T型声学共振腔在净化器降噪中的应用

T型声学共振腔在净化器降噪中的应用
摘要：T型共振腔是近年来出现的一种新型的全频谱的降噪结构，既适用于
低频降噪也适用于高频降噪，同时，因为其形状细长且尺寸灵活，可在主结构上
进行设计，不占用额外空间。

近年来，随着家电产品的升级迭代以及对用户体验
的更高的要求，传统的降噪手段已无法满足有效提升现有的指标，本文将首次将
T型共振腔应用于净化器的噪声控制。

通过净化器的噪声频谱的分析，确定目标
降噪频率，设计T型共振腔。

对于空气净化器底座，在较为紧凑的空间内，通过
两根T型共振腔在目标频段实现了6.1dB的降噪效果。

关键词：声学共振腔声腔模态净化器噪声
1 引言
T型声学共振腔是一种新型的共振吸声结构，最早由Li D等人[1, 2]于2004
年公开发表。

与传统圆且胖形的赫姆霍兹共振腔相比，T型声学共振腔的形状细长，便于集成到封闭空间的包围结构上以节省空间。

此外，T型共振腔可以对全
频段（低频和高频）进行有效的噪声控制，对于低频段，T型共振腔的总长度接
近目标频率的1/4波长，尺寸不会过大。

当针对高频降噪时，可以通过采用高阶
共振模态延长T型共振腔的长度以避免由于体积过小造成的吸声效果不佳的问题。

Li D等人[3]将T型共振腔用于火箭舱的噪声控制，在目标频段获得了3.2-6.0 dB 的降噪效果。

Li D等人[4]采用理论推导的方式研究了封闭空间中T型共振腔与声
场的相互作用以及降噪能力，并设计了专门的试验，测试结果与分析结果一致。

T型共振腔的摆放位置对降噪效果有重要影响，Yu G等人[5]给出了T型共振腔位
置的优化算法，用于指导工程实践。

为了增强降噪性能，Yu G等人[6]还在T型共
振腔内填塞吸声材料，推导了可以预测其声学特性的理论模型，并完成试验验证。

噪声水平是家电产品的一个重要性能指标，随着家电产品性能的提升，对静
音的要求越来越高，行业内传统的降噪手段如消声器、防震垫、风道优化等手段
已不能满足需求，降噪难度越来越大。

本文将T型共振腔应用于家电产品的噪声
控制，在更为紧凑的空间内，发挥其降噪效果。

首先基于设计理论对某一频率的
T型共振腔进行声学分析，研究其降噪的声学机理。

然后采用T型共振腔对净化
器进行噪声控制，降低噪声水平，提升用户体验。

2 T型声学共振腔
2.1 设计方法
图1给出了T型共振腔的几何形状及参数，该结构由四部分组成：截面积S1
的分支1、截面积S2的分支2、截面积S3的分支3以及被三个分支包围的体积V。

分支1是半径r高度L1的圆柱形管道，与外界连通。

分支2、分支3和体积V组
成一根同轴管道，故截面积S2和S3相等，截面形状一般为矩形，也可以是圆形。

图1的分支2和分支3的截面形状为矩形，高h宽b，分支2长L2，分支3长L3。

图1 T型共振腔几何形状及参数
在设计T型共振腔时，首先需要确定目标频率，然后根据使用场景明确尺寸
限制，初步设定分支1的半径和高度、分支2的截面积和长度，通过调节分支3
的长度改变T型共振腔的共振频率。

一般用理论公式（1）计算L3，详细推导过
程参见文献[4]。

初步给出目标频率的T型共振腔尺寸，再通过声学仿真确认几
何尺寸和目标频率的匹配性。

L3=1/k {atan[(S1⁄S2 )cot(k∙L1 )-tan(k∙L2 )]+(i-
1)π} (1)
图2给出了T型共振腔压力声学仿真模型，考虑声学通道，左侧为入口，右
侧为出口，四周是刚性壁面，在入口边界施加平面波，该平面波经过声学通道后
从出口传出。

