第九章 消聲技術(shù)

1、嘉庚學(xué)院 機(jī)電系 9.1.1 消聲器分類 不同消聲器的消聲原理是不同的，消聲效果也不同 。 阻性消聲器 一種能量吸收性消聲器，通過(guò)在氣流通過(guò)的途徑上固定多孔性吸聲材料，利用多孔吸聲材料對(duì)聲波的摩擦和阻尼作用將聲能量轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到消聲的目的。阻性消聲器適合于消除中、高頻率的噪聲，消聲頻帶范圍較寬，對(duì)低頻噪聲的消聲效果較差，因此，常使用阻性消聲器控制風(fēng)機(jī)類進(jìn)排氣噪聲等。 抗性消聲器 利用聲波的反射和干涉效應(yīng)等，通過(guò)改變聲波的傳播特性，阻礙聲波能量向外傳播，主要適合于消除低、中頻率的窄帶噪聲，對(duì)寬帶高頻率噪聲則效果較差，因此，常用來(lái)消除如內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲等。 鑒于阻性消聲器和抗性消聲器各自的特點(diǎn)，因

2、此常將它們組合成阻抗復(fù)合型消聲器，以同時(shí)得到高、中、低頻率范圍內(nèi)的消聲效果，如微穿孔板消聲器就是典型的阻抗復(fù)合型消聲器 8.1.2 消聲器性能評(píng)價(jià) 消聲器的性能評(píng)價(jià)主要采用三項(xiàng)指標(biāo)，即：聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)性能。 1 1 消聲器聲學(xué)性能消聲器聲學(xué)性能 消聲器的聲學(xué)性能包括消聲量的大小、消聲頻帶范圍的寬窄兩個(gè)方面。設(shè)計(jì)消聲器的目的就是要根據(jù)噪聲源的特點(diǎn)和頻率范圍，使消聲器的消聲頻率范圍滿足需要，并盡可能地在要求的頻帶范圍內(nèi)獲得較大的消聲量。 消聲器的聲學(xué)性能可以用各頻帶內(nèi)的消聲量來(lái)表征。通常有四種度量方法：傳聲損失 、末端降噪量 、插入損失 和聲衰減 。 傳聲損失 定義為消聲器進(jìn)口的噪聲

3、聲功率級(jí)與消聲器出口的噪聲聲功率級(jí)的差值。它是從構(gòu)件的隔聲性能的角度，用透射損失來(lái)反映構(gòu)件的消聲量，傳遞損失的數(shù)學(xué)表達(dá)式為， 消聲器的傳聲損失是消聲器本身所具有的特性，它受聲源與環(huán)境的影響較小。 實(shí)際工程測(cè)試中，由于聲功率級(jí)難以直接測(cè)得，因此通常通過(guò)測(cè)量消聲器前后截面的平均聲壓級(jí)，再按下式計(jì)算獲得， 末端減噪量 也稱末端聲壓級(jí)差，它是指消聲器輸入端與輸出端的聲壓級(jí)之差。即：測(cè)量消聲器進(jìn)口端面的聲壓級(jí) 與出口端面的聲壓級(jí) ，以兩者之差代表消聲器的消聲量。 利用末端聲壓級(jí)之差來(lái)表示消聲值的方法，不可避免地包含了反射聲的影響，這種測(cè)量方法易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生較大的誤差，因此適合在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)消聲器性能

4、進(jìn)行測(cè)量分析，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量則很少使用。 插入損失 根據(jù)系統(tǒng)之外測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果經(jīng)計(jì)算獲得的，實(shí)際操作中，在系統(tǒng)之外分別測(cè)量系統(tǒng)接入消聲器前后的聲壓級(jí)，二者之差即為插入損失。 聲衰減 聲學(xué)系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)間聲功率級(jí)之差，反映了聲音沿消聲器通道內(nèi)的衰減特性，以每米衰減的分貝數(shù) (dB) 表示。從而得到消聲器內(nèi)聲壓級(jí)與距離的函數(shù)關(guān)系，以求得該消聲器的總消聲量。聲衰減量能夠反映出消聲器內(nèi)的消聲特性及衰減過(guò)程，能避免環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。 2 2 空氣動(dòng)力性能空氣動(dòng)力性能 消聲器的空氣動(dòng)力性能是評(píng)價(jià)消聲性能好壞的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映了消聲器對(duì)氣流阻力的大小。 消聲器的空氣動(dòng)力性能用阻力系數(shù)或阻力損失來(lái)表示。

