武理工噪聲控制工程講義08消聲技術(shù)

~~~~~~~~~~~~~~~￥ ~~~~~~~~~~~~~~~￥ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~￥~~~~~~~~~~~~~~~￥8消聲技術(shù)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~￥本章提要對(duì)于空氣動(dòng)力性噪聲的污染，如各種風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、柴油機(jī)以及其他機(jī)械設(shè)備的輸氣管道噪聲，需要用消聲技術(shù)加以控制，最常用的消聲設(shè)備是消聲器。消聲器的種類和結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)其消聲機(jī)理，消聲器可分為4種類型：阻性消聲器、抗性消聲器、擴(kuò)散性消聲器和損耗性消聲器。不同類型的消聲器適用范圍不同。一個(gè)好的消聲器應(yīng)綜合考慮聲學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等方面的要求，具有良好的消聲性能。本章介紹消聲器消聲量的計(jì)算方法、設(shè)計(jì)要求以及消聲技術(shù)在控制空氣動(dòng)力性噪聲中的應(yīng)用。8$1消聲器簡(jiǎn)介空氣動(dòng)力性噪聲是一種常見的噪聲污染，從噴氣式飛機(jī)、火箭、宇宙飛船，直到各種動(dòng)力機(jī)械、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、氣動(dòng)工具、內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、壓力容器及管道閥門等的進(jìn)排氣，都會(huì)產(chǎn)生聲級(jí)很高的空氣動(dòng)力性噪聲。控制這種噪聲最有效的方法之一是在各種空氣動(dòng)力設(shè)備的氣流通道上或進(jìn)排氣口上加裝消聲器。消聲器是一種既能允許氣流順利通過(guò)又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。8.1.1消聲器性能的評(píng)價(jià)良好的消聲器應(yīng)全面考慮聲學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)等要求，滿足以下3個(gè)基本條件。8.1.1.1良好的消聲特性消聲器在一定的流速、溫度、濕度、壓力等工作狀況下，要求具有較高的消聲量和較寬的消聲頻率范圍，即在所需要的消聲頻率范圍內(nèi)有足夠大的消聲量。8.1.1.2良好的空氣動(dòng)力性能消聲器對(duì)氣流的阻力要小，阻力系數(shù)要低，即安裝消聲器后所增加的壓力損失或功率損耗要控制在允許的范圍內(nèi)，氣流通過(guò)消聲器時(shí)所產(chǎn)生的氣流再生噪聲要低，達(dá)到基本上不降低風(fēng)量、保證氣流暢通的目的。8.1.1.3良好的結(jié)構(gòu)性能消聲器的體積要小，質(zhì)量要小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、安裝及維修，并且要求堅(jiān)固耐用，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉。上述3個(gè)方面的要求互相聯(lián)系，相互制約，缺一不可。當(dāng)然根據(jù)具體情況可以有所側(cè)重，但不能偏廢。如一個(gè)空調(diào)設(shè)備的消聲器，若只考慮提高消聲量而空氣動(dòng)力性很差，氣流阻力損失大，以至供風(fēng)不足，就影響了使用；若消聲性能和空氣動(dòng)力性能很好，但容易損壞，也會(huì)無(wú)人使用。