氣動噪音的定義

定義：由空氣動力學產生的噪音 (aerodynamic noise)

例子：

-電線附近的風噪 (Aeolian tones, Strouhal 1878)

-飛機的起落架

-風扇葉片

-管道內部的一些截面變化及阻礙

-笛子等樂器

氣動聲學典型應用

為何我們越來越關注

風機類產品產生的噪音？

風機氣動噪音特點

風機氣動噪音主要由兩類頻譜內容構成：

-葉片通過頻率: 由于葉片的周期性轉動導致的在特定基頻與倍頻的噪音；

-寬帶噪音: 由湍流產生的寬帶噪音，在整個頻率區間內無非常明顯的起伏。

Actran氣動聲學模塊

模擬由空氣湍流產生噪音，基于聲模擬理論。

CFD與Actran聯合模擬：非定常CFD輸入；定常CFD輸入–SNGR方法

Actran提供與大部分CFD軟件數據接口：MSC Cradle，Fluent, CFX, Star CCM+, OpenFoam等；

典型問題：空調噪音；風扇噪音；氣動擾流噪音

氣動振動聲學聯合問題：氣動噪聲源作為振動聲學分析激勵

Actran氣動噪音

工作流程及特點

Actran針對各種流速流場中

的氣動噪音問題

Actran氣動/振動聲學

的一體化求解

將氣動載荷或氣動噪音激勵直接作用于結構單元

作用：

-進行氣動力引起的振動噪音分析

-隔聲罩分析

-吸聲材料分析

案例分享

CNH – Wheel Loader Engine Cooling Fan

電子散熱風扇噪聲-Hosei University (JPN)

約翰迪爾–冷卻風扇

客戶挑戰

-在建筑，林業和農業應用中，發動機冷卻風扇噪音通常在整個機器噪音中占主導地位。

-必須妥善解決噪音，以使機械產品通過國際噪音法規。

MSC解決方案

使用AcuSolve CFD求解器耦合Actran，計算氣動噪聲源及其在遠場中的傳播。

客戶價值

-模擬和實驗之間的一致性良好。

-通過在開發周期中集成氣動聲學預測來降低開發成本。

臺灣日立-家用空調室內機

Cradle+Actran(CL+Lighthill Surface)聯合仿真計算：

-Cradle SC/Tetra: 整機流場、噪音頻譜、風扇速度場及聲功率分布動畫、噪聲源位置判斷及量化評價；

-Actran: 各頻率氣動噪聲源、聲壓分布、噪音頻譜、總體噪音waterfall結果、噪聲源位置判斷及量化評價。

華為系統級仿真分析噪音項目

機柜聲傳播模擬用于預測機柜內部聲場分布和了解通過進出風口向外輻射的噪音特性，在此基礎上能夠在較短時間通過增加某些消音設備來快速獲得機柜內外的聲場特征，從而快速評估噪音優化效果。主要思路和關鍵步驟如下：

-獲得準確的聲源特性；

-構建機柜聲學模型；

-機柜聲傳播計算。

老板電器-吸油煙機降噪研究技術路線

吸油煙機流場模擬計算

吸油煙機內流場的PIV實驗

吸油煙機降噪優化設計

依據吸油煙機氣動噪音模擬計算結果：噪音指向性、噪音頻譜特性、風道內部聲壓分布等，采用被動消聲方式，針對吸油煙機噪音頻譜特性設計了穿孔板+多孔吸聲材料的降噪優化方案，并進行了試驗驗證。

變流器機柜噪音計算-CFD流體模擬

-模型進出口均為濾網結構，其中進口為兩層濾網。需要基于多孔介質模型仿真計算；

-左右流道內分別放置板式換熱翅片以及盤片狀電抗器，需要進一步簡化；

-壁面包含大量孔隙，內部模型流道非常復雜。基于變流柜運行過程進行簡化。

流體域提取

按照流場的動靜關系分別將流場分為進口區域、風扇區域和出口區域。

近壁面時均速度分布

-進口的速度在風扇進口附近速度梯度明顯，速度最大值約為30m/s；

-出口壁面的速度均低于20m/s，在模型的中部由于內部變頻器的存在使得空氣流通面積非 常小，壁面的速度相對較高。

-進出口壁面的低速區域同樣非常小，需要合理布置壁面吸聲材料。

變流器機柜噪音計算-聲學模擬

網格化分

如下圖所示，黃色代表兩側進口區域吸聲材料體網格，綠色代表變流柜內部13個區域吸聲材料網格，網格為面網格，計算時定義為導納邊界。

聲源項（應力張量）

-聲音主要從風機處產生；主要噪聲源為風機周期性的離散噪音，故會產生明顯的基頻或倍頻噪音；

-風扇區域產生明顯噪聲源，應力張量值較大；若風機附近隔板或壁板隔聲量偏弱，會出現噪音直接穿透的情況；

-風口區域應力張量值偏小；兩側未產生明顯湍流噪聲源。

251Hz進出流道體聲源分布云圖

292Hz進出流道體聲源分布云圖

聲場分布圖（聲壓級）

-噪音由風機產生，通過進出口傳出，變流柜內部噪音比外部噪音大15~30dBA；

-變流柜兩個進口區域加多孔介質，內外聲壓級云圖色差明顯，吸聲效果明顯；出口處僅有濾網，未加吸聲材料，噪音直接傳遞出來，出口處噪音比進口處噪音大；

-從風機側看變流柜內外聲壓級云圖，內部聲壓級比外部聲壓級大約大40dBA，普通壁板隔聲量并未達到40dBA，故會有大量噪音通過壁板直接透射出來。

測點位置

測點頻譜曲線（出風口0.885m）

-仿真與試驗吻合良好，第一階頻率處峰值相差3dBA左右，總聲壓級為74.065dBA，測試得到總聲壓級為76.774dBA，誤差為2.708dBA。滿足計算精度；

-與0.4m處相比，峰值頻率相同，但峰值明顯降低，曲線并未呈現明顯離散頻率；風機產生的離散噪音隨著距離的增大而逐漸衰減；

-模擬與測試曲線均在70Hz、100Hz、200Hz左右出現極大值，這與空腔模態有關，在相關頻率點處發生空腔共振。

測點頻譜曲線

-兩條曲線吻合度較高，但在主要峰值處有3~4db差距，該測點為變流柜底部，模擬條件中未考慮聲音從出口傳播出來后固體邊界對聲音的吸收或耗散作用，難以完全吻合；

-與其他點相比，峰值頻率增加，且292Hz峰值不明顯，曲線并未呈現明顯離散頻率；離散噪音隨著距離的增大而逐漸衰減；

-曲線均在70Hz、100Hz、200Hz左右出現極大值，這與空腔模態有關，在相關頻率點處發生空腔共振。

變流柜底部中心點0.4m仿真與測試數據對比

柜體內吸聲材料分析

-加吸聲材料后，主頻（300Hz）處噪音峰值由82降為74.3，大約降7~8dBA；

-400~1000Hz的帶寬中，吸聲材料大約降20dBA，如圖中綠色線區域所示，這也驗證了吸聲材料高頻吸聲的作用；

-不加吸聲材料時，曲線在250Hz左右出現極大值，與空腔模態有關，第10、11階空腔模態正好對應250Hz左右；可見吸聲材料還可消除多余噪音峰值。

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