5、 阻力系數(shù)是指消聲器安裝前后的全壓差與全壓之比，對(duì)于確定的消聲器，其阻力系數(shù)為定值。阻力系數(shù)的測(cè)量比較麻煩，一般只在專用設(shè)備上才能測(cè)得。 阻力損失，簡(jiǎn)稱阻損，是指氣流通過(guò)消聲器時(shí)，在消聲器出口端的流體靜壓比進(jìn)口端降低的數(shù)值。很顯然，一個(gè)消聲器的阻損大小是與使用條件下的氣流速度大小有密切關(guān)系的。消聲器的阻損能夠通過(guò)實(shí)地測(cè)量求得，也可以根據(jù)公式進(jìn)行估算。阻損分兩大類，一類是摩擦阻力，另一類是局部阻力。消聲器總的阻力損失，等于摩擦阻損與局部阻損之和 。 3 3 結(jié)構(gòu)性能結(jié)構(gòu)性能 消聲器結(jié)構(gòu)性能是指它的外形尺寸、堅(jiān)固程度、維護(hù)要求、使用壽命等，它也是評(píng)價(jià)消聲器性能的一項(xiàng)指標(biāo)。 好的消聲器除應(yīng)有好的聲學(xué)

6、性能和空氣動(dòng)力性能之外；還應(yīng)該具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造型美觀、加工方便、同時(shí)要堅(jiān)固耐用、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單和造價(jià)便宜等特點(diǎn)。 評(píng)價(jià)消聲器的上述三個(gè)方面的性能，既互相聯(lián)系又互相制約。從消聲器的消聲性能考慮，當(dāng)然在所需頻率范圍內(nèi)的消聲量越大越好；但是同時(shí)必須考慮空氣動(dòng)力性能的要求。 9.2 阻性消聲器 阻性消聲器的消聲原理，就是利用吸聲材料的吸聲作用，使沿通道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減。 把吸聲材料固定在氣流通過(guò)的管道周壁，或按一定方式在通道中排列起來(lái)，就構(gòu)成阻性消聲器。當(dāng)聲波進(jìn)入消聲器中，會(huì)引起阻性消聲器內(nèi)多孔材料中的空氣和纖維振動(dòng)，由于摩擦阻力和粘滯阻力，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而

7、散失掉，就起到消聲的作用。阻性消聲器應(yīng)用范圍很廣，它對(duì)中高頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果。 9.2.1 單通道直管式阻性消聲器 單通道直管式消聲器是最基本的阻性消聲器，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣流直通、阻力損失小、適用于流量小的管道消聲。 常用的分析理論主要有一維理論和二維理論。 一維理論基于一維平面波的假設(shè)，即認(rèn)為管道中傳播的聲波是沿著管道長(zhǎng)度方向傳播的，常用的計(jì)算公式有很多，但就其起源而言只有兩個(gè)：一是別洛夫公式，二是賽賓公式，其他公式大都是從這兩個(gè)公式派生出來(lái)的。 別洛夫公式的假定條件是：吸聲材料的聲阻遠(yuǎn)大于聲抗。別洛夫公式： 賽賓公式 按上述方法計(jì)算出的消聲量往往高于實(shí)際能達(dá)到的消聲量，特

8、別是當(dāng)消聲量較大時(shí)，兩者的偏差更大。這是由于消聲系數(shù) 是在特定條件下獲得的，使用起來(lái)有以下幾方面的問(wèn)題需要注意： 從能量關(guān)系導(dǎo)出消聲系數(shù)時(shí)，假定同一截面上聲壓或聲強(qiáng)近似，但實(shí)際上往往不是這樣。噪聲在消聲器管道內(nèi)傳播時(shí)，如果壁面吸收很厲害，則在同截面上的聲壓和聲能不能均勻分布，周壁的吸收作用不能充分發(fā)揮。因此，對(duì)于高吸收情況，即吸聲系數(shù)較大時(shí)，利用公式 計(jì)算的消聲量高于實(shí)際消聲量。 在推導(dǎo)消聲系數(shù)時(shí)，假定吸聲材料的聲阻抗率為純阻，即聲抗為 0 。實(shí)際上吸聲材料的聲阻抗應(yīng)是復(fù)數(shù)，即消聲系數(shù)應(yīng)由聲阻抗率的聲阻與聲抗兩部分共同決定。由于忽略了聲抗部分的影響，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的消聲值比實(shí)際值偏高。 工程實(shí)