8.1.2消聲器聲學(xué)性能的評(píng)價(jià)8.1.2.1插入損失插入損失是指裝置消聲器前后，氣流通過(guò)管道某一測(cè)點(diǎn)位置的聲壓級(jí)差。此方法簡(jiǎn)便，用它能直觀地反映消聲器的實(shí)際使用效果。8.1.2.2聲壓級(jí)差聲壓級(jí)差又稱末端聲壓級(jí)差或噪聲降低量，是指消聲器進(jìn)口和出口端的平均聲壓級(jí)差，用于已安裝好消聲器的管道內(nèi)測(cè)量。8.1.2.3軸向衰減軸向衰減是指通道內(nèi)沿著軸向的聲級(jí)變化，通常用每米的聲衰減量表示。此方法只適用于在較長(zhǎng)管道內(nèi)連續(xù)而均勻分布聲學(xué)材料的直通管道消聲器。8.1.2.4傳聲損失傳聲損失是指消聲器進(jìn)口端輸入聲功率與消聲器出口端輸出聲功率之比，取以10為底的對(duì)數(shù)并乘以10，或者是兩端聲功率級(jí)之差，即LW1-LW2。聲功率通?？赏ㄟ^(guò)測(cè)定兩端的平均聲壓級(jí)Lp1和Lp2來(lái)確定。設(shè)s1和s2分別為進(jìn)口和出口端消聲通道的截面積，可得：LWLpgs(8.2)測(cè)量時(shí)應(yīng)沒有末端反射影響。上述的4種測(cè)量方法，都會(huì)由于管道末端反射的影響而使測(cè)量結(jié)果有很大差別，即使對(duì)同一消聲器。目前，一般采用靜態(tài)消聲量來(lái)表示消聲器的消聲效果。因?yàn)殪o態(tài)消聲量是一個(gè)定值，而動(dòng)態(tài)消聲量則受氣流速度的影響，是一個(gè)不定值，因此消聲器評(píng)價(jià)指標(biāo)常用靜態(tài)消聲量表示。8.1.3消聲器的種類8.1.3.1阻性消聲器阻性消聲器靠管道內(nèi)壁裝貼吸聲材料消聲，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好的吸收中、高頻噪聲的特點(diǎn)。目前應(yīng)用較廣，主要用于控制風(fēng)機(jī)的進(jìn)、排氣噪聲，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣噪聲等。8.1.3.2抗性消聲器抗性消聲器與阻性消聲器的消聲原理不同，它不用吸聲材料，不直接吸收聲能，而是利用管道的聲學(xué)特性，在管道設(shè)突變界面或旁接共振腔，使沿管道傳播的聲波反射或吸收，從而達(dá)到消聲的目的。抗性消聲器對(duì)中、低頻噪聲消聲效果好，適用于清除頻帶比較窄的噪聲?？剐韵暺髦饕糜诿}動(dòng)性氣流噪聲的消除，如空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣噪聲、內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲的控制等。8.1.3.3阻抗復(fù)合式消聲器阻抗復(fù)合式消聲器在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。由于阻性消聲器在中高頻范圍內(nèi)有較好的消聲效果，而抗性消聲器在中、低頻段有較好的消聲效果，把兩者結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)成阻抗復(fù)合式消聲器，就可以在較寬頻率范圍內(nèi)取得較高的消聲效果。8.1.3.4擴(kuò)散性消聲器擴(kuò)散性消聲器主要用于小噴口高壓排氣或放空所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。這類消聲器常見的有小孔噴注消聲器、多孔擴(kuò)散消聲器、節(jié)流降壓消聲器等。擴(kuò)散性消聲器的消聲特點(diǎn)是消聲頻帶寬，主要用于消除高壓氣體排放的噪聲，如鍋爐排氣、高爐放風(fēng)等。