声学通道的下侧布置了一根T型共振腔，共振腔的分支1与声学通
道内部联通，以发挥吸声作用。

通过计算该声学通道的传递损失，确定T型共振
腔的频率。

图2 T型共振腔压力声学仿真模型
4 净化器噪声控制
采用上述模型对某T型共振腔进行传递损失分析，以设计出目标频率的T型
共振腔。

假设目标降噪频率在700 Hz附近，经公式（1）估算初步给出T型共振
腔的几何尺寸，列于表1。

需要指出的是，T型共振腔的频率由表1的6个几何
参数共同决定，表1所列的这组数据不是该目标频率的唯一解，因此T型共振腔
的几何形状和尺寸较为灵活，能够适用不同的空间。

L3的长度直接影响到T型共
振腔的吸声效果，因此L3一般较长，L1和L2一般较短。

表1 目标频率710HZ T型振腔几何尺寸
采用声学有限元软件进行传递损失分析，计算模型和声学网格如图3所示。

为保证计算精度，网格尺寸不大于最小波长的1/6。

入射平面波的压力幅值为
0.1 Pa。

传递损失的计算结果为：705 Hz处为传递损失的第一个峰值30.65 dB，1150 Hz处为传递损失的第二个峰值22.02 dB。

由此推断，该T型共振腔的一阶
共振频率705 Hz，二阶共振频率1150Hz。

图3 计算模型和声学网格
4.1 T型共振腔设计
底座是净化器的主要噪声源，根据原始状态的噪声频谱，选取710 Hz为目
标频率，采用上述方法设计T型共振腔。

由于压机舱空间有限，T型共振腔受到
尺寸限制，只能将一阶共振频率设计为目标频率。

为确定安装位置，对底座进行
声腔模态分析，图4给出了710 Hz对应的声腔模态，红色区域压力幅值最大，
共振腔安装时管口应尽量位于这些区域。

图4 净化器底座710 Hz的声腔模态
4.2 噪声测试
在半消声室按照国标的要求进行噪声测试，选取某测点的声压数据进行分析。

图5给出了底座在两种不同状态下的声压级频谱，黑色曲线为原状态，红色曲线
安装了两根710 Hz的T型共振腔，在目标降噪频段，红色曲线的幅值明显小于
黑色曲线。

表2给出了不同频率区间的等效声压级对比，在目标降噪频段650-
750 Hz内，T型共振腔降噪6.1 dB，在0-6400 Hz全频段内降噪量0.6 dB。

图5 底座声压级频谱对比，加装T型共振腔和原状态
表2 不同频率区间T型共振腔和原状态声压级对比
5 结论
本文首次将T型共振腔这种吸声结构应用于家电产品的噪声控制。

通过净化器噪声频谱的分析，确定目标降噪频率，设计T型共振腔。

通过对封闭环境声腔模态的分析，确定T型共振腔的安装位置。

对于净化器底座，在较为紧凑的空间内，通过两根T型共振腔在目标频段实现了6.1 dB的降噪效果。

另外，为了更好的降噪效果，可以针对2-3个峰值频率通过T型共振腔进行噪声控制，以获得全频段较为显著的降噪效果。

参考文献
1.Li D. Vibroacoustic behavior and noise control studies of advanced
composite structures. Ph.D. dissertation, University of Pittsburgh, 2003.
2.Li D, Vipperman J S. On the design of long T-shaped acoustic resonators.
Journal of the acoustical society of America. 2004, 116(5): 2785-2792.
3.Li D, Vipperman J S. Noise control of mock-scale chamber core payload
fairing using integrated acoustic resonators. Journal of spacecraft and rockets.2006, 43(4): 877-882.
4.Li D, Cheng L, Yu G, Vipperman J S. Noise control in enclosures: modeling
and experiments with T-shaped acoustic resonators. Journal of the acoustical society of America. 2007, 122(5): 2615-2625.
5.Yu G, Cheng L. Location optimization of a long T-shaped acoustic
resonator array in noise control of enclosures. Journal of sound and vibration. 2009, 328: 42-56.
6.Yu G, Cheng L, Li D. A three-dimensional model for T-shaped acoustic
resonators with sound absorption materials. Journal of the acoustical society of America. 2011, 129(5): 3000-3010.。