9、際中還有許多其它因素干擾，例如消聲器通道中的氣流速度、環(huán)境噪聲、側(cè)向傳聲等都會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)得到的消聲值比公式 計(jì)算出的消聲值偏低。 消聲器的通道截面不宜太大。如果太大時(shí)，高頻聲的消聲效果顯著下降。前面提到過(guò)的消聲量計(jì)算公式都是在平面波的條件下推導(dǎo)出來(lái)的。也就是說(shuō)聲波在消聲器中同一截面上各點(diǎn)聲壓或聲強(qiáng)是近似相等的。如果消聲器通道截面過(guò)大，當(dāng)聲波頻率高到一定數(shù)值時(shí)聲波將以窄束狀通過(guò)消聲器，而很少或根本不與吸聲材料飾面接觸。因此，消聲器的消聲效果明顯下 降。當(dāng)聲波波長(zhǎng)小于通道截面尺寸的一半時(shí)，消聲效果便開(kāi)始下降，相應(yīng)的頻率被稱作“高頻失效頻率” 高頻失效頻率的經(jīng)驗(yàn)估算式 式中 c 為聲速； D為消聲器通道

10、截面邊長(zhǎng)，圓形通道的 D就是截面直徑。 當(dāng)頻率高于失效頻率 以后，每增加一個(gè)倍頻帶，其消聲量約比在失效頻率處的消聲量下降 1/3 。 由于D的增大，高頻消聲效果將顯著降低。為了在通道截面較大的情況下也能在中高頻范圍獲得好的消聲效果；通常采取在管道中加吸聲片或設(shè)計(jì)成另外的結(jié)構(gòu)形式。 如果通道管徑大于 300 毫米 而小于 500 毫米 時(shí)，可在通道中間設(shè)置幾片吸聲層或一個(gè)吸聲圓柱；如果通道尺寸大于 500 毫米 ，就要設(shè)計(jì)成彎頭式、蜂窩式、片式、折板式、聲流式和迷宮式等結(jié)構(gòu)。 9.2.2 片式消聲器 由于把通道分成若干個(gè)小通道，每個(gè)小通道截面小了，就能提高上限失效頻率；同時(shí)，因?yàn)樵黾恿宋暡牧巷?/p>

11、面表面積，則消聲量也會(huì)相應(yīng)增加。 設(shè)計(jì)片式消聲器時(shí)，每個(gè)小通道的尺寸都相同，這樣，其中一個(gè)通道的消聲頻率特性也就代表了整個(gè)消聲器的消聲特性。它的消聲量可用式 (8.2.3) 計(jì)算 9.2.3 折板式、聲流式、蜂窩式消聲器 為了提高其高頻消聲性能，把直片做成折彎狀，這樣能增加聲波在消聲器內(nèi)反射次數(shù)，即增加吸聲層與聲波的接觸機(jī)會(huì)，從而提高消聲效果。為了減小阻損，其折角做得小一些為好。 聲流式消聲器是由折板式消聲器改進(jìn)的，這種消聲器把吸聲層制成正弦波形。當(dāng)聲波通過(guò)時(shí)，增加反射次數(shù)，故能改善消聲性能 。蜂窩式消聲器是由許多平行的小直管式消聲器并聯(lián)而成。蜂窩式消聲器的消聲量可用式 (8.2.3) 獲得。

12、但由于它是多個(gè)通道并聯(lián)，而且每個(gè)通道的尺寸基本相同，即每個(gè)通道消聲特性一樣，因此蜂窩式消聲器的消聲量只算其中的一個(gè)小管即可。 彎頭消聲器 迷宮式消聲器 9.2.6 氣流對(duì)阻性消聲器聲學(xué)性能的影響 氣流對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是氣流的存在會(huì)引起聲傳播和聲衰減規(guī)律的變化；二是氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生一種附加噪聲，稱為氣流再生噪聲。 有氣流時(shí)的消聲系數(shù)的近似公式如下 ： 由公式看出，氣流速度大小與方向不同，導(dǎo)致氣流對(duì)消聲器性能的影響程度也不同。當(dāng)流速高時(shí)，馬赫數(shù) 值大，氣流對(duì)消聲器的消聲性能的影響就越厲害；當(dāng)氣流方向與聲傳播方向一致時(shí)，馬赫數(shù) 值為正，上式中的消聲系數(shù)將變??；當(dāng)氣流方