8.1.3.5損耗型消聲器損耗型消聲器是在氣流通道內(nèi)壁安裝穿孔板或微孔板，利用微孔的聲阻來(lái)消耗聲能，以達(dá)到降噪目的，主要用于超凈化空調(diào)系統(tǒng)及高溫、潮濕、油霧、粉塵和其他要求特別清潔的場(chǎng)合。除上述5種常見的消聲器外，為適應(yīng)某些特殊的聲學(xué)環(huán)境，近年研制出許多新型的消聲器，如噴霧消聲器、引射滲冷消聲器、有源消聲器等。一個(gè)合適的消聲器，可使氣流噪聲降低20~40dB，使聲學(xué)環(huán)境得到明顯改善。8.1.4消聲器的設(shè)計(jì)程序8.1.4.1對(duì)噪聲源作頻譜分析通常可測(cè)定63Hz~8kHz頻段范圍內(nèi)1倍頻程的8個(gè)頻帶聲壓級(jí)和A聲級(jí)。如果噪聲環(huán)境中有明顯的尖叫聲，則需作1/3倍頻程或更窄的頻帶分析。將噪聲的強(qiáng)度(聲壓級(jí))按頻帶順序展開，使噪聲的強(qiáng)度成為頻率的函數(shù)，并考查其波形，了解噪聲聲源的特征，為噪聲控制提供依據(jù)。8.1.4.2確定控制噪聲的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)對(duì)噪聲源的調(diào)查及使用上的要求，決定控制噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，則增加成本，消聲器體積增大或使措施復(fù)雜；標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，則達(dá)不到保護(hù)環(huán)境的目的。有時(shí)，環(huán)境噪聲和其他不利條件的影響(如控制范圍內(nèi)有多個(gè)噪聲源的干擾等)，也是考慮確定消聲器必須達(dá)到的消聲量因素。8.1.4.3計(jì)算消聲器所需的消聲量在計(jì)算消聲器所需的消聲量AL時(shí)，對(duì)不同的頻帶要求不同，應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算：AL=Lp-ALd-La(8.3)式中Lp—聲源每一頻帶的聲壓級(jí)(dB)；ALd—無(wú)消聲措施時(shí)，從聲源至控制點(diǎn)經(jīng)自然衰減所降低的聲壓級(jí)La—控制點(diǎn)允許聲壓級(jí)(dB)。8.1.4.4消聲器的選擇應(yīng)根據(jù)各頻帶所需的消聲量AL選擇不同類型的消聲器，如阻性、抗性、阻抗復(fù)合式或其他類型。在選取消聲器類型時(shí)，要作方案比較并作綜合平衡。8.1.4.5檢驗(yàn)實(shí)際消聲效果根據(jù)設(shè)計(jì)方案，檢驗(yàn)實(shí)際消聲效果是否達(dá)到預(yù)期要求，否則需修改原設(shè)計(jì)，作出補(bǔ)救措施。8.2阻性消聲器阻性消聲器利用吸聲材料消聲，把吸聲材料固定在氣流通道內(nèi)壁或按一定方式排列在管道中，就構(gòu)成阻性消聲器。當(dāng)聲波進(jìn)入消聲器中，吸聲材料使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散，達(dá)到了消聲目的。與電學(xué)類比，吸聲材料相當(dāng)于電阻，故稱阻性消聲器。阻性消聲器品種很多，主要有直管式、片式、蜂窩式、直板式、聲流線式、室式、迷宮式、盤式、消聲彎頭等。8.2.1直管式阻性消聲器最簡(jiǎn)單的阻性消聲器是單通路直管式(圓管或方管)，它在管壁上開孔并襯7貼吸聲材料而成，如圖8.1所示。阻性消聲器的消聲計(jì)算公式不十分準(zhǔn)確，而吸聲材料的吸聲系數(shù)很容易測(cè)得，所以常用吸聲系數(shù)對(duì)消聲值作近似估算。阻性消聲器的消聲量AL可按下式(別洛夫公式)估算：式中o(a0)—消聲系數(shù)，與材料的正入射吸聲系數(shù)a0有關(guān)，可由表8.1查得；得P0—?dú)饬魍ǖ罃嗝嬷荛L(zhǎng)(m)；圖8.1直管式阻性消聲器s—?dú)饬魍ǖ罊M截面積(m2)；l—消聲器的有效長(zhǎng)度(m)。