板。如图9（a）所示为第四种方案，即将L形微穿孔板排布在同侧空调风道内，相邻微穿孔板之间的距离为2。如图9（b）所示在空调风道内共设置了6块L形微穿孔板。

图8 方案3：L形微穿孔板错位分布

3.2 应用方案对传递损失的影响

在不影响空调风道正常工作的情况下，本文中研究了四种将微穿孔板应用于空调风道中的方案。为了进一步比较各方案之间的降噪效果，将对四种方案的传递损失的传递损失进行计算。微穿孔板的宽频吸声特性与穿孔孔径、穿孔率和板厚均有关。在仿真计算中将微穿孔板的穿孔孔径、穿孔率和板厚分别设置为0.4 mm、0.01 mm和1 mm。并将的值固定为1 m。如图10和图11所示，分别给出了四种方案的计算结果。

图10 方案1和方案2计算结果

图11 方案3和方案4计算结果

在图10中对方案1和方案2进行了对比，从图中可以看出，无论是方案1和方案2均可以改善空调风道的传递损失。两种方案均使空调风道传递损失谷值和峰值均得到了有效的提升，传递损失提高的最大值约为17 dB。方案1的传递损失在6.2～30.2 dB之间，方案2的传递损失在6.5～26.7 dB之间。在642～700 Hz、823～848 Hz和937～1000 Hz频带内，方案1的传递损失曲线要明显高于方案2。其它频率区域，方案1和方案2的传递损失曲线走势基本一致。

由此可见，采用微穿孔板错位排布的方案（方案1）的降噪效果要优于微穿孔板同侧排布的降噪方案（方案2）。

从图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调风道传递损失谷值和峰值，传递损失提升的最大值约为15 dB。方案3在373～398 Hz和812～844 Hz频带内，传递损失要明显高于方案4。但在其它频带内，方案3和方案4的传递损失曲线基本一致。其中，方案3的传递损失在4.6～30.7 dB之间，方案4的传递损失在4.5～25.4 dB之间。

由此可得，采用微穿孔板L形错位排布的方案（方案3）的降噪效果要优于微穿孔板L形同侧排布的降噪方案（方案4）。通过以上分析可知，在空调风道内合理的布置微穿孔板，可以提升列车空调风道的传递损失，达到降低空调噪声的目的。

4 结论

通过本文的研究主要得出以下的结论：

（1）空调噪声作为列车静置时的主要噪声源，当空调噪声过大时，会增大客室内的噪声，且空调噪声能量主要集中在100～1000 Hz的频带内。通过模型验证，证明了“压力声学，频域”声学有限元分析方法可用于计算空调风道的传递损失。

（2）在未安装微穿孔板前，空调风道的传递损失在1.8～26.5 dB之间，而方案1、方案2、方案3、方案4的传递损失分别在6.2～30.2 dB、6.5～26.7 dB、4.6～30.7 dB和4.5～25.4 dB之间。四种方案均使空调风道的传递损失得到提高。

（3）采用方案1和方案2均可改善空调风道传递损失，并且有效提升了空调风道传递损失的谷值和峰值，提升的最大差值约为17 dB，且方案1降噪效果要优于方案2。方案3和方案4也有效提升了空调风道传递损失的谷值和峰值，提升的最大差值约为15 dB，方案3的降噪效果要优于方案4。由此可得，采用微穿孔板错位分布的方式降噪效果要优于同侧分布的方式。微穿孔板在列车空调风道中的应用研究，为降低空调噪声提供了一种降噪途径。

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

PENG Jian，XIAO Xinbiao，LI Chengcheng，FU 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

国家自然科学基金（U1934203，52002257）；牵引动力国家重点实验室开放课题（TPL2205）

彭健（1995－），男，云南丽江人，硕士研究生，主要研究方向为轨道车辆减振降噪，E-mail：3332320870@qq.com。*通讯作者：肖新标（1978－），男，四川成都人，博士，副研究员，主要研究方向为铁路车辆减振降噪，E-mail：xinbiaoxiao@163.com。