13、向與聲傳播方向相反時(shí)，馬赫數(shù) 值為負(fù)，消聲系數(shù)會(huì)變大。順流與逆流相比，逆流有利于消聲。 氣流在管道中的流動(dòng)速度并不均勻，同一截面上，管道中央流速最高，接近管壁處，流速就近似為零，逆流時(shí)正好相反。 根據(jù)聲折射原理，聲波要向管壁彎曲，對(duì)阻性消聲器來(lái)說(shuō)，由于周壁襯貼有吸聲材料，所以順流時(shí)恰好聲能被吸收；而在逆流時(shí)，聲波要向管道中心彎曲，因此對(duì)阻性消聲器的消聲是不利的。 9.2.7 氣流再生噪聲對(duì)消聲器聲學(xué)性能 的影響由于氣流與消聲器結(jié)構(gòu)的相互作用，還會(huì)產(chǎn)生氣流再生噪聲。氣流再生噪聲疊加在原有噪聲上，會(huì)影響消聲器實(shí)際使用效果。 氣流再生噪聲的產(chǎn)生機(jī)理： 一是氣流經(jīng)過(guò)消聲器時(shí)，由于局部阻力和摩擦阻力而形

14、成一系列湍流，相應(yīng)地輻射噪聲； 二是氣流激發(fā)消聲器構(gòu)件振動(dòng)而輻射噪聲。 氣流再生噪聲的大小主要取決于氣流速度和消聲器的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，氣流速度越大，或消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則產(chǎn)生的氣流噪聲也就越大。與之相適應(yīng)，降低消聲器內(nèi)氣流再生噪聲的途徑是： 盡量減低流速； 盡量改善氣體的流動(dòng)狀況，使氣流平穩(wěn)，避免產(chǎn)生湍流。消聲器的氣流再生噪聲大小，可用試驗(yàn)方法求得。 當(dāng)流速增加一倍，相應(yīng)的噪聲級(jí)增加 18dB ，說(shuō)明氣流再生噪聲隨流速的六次方規(guī)律變化，屬于偶極子輻射的噪聲源。估算氣流再生噪聲的半經(jīng)驗(yàn)公式 設(shè)計(jì)消聲器時(shí)，應(yīng)注意流速不能選得過(guò)高，對(duì)空調(diào)消聲器的流速不應(yīng)超過(guò) 5 米 / 秒；對(duì)壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)消聲

15、器，流速不應(yīng)超過(guò) 2030 米 / 秒；對(duì)內(nèi)燃機(jī)、鑿巖機(jī)消聲器，流速應(yīng)選在 3050 米 / 秒；對(duì)于大流量排氣放空消聲器，流速可選為 5080 米 / 秒。 9.2.8 阻性消聲器的設(shè)計(jì) 阻性消聲器的設(shè)計(jì)步驟與要求如下： (1) 確定消聲器的結(jié)構(gòu)型式 根據(jù)氣體流量和消聲器所控制的平均流速，計(jì)算所需的通流截面，然后根據(jù)截面的尺寸大小來(lái)選定消聲器的形式。 當(dāng)氣流通道截面直徑小于 300 毫米時(shí)，可選用單通道的直管式，當(dāng)直徑大于 300 毫米而小于 500 毫米時(shí)，可在通道中加設(shè)一片吸聲層或吸聲芯；當(dāng)直徑大于 500 毫米時(shí)，則應(yīng)考慮把消聲器設(shè)計(jì)成片式、蜂窩式或其它型式。片式消聲器中每個(gè)片間距離不