表8.1α0與a(α0)的換算關(guān)系a00.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60~1.0o(a0)0.050.110.170.240.310.390.470.550.640.750.861.0~1.5計(jì)算消聲量還有一個(gè)公式(賽賓公式)：式中a為混響室內(nèi)測(cè)得的吸聲材料平均吸聲系數(shù)，P0、l和s的意義同式(8.4)。為了計(jì)算方便，表8.2列出了a與a1.4的關(guān)系。此公式用于a為0.2~0.8，頻率f為200~2000Hz，管道斷面大小為22.5~45cm2、比例為1:1~1:2的矩形通道。表8.2與1.4的換算關(guān)系a0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.600.700.800.90a-1.4a管式消聲器對(duì)中、高頻噪聲有較好的消聲效果，但對(duì)一定截面的消聲器，當(dāng)頻率達(dá)到一定值時(shí)，聲波會(huì)在管道中沿軸向直線傳播，形成“聲束”，很少與管壁上的吸聲材料接觸，消聲量大大降低。使消聲量明顯下降的頻率稱高頻失效頻率fn，其經(jīng)驗(yàn)公式為：fn=1.85(8.6)式中D—消聲通過(guò)截面的當(dāng)量直徑(對(duì)于圓管即為直徑；對(duì)長(zhǎng)、寬為a、b的矩形通道，D=m)；c—聲速(m/s)。當(dāng)頻率高于/n后，每增加一個(gè)倍頻程，其消聲量降低30%。因此，只有在通道半徑較小時(shí)(0.3m)才用直管式消聲器，以保證/n有較大的值。對(duì)小風(fēng)量的管道的設(shè)計(jì)，可采用單通道直管式消聲器；而對(duì)風(fēng)量較大的粗管道，由于高頻失效，不能使用單通道直管式消聲器，應(yīng)采用多通道形式。8.2.2多通道的阻性消聲器8.2.2.1片式消聲器片式消聲器如圖8.2所示。當(dāng)氣流流量較大，通道半徑不能太小時(shí)，為使/n較大，可將大通道分成幾個(gè)小通道，在隔板上鋪設(shè)吸聲材料，構(gòu)成了片式消聲器。片式消聲器消聲量計(jì)算公式和直管式消聲器計(jì)算公式相似：當(dāng)每個(gè)通道的構(gòu)造和尺寸相同時(shí)，單通道內(nèi)的消聲量即為整個(gè)消聲器的消聲量。片式消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中、高頻消聲效果好，使用得較多。為不妨礙氣體流動(dòng)，片式消聲器圖8.2片式消聲器的通道截面應(yīng)設(shè)計(jì)為通道截面的1.5倍。8.2.2.2折板式消聲器折板式消聲器是將片式消聲器中直板狀的隔板做成彎折狀。如圖8.3所示，彎折狀的隔板有更多機(jī)會(huì)與聲波接觸，發(fā)揮吸聲材料的作用，使吸聲量提高，中高頻的消聲性能得到改善。折板式阻損(氣流通過(guò)消聲器時(shí)，進(jìn)氣端流體靜壓強(qiáng)與出氣端流體靜壓強(qiáng)的差圖8.3折板式消聲器值，阻損增大意味著消聲器空氣動(dòng)力性能變壞)大于片式阻損，因此彎折板的彎折度一般以兩頭不透氣為原則，彎折角不超過(guò)20o。折板式的缺點(diǎn)是阻損大，氣體流速較快時(shí)不宜采用。8.2.2.3聲流式消聲器將折板式消聲器隔板由彎折狀改為正弦曲線狀就成為聲流式消聲器，如圖8.4所示。當(dāng)聲波通過(guò)時(shí)，增加反射次數(shù)，并對(duì)某些頻率的聲波產(chǎn)生吻合振動(dòng)，從而改善吸聲性能。這種消聲器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高。8.2.2.4蜂窩式消聲器蜂窩式消聲器由許多平行的小管式消聲器組成，如圖8.5所示。計(jì)算公式與直管式消聲器相同，因?yàn)槭遣⒙?lián)，只計(jì)算一個(gè)小管的消聲量即可。