16、應(yīng)大于 250 毫米。 (2) 選用合適吸聲材料 可用來(lái)做消聲器的吸聲材料種類很多，如超細(xì)玻璃棉、泡沫塑料、多孔吸聲磚、工業(yè)毛氈等。在選用吸聲材料時(shí)，除考慮吸聲性能外，還要考慮消聲器的使用環(huán)境，如對(duì)于高溫、潮濕、有腐蝕性氣體的特殊環(huán)境。吸聲材料種類確定以后，材料的厚度和密度也應(yīng)注意選定，一般吸聲材料厚度是由所要消聲的頻率范圍決定的。如果只為了消除高頻噪聲，吸聲材料可薄些；如果為了加強(qiáng)對(duì)低頻聲的消聲效果，則應(yīng)選擇厚一些。 (3) 決定消聲器的長(zhǎng)度 在消聲器形式、通流截面和吸聲層等都確定的情況下，增加消聲器長(zhǎng)度能提高消聲值。消聲器長(zhǎng)度可根據(jù)噪聲源的聲級(jí)大小和現(xiàn)場(chǎng)的降噪要求來(lái)決定，如在車間里某風(fēng)機(jī)氣

17、流噪聲較其它設(shè)備噪聲高出很多時(shí)，就可把消聲器設(shè)計(jì)得長(zhǎng)些，反之就應(yīng)短些。一般現(xiàn)場(chǎng)使用的空氣動(dòng)力設(shè)備，其消聲器的長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為 13 米 。 (4) 合理選擇吸聲材料的護(hù)面結(jié)構(gòu) 阻性消聲器的吸聲材料必須用牢固的護(hù)面結(jié)構(gòu)固定起來(lái)。常采用的護(hù)面結(jié)構(gòu)有玻璃布、穿孔板、窗紗、鐵絲網(wǎng)等。護(hù)面形式，主要由消聲器通道內(nèi)的流速?zèng)Q定。 (5) 根據(jù)“高頻失效”和氣流再生噪聲驗(yàn)算消聲效果 由于消聲器的消聲效果與所要消聲的頻率范圍和氣流再生噪聲等因素有關(guān)，因此，按上述要點(diǎn)設(shè)計(jì)好消聲器方案之后，還必須進(jìn)行驗(yàn)算，首先驗(yàn)算高頻失效頻率，然后驗(yàn)算氣流再生噪聲的影響。如果消聲器的初步設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)驗(yàn)算不能滿足消聲要求時(shí)，就應(yīng)重新設(shè)計(jì)

18、，直至得到滿意的設(shè)計(jì)方案為止。 (6) 設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證 理論計(jì)算出消聲器的設(shè)計(jì)方案后，還要通過(guò)試驗(yàn)，定量驗(yàn)證后才可得到具有實(shí)用價(jià)值的消聲器方案。試驗(yàn)一般采用“末端聲壓級(jí)差”法測(cè)量。具體來(lái)說(shuō)，就是在消聲器進(jìn)口端測(cè)得噪聲級(jí) ( 包括各倍頻程聲壓級(jí) ) ，在消聲器出口端測(cè)得噪聲級(jí) ( 包括各倍頻帶聲級(jí) ) ，以兩者差作為消聲量 。 通過(guò)控制聲抗的大小來(lái)消聲的。它不使用吸聲材料，而是在管道上接截面突變的管段或旁接共振腔，利用聲阻抗失配，使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面處發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象，從而達(dá)到消聲的目的。常用的抗性消聲器主要有擴(kuò)張室式和共振腔式兩大類。 聲波在兩根不同截面的管道中傳播，從截

19、面積為S1的管中傳入截面積為S2 的管中， S2管對(duì)S1 管相當(dāng)一個(gè)聲負(fù)載，會(huì)引起部分聲波的反射和透射。設(shè)在管道中滿足平面波的條件下，在 S1管道中有一入射波Pi 和一反射波Pr ，而 S2管無(wú)限延伸；僅有透射波 。 假定坐標(biāo)原點(diǎn)取在 管與 管的接口處，現(xiàn)分別寫(xiě)出上述三種波的聲壓表示式， 它們各自對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振速分別為， 上述入射波、反射波和透射波不是各自獨(dú)立的，而是互有聯(lián)系。這種聯(lián)系的關(guān)鍵在兩根管子的接口處 ( 即交界面處 ) ，在此界面上存在如下兩種聲學(xué)邊界條件 ： 聲壓連續(xù)，即 體積速度連續(xù)，即 取邊界處 x=0 ，得到反射聲壓與入射聲壓的幅度之比為， 面積比 ，也稱為擴(kuò)張比。上式表明：聲

20、波的反射與兩根管子的截面積比值有關(guān)。當(dāng) 即第二根管子比第一根管子細(xì) 時(shí)， ，這相當(dāng)于聲波遇到“硬”邊界情形；當(dāng) 即第二根管子比第一根管子粗時(shí)， ，這相當(dāng)于聲波遇到“軟”邊界情形。極端的情況是：若 ，相當(dāng)于聲波遇到剛性壁，發(fā)生全反射；若 ，好象聲波遇到“真空”邊界。 從聲壓反射系數(shù)可以獲得聲強(qiáng)反射系數(shù)， 聲強(qiáng)透射系數(shù)則為， 根據(jù)消聲量的定義，消聲量是管中聲強(qiáng)透射系數(shù)的倒數(shù)，由此得到擴(kuò)張管式消聲器的消聲量為， 公式表明：截面突變引起的消聲量大小，主要由擴(kuò)張比 決定。 擴(kuò)張管式消聲器的有效消聲頻率受到一定限制，其低頻截止頻率可用下式估算， 而高頻截止頻率則為， 利用擴(kuò)張管原理制成的最簡(jiǎn)單的消聲器就是

21、單節(jié)擴(kuò)張室消聲器，它是由兩個(gè)突變截面管反相對(duì)接起來(lái)而成的。主管截面為S1 ，擴(kuò)張部分截面為S2 ，擴(kuò)張部分長(zhǎng)度為L(zhǎng) 。 消聲器的消聲量可由在消聲器入口端的入射聲強(qiáng)與在消聲器出口端的透射聲強(qiáng)二者之間的衰減量來(lái)衡量。由于聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，因此最后得到消聲器的消聲量計(jì)算公式為， 消聲量大小由擴(kuò)張比S21決定，消聲頻率特性由擴(kuò)張部分的長(zhǎng)度L決定，因?yàn)?為周期函數(shù)，可見(jiàn)消聲量也隨頻率作周期性變化。 當(dāng)管道截面收縮S21 倍時(shí)，其消聲作用與擴(kuò)張 S21倍是相同的。這就說(shuō)明，擴(kuò)張管與收縮管在理論上并無(wú)區(qū)別。然而在實(shí)用上限于空氣動(dòng)力性能的要求，常用的是擴(kuò)張管，因此也就稱為擴(kuò)張室消聲器。上式同時(shí)還表明：當(dāng)

22、 時(shí)，即 為 的奇數(shù)倍時(shí)，擴(kuò)張室消聲器的消聲量達(dá)到最大值，此時(shí)， 通常擴(kuò)張比S21總是大于 l 的，而要取得明顯的消聲效果，則 S21應(yīng)取 5 以上的數(shù)值。消聲量最大的對(duì)應(yīng)頻率稱作擴(kuò)張室最大消聲頻率， 當(dāng) 時(shí)，即 為 的偶數(shù)倍時(shí)，擴(kuò)張室消聲器的消聲量達(dá)到最小值， ，相應(yīng)的聲波會(huì)無(wú)衰減地通過(guò)消聲器。這是單節(jié)擴(kuò)張室消聲器的一個(gè)缺點(diǎn)。此時(shí)的相應(yīng)頻率叫通過(guò)頻率，可由下式計(jì)算， 擴(kuò)張室消聲器存在著上限截止頻率。以上分析表明：擴(kuò)張室消聲器的消聲量 是隨著擴(kuò)張比 的增大而增加的，但是，這種增加不是沒(méi)有限制的，當(dāng)S21值增大到一定值以后，會(huì)出現(xiàn)與阻性消聲器的高頻失效相似的情況，即聲波集中在擴(kuò)張室中部穿過(guò)，使消

23、聲效果急劇下降。擴(kuò)張室消聲器的上限截止頻率常用的估算式為括張室消聲器除有上限截止頻率的限制外，還存有下限截止頻率。在低頻范圍，當(dāng)波長(zhǎng)比擴(kuò)張室或連接管長(zhǎng)度大得多時(shí)，可以把擴(kuò)張室和連接管看作是集中參數(shù)系統(tǒng)。當(dāng)外來(lái)聲波頻率在這個(gè)系統(tǒng)的共振頻率附近時(shí)，消聲器不僅不能消聲，反而會(huì)對(duì)聲音起放大作用。擴(kuò)張室有效消聲的下限頻率可用下式計(jì)算， 外接管雙節(jié)擴(kuò)張室消聲器 雙節(jié)擴(kuò)張室消聲器的分析過(guò)程與單節(jié)擴(kuò)張室消聲器的推導(dǎo)方法完全相同，在 4 個(gè)邊界處滿足聲壓連續(xù)和體積速度連續(xù)的條件，最后可以得到它的消聲量為， 擴(kuò)張管消聲器的消聲特性是周期性變化的，即某些頻率的聲波能夠無(wú)衰減地通過(guò)消聲器。由于噪聲的頻率范圍一般較寬，