因管道的周長(zhǎng)L與截面s之比值比直管和片式的大，消聲量較高，且小管的尺寸小，使消聲失效頻率提高，從而改善了高圖8.4聲流式阻性消聲器頻消聲特性。蜂窩式優(yōu)點(diǎn)是中、高頻消聲效果好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻損較大，通常在大風(fēng)量低流速時(shí)使用。蜂窩式消聲器的通流截面可選為管道通流截面的1.5~2倍。8.2.2.5室式消聲器室式消聲器如圖8.6所示，在壁面上均襯貼有吸聲材料，形成小消聲室，并在室的兩對(duì)角插上圖8.5蜂窩式阻性消聲器進(jìn)出口風(fēng)管。當(dāng)聲波進(jìn)入消聲室后，在小室內(nèi)經(jīng)多次反射而被材料吸收。又由于管道從進(jìn)風(fēng)口至室內(nèi)，從室內(nèi)至出風(fēng)口，截面發(fā)生兩次突變，起到抗性消聲器(在第8.3節(jié)中討論)的作用。室式消聲器的消聲頻帶較寬，消聲量較大，但阻損較大，占有空間大，一般用于低速進(jìn)排風(fēng)消聲。圖8.6室式消聲器室內(nèi)消聲器的傳聲損失LTL為：LTL=-10lg[s(+)](8.8)式中s—進(jìn)風(fēng)口(或出風(fēng)口)的面積(m2)；sm—小室內(nèi)吸聲襯貼表面面積(m2)；—材料平均吸聲系數(shù)；D—進(jìn)風(fēng)口至出風(fēng)口的距離(m)，D2=W2+(H-d)2。cos9=W/D從式(8.8)可以看出室式消聲器的消聲原理，小括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是進(jìn)口到出口的直達(dá)聲，cos9相當(dāng)于指向性因數(shù)，口的直達(dá)聲，cos9相當(dāng)于指向性因數(shù)，為房間常數(shù)的倒數(shù)1/R，前項(xiàng)為直接sma聲隨距離的衰減，后項(xiàng)為混響聲的衰減。進(jìn)口相當(dāng)于聲源，出口為接收點(diǎn)。由于沒有考慮到進(jìn)出口的面積突變因素，因此實(shí)際進(jìn)出口的聲壓級(jí)差比LTL還要大。8.2.2.6迷宮式消聲器在空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)出口、管道分支或排氣口等位置，設(shè)置容積較大的箱(室)，在其內(nèi)部加襯吸聲材料和吸聲障板，就組成迷宮式消聲器，如圖8.7所示。這種消聲器除具有阻性消聲作用外，通過(guò)小室斷面的擴(kuò)大與縮小，還具有抗性作用，因此消聲頻率范圍寬。這種消聲器的消聲量可用下式估算：AL=101g(8.9)圖8.7迷宮式消聲器式中a—內(nèi)襯吸聲材料的吸聲系數(shù)；sm—內(nèi)襯吸聲材料的表面積(m2)；s—進(jìn)(出)口的截面積(m2)。迷宮式消聲器的缺點(diǎn)是體積大、阻損大，只在流速很低的風(fēng)道上使用。8.2.2.7盤式消聲器盤式消聲器在空間尺寸受限制條件下使用，如圖8.8所示。其外形呈盤形，使消聲器的軸向長(zhǎng)度和體積縮減。因消聲通道截面是漸變的，氣流速度隨之變化，阻損較小，還因?yàn)檫M(jìn)氣和出氣方向互相垂直，使聲波發(fā)生彎圖8.8盤式消聲器折，故提高了中、高頻的消聲效果。一般軸向長(zhǎng)度不到0.5m，插入損失為10-15dB(A)。此種消聲器適用于風(fēng)速不大于16m/s處。8.2.2.8消聲彎頭在彎管內(nèi)壁襯貼吸聲材料，就成為消聲彎頭，如圖8.9所示。彎頭上襯貼吸聲材料的長(zhǎng)度，一般相當(dāng)管道截面尺寸的2-4倍，沒有吸聲材料的彎頭消聲效果很差。在高頻范圍，襯貼有足夠長(zhǎng)吸聲材料彎頭的消聲量圖8.9消聲彎頭比沒有吸聲材料彎頭的消聲量高圖8.9消聲彎頭聲彎頭的消聲量近似與彎頭角度成正比，如30o彎頭消聲量約為50o彎頭消聲量的1/3。300mm，可選用直管式；管道直徑大于300mm，可在圓管中設(shè)置一吸聲層或吸聲芯，如圖8.10所示；通道直徑大于500mm，應(yīng)采用片式、蜂窩式或聲流式(對(duì)于片式、蜂窩式要注意流速不應(yīng)超過(guò)10-20m/s)。消聲器的長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好，當(dāng)然長(zhǎng)一些可提高消聲量，但要從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般現(xiàn)場(chǎng)使用的空氣動(dòng)力設(shè)備管道，消聲器的長(zhǎng)度應(yīng)為1-3m。吸聲材料是決定阻性消聲器消聲性能的重要因素。對(duì)于同樣尺寸的阻性消聲器，其消聲的頻率范圍和消聲量取決于吸聲材料的種類、厚度、密度。此外，還要考慮吸聲材料的護(hù)面層，如果沒有護(hù)面層，吸聲材料會(huì)被氣流沖走。一般護(hù)面層有布、金屬網(wǎng)、玻璃布、穿孔板等。穿孔板經(jīng)常取5~8mm的厚度，氣流速度越大，孔徑應(yīng)越小，穿孔率要大于20%。一阻性消聲器的截面如圖8.10設(shè)置在圓管中的吸聲層或吸聲芯圖8.11所示，消聲器上吸聲材料的a0=0.6。若要求消聲量為20dB，問消聲器的長(zhǎng)度應(yīng)為多少才合適？該消聲器失效頻率為多少？ s·ALl=P0·。(a0)ALmma0=0.6，得圖8.11例8.1附圖s3wHP0=3x2(w+H)=x=61.5x10-3所以l=61.5×10-3×20=1230mm=1.23m。即消聲器的長(zhǎng)度取1.23m合適。為求出失效頻率，要利用式(8.6)：fn=1.85c/D式中c=340m/s，D=^200×10-3×320×10-3=0.25m。代入上式后可求出fn=1.85×340/0.25=2516Hz。8.2.3氣流對(duì)阻性消聲器性能的影響前面介紹的消聲量計(jì)算公式，是在忽略空氣存在的前提下導(dǎo)出的，但消聲器在氣流中工作，氣流的存在影響消聲器的消聲性能，所以一個(gè)消聲器在現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際消聲效果，必須考慮氣流對(duì)消聲性能的影響。8.2.3.1氣流對(duì)聲傳播規(guī)律的影響氣流對(duì)聲傳播規(guī)律的影響可具體歸結(jié)到單位長(zhǎng)度消聲量(即式(8.4)中的消聲系數(shù)。(a0))的變化上。理論分析給出如下的近似公式：(8.10)o'(a0)=o(a(8.10)式中o'(a0)—有氣流時(shí)的消聲系數(shù)；o(a0)—無(wú)氣流時(shí)的消聲系數(shù)；M—馬赫數(shù)，即消聲器內(nèi)流速與聲速之比。根據(jù)理論分析o'(a0)主要與1’(1＋M)2有關(guān)，氣流對(duì)消聲器性能的影響與流速有關(guān)，與氣流方向也有關(guān)。當(dāng)流速高時(shí)，M值越大，對(duì)消聲性能影響越大。當(dāng)氣流方向與聲傳播方向一致(如裝在風(fēng)機(jī)的排氣管道上的消聲器)，M為正值，其中的消聲系數(shù)o'(a0)將變?。划?dāng)氣流方向與聲傳播方向逆向時(shí)(如裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道上的消聲器)，M為負(fù)值，消聲系數(shù)o'(a0)將變大。這就是說(shuō)，順流與逆流相比較，逆流較有利。但是，工業(yè)上的輸氣管道，氣流速度不會(huì)太高，即使當(dāng)流速w=30~40m’s時(shí)，M=0.1，對(duì)整個(gè)消聲器的消聲性能影響不大，一般可忽略不計(jì)。另外，氣流速度會(huì)引起聲傳播折射，消聲器在排氣管道與進(jìn)氣管道表現(xiàn)不同。