24、如果消聲器只能消除某些頻率成分，而讓另一些頻率成分順利通過(guò)，這顯然是不利的。為了克服擴(kuò)張室消聲器這一缺點(diǎn)，必須對(duì)擴(kuò)張室消聲性能進(jìn)行改善處理，方法有二： (1) 在擴(kuò)張室消聲器內(nèi)插入內(nèi)接管，以改善它的消聲性能。由理論分析可知，當(dāng)插入的內(nèi)接管長(zhǎng)度等于擴(kuò)張部分長(zhǎng)度的 1/2 時(shí)，能消除那部分奇數(shù)倍的通過(guò)頻率；當(dāng)插入的內(nèi)接管長(zhǎng)度為擴(kuò)張部分長(zhǎng)度的 1/4 時(shí)，能消除那部分偶數(shù)倍的通過(guò)頻率。這樣，如果綜合兩者，可以得到在理論上沒(méi)有通過(guò)頻率的消聲特性。 (2) 采用多節(jié)不同長(zhǎng)度的擴(kuò)張室串聯(lián)的方法，可解決擴(kuò)張室對(duì)某些頻率不消聲的問(wèn)題。把各節(jié)擴(kuò)張室的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得互不相等，使它們的通過(guò)頻率互相錯(cuò)開(kāi)。多節(jié)擴(kuò)張室消聲器

25、串聯(lián)，不但能提高總的消聲量，而且能改善消聲器的頻率特性。由于各節(jié)擴(kuò)張室之間有耦合現(xiàn)象，故總的消聲量不等于各節(jié)擴(kuò)張室消聲量的算術(shù)相加。在實(shí)際工程上，為了獲得較高的消聲效果，通常將這兩個(gè)方法結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，即將幾節(jié)擴(kuò)張室消聲器串聯(lián)起來(lái)，每節(jié)擴(kuò)張室的長(zhǎng)度各不相等，同時(shí)在每節(jié)擴(kuò)張室內(nèi)分別插入適當(dāng)?shù)膬?nèi)接管，這樣就可在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得較高的消聲效果。 擴(kuò)張室消聲器由于通道截面的擴(kuò)張和收縮，將會(huì)使阻力損失增大，特別是當(dāng)氣流速度較高時(shí)，空氣動(dòng)力性能會(huì)變壞。為了改善擴(kuò)張室消聲器的空氣動(dòng)力性能，常用穿孔管 ( 穿孔率大于 25 ) 把擴(kuò)張室的插入管連接起來(lái)，對(duì)氣流來(lái)說(shuō)，通過(guò)一段壁面帶孔眼的管段比通過(guò)一段截面突變

26、的管段，其阻力損失要小得多；而對(duì)于聲波來(lái)說(shuō)，由于穿孔管的穿孔率足夠大，仍能近似保持其斷開(kāi)狀態(tài)的消聲性能。 9.3.2 擴(kuò)張室消聲器設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)擴(kuò)張室消聲器時(shí)，經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是消聲量與消聲頻率范圍之間的矛盾。分析表明：欲獲得較大的消聲量，必須有足夠大的擴(kuò)張比 。但是，對(duì)一定的管道截面來(lái)說(shuō)， S21值增大會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)張部分的截面尺寸增大，而其上限截止頻率 相應(yīng)變小，使得擴(kuò)張室的有效消聲頻率范圍變窄，這是不利的。反之，為了展寬擴(kuò)張室有效消聲頻率范圍，需使擴(kuò)張比變小，但消聲量又受到影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，這兩方面必須兼顧，統(tǒng)籌考慮，不能顧此失彼。 實(shí)際工程中，輸氣管道截面已由給定的輸氣流量確定，這時(shí)，再

27、設(shè)計(jì)擴(kuò)張室消聲器就必然會(huì)出現(xiàn)上述的矛盾，此時(shí)可采取如下的方法解決： 第一種方法：把一個(gè)大通道分割成若干個(gè)并聯(lián)小支通道，再在每個(gè)支通道上設(shè)計(jì)擴(kuò)張室消聲器，這樣便可實(shí)現(xiàn)在較寬頻率范圍內(nèi)有較大消聲量的要求。 第二種方法：把擴(kuò)張室消聲器的進(jìn)口管與出口管軸線互相錯(cuò)開(kāi)，使聲波不能以窄束狀形式穿過(guò)擴(kuò)張室 擴(kuò)張室消聲器設(shè)計(jì)步驟如下： (1) 根據(jù)需要的消聲頻率特性，合理地分布最大消聲頻率，即合理地設(shè)計(jì)各節(jié)擴(kuò)張室及其插入管的長(zhǎng)度。 (2) 根據(jù)需要的消聲量，確定擴(kuò)張比 ，設(shè)計(jì)擴(kuò)張室各部分截面尺寸。 (3) 驗(yàn)算所設(shè)計(jì)的擴(kuò)張室消聲器的上下截止頻率是否在所需要的消聲頻率范圍之內(nèi)，如不符合，則應(yīng)重新修改設(shè)計(jì)方案。再驗(yàn)

28、算氣流對(duì)消聲量的影響，檢查在給定的氣流速度下，消聲值是否還能滿足要求。如不能，就需重新設(shè)計(jì)，直到滿足為止。 9.3.3 共振腔消聲器 共振腔消聲器是由管道壁開(kāi)孔與外側(cè)密閉空腔相通而構(gòu)成的。 當(dāng)聲波的波長(zhǎng)比共振器幾何尺寸大得多時(shí) (3 倍以上 ) ，可以把共振器看成一個(gè)集中參數(shù)系統(tǒng)，共振腔內(nèi)的聲波運(yùn)動(dòng)可以忽略。 共振消聲器實(shí)際上是共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用。共振頻率為 ： 定義傳導(dǎo)率： 工程上的共振器很少是開(kāi)一個(gè)孔的，而是由多個(gè)孔組成，此時(shí)應(yīng)注意各孔之間要有足夠大的距離。當(dāng)孔心距為孔徑的 5 倍以上時(shí)，各孔間的聲輻射互不干涉，此時(shí)總的傳導(dǎo)率等于各個(gè)孔的傳導(dǎo)率之和 。 當(dāng)某些頻率的聲波到達(dá)分支點(diǎn)時(shí)，由

29、于聲阻抗發(fā)生突變，使大部分聲能向聲源反射回去，還有一部分聲能由于共振器的摩擦阻尼轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉，只剩下一小部分聲能通過(guò)分支點(diǎn)繼續(xù)向前傳播，從而達(dá)到消聲的目的。 簡(jiǎn)化計(jì)算共振器的消聲量為 這種消聲器具有明確的選擇性。即當(dāng)外來(lái)聲波頻率與共振器的固有頻率相一致時(shí)，共振器就產(chǎn)生共振。共振器組成的聲振系統(tǒng)的作用最顯著，使沿通道繼續(xù)傳播的聲波衰減最厲害。因此，共振腔消聲器在共振頻率及其附近有最大的消聲量。而當(dāng)偏離共振頻率時(shí)，消聲量將迅速下降。這就是說(shuō)，共振腔消聲器只在一個(gè)狹窄的頻率范圍內(nèi)才有較佳的消聲性能。因此，它適于消除在某些頻率上帶有峰值的噪聲。 共振腔消聲器也可以做成同軸型，其消量為 從外形上看，同軸型共振消聲器與帶內(nèi)接管的擴(kuò)張室消聲器很相似，特別是與為了改善擴(kuò)張室消聲器空氣動(dòng)力性能而把內(nèi)接管用穿孔管連起來(lái)時(shí)，二者更為相似。事實(shí)上兩者的消聲性能也相似。 共振腔消聲器的消聲頻率范圍窄，為了彌補(bǔ)這一缺陷，有以下三個(gè)方法： (1) 選擇較大的 K值。在偏離共振頻率時(shí)，共振消聲器的消聲量與K（ ） 值有關(guān)，K值越大，消聲量也越大。K值增大，還能改善共振吸聲的頻帶寬度；但是，K值增大，消聲器體積也增大，有時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施是有因難的。 (2) 增加共振腔消聲器的摩擦阻尼。 通過(guò)增加摩擦阻尼能提高消聲頻帶寬度。在共振頻率上，消聲量也不會(huì)無(wú)限增大，