在排氣管中，氣流方向與聲傳播方向相同，如圖8.12所示，管道中央聲波傳播速度高，在側(cè)壁聲速低。根據(jù)聲折射原理，聲射線向管壁方向彎曲，由于周壁襯貼吸聲材料，能更好地吸收聲能。在進(jìn)氣管道中，氣流方向與聲傳播方向相反，見圖8.13所示，導(dǎo)致在管道中央聲速低，在周壁聲速高，根據(jù)折射原理，聲射線向管道中央彎曲，對(duì)直管阻性消聲器的消聲作用不利。綜上所述，消聲器安裝在排氣管和進(jìn)氣管道上，各有利弊。由于工業(yè)輸氣管道中的氣流速度不高，氣流對(duì)聲傳播規(guī)律的影響都不大。2氣流再圖8.12氣流與聲傳播同向時(shí)的折射生圖8.13氣流與聲傳播逆向時(shí)的折射噪聲相當(dāng)于在原有噪聲上又疊加一種新的噪聲。分析氣流再生噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，大致有兩個(gè)方面：一是(重要原因)消聲器的部件不可能制作得非常平滑，有時(shí)為了增加消聲效果，將消聲器做成彎折、截面突變或設(shè)置障礙物，致使氣流在前進(jìn)中產(chǎn)生湍流；二是消聲器的構(gòu)件如薄板、空腔管壁等在氣流沖擊下發(fā)生振動(dòng)而輻射噪聲，有時(shí)還可能發(fā)生系統(tǒng)共振，輻射出很強(qiáng)的再生噪聲。消聲器總有氣流的影響存在，其噪聲應(yīng)為聲源噪聲和氣流再生噪聲的疊加，因此消聲器的效果受到氣流再生噪聲的影響。所以，消聲器的設(shè)計(jì)不應(yīng)使氣流的流速過(guò)高，否則不僅消聲器的聲學(xué)性能受到影響，而且空氣動(dòng)力性能也會(huì)變差。一般來(lái)講，對(duì)于空調(diào)消聲器，流速不宜超過(guò)10m/s；對(duì)于壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)消聲器，流速不應(yīng)超過(guò)20-30m/s；對(duì)于內(nèi)燃機(jī)、鑿巖機(jī)消聲器，流速應(yīng)選在30-50m/s；對(duì)于大流量排氣放空消聲器，流速可選50-80m/s。8.2.4阻性消聲器的設(shè)計(jì)原則8.2.4.1確定消聲量根據(jù)環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)考慮設(shè)備的具體條件，合理確定實(shí)際所需要的消聲量。對(duì)于各頻帶所需的消聲量，可參考相應(yīng)的NR曲線來(lái)確定(見圖4.3所示)。8.2.4.2合理選擇消聲器的結(jié)構(gòu)形式首先根據(jù)氣流流量和消聲器所控制的流速(平均流速)計(jì)算所需的通流截面，以此來(lái)選擇消聲器的形式。8.2.4.3正確選擇吸聲材料正確選擇吸聲材料是決定阻性消聲器消聲性能的主要因素。除考慮材料的聲學(xué)性能外，還要考慮消聲器的實(shí)際使用條件，在高溫、潮濕、有腐蝕性氣體等特殊環(huán)境中，應(yīng)考慮吸聲材料的耐熱、防潮、抗腐蝕性能。有關(guān)吸聲材料的聲學(xué)性能可參見第6.1節(jié)。8.2.4.4確定消聲器的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)噪聲源的強(qiáng)度和降噪現(xiàn)場(chǎng)要求來(lái)決定消聲器的長(zhǎng)度。增加消聲器長(zhǎng)度可提高消聲量，但應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)空間允許的安裝尺寸，一般為1-3m。8.2.4.5合理選擇消聲材料的護(hù)面結(jié)構(gòu)阻性消聲器中的吸聲材料在氣流中工作，必須用護(hù)面結(jié)構(gòu)固定。護(hù)面結(jié)構(gòu)形式主要由消聲器通道內(nèi)的流速?zèng)Q定，見表8.3所示。表8.3各種流速下吸聲護(hù)面形式8.3抗性消聲器抗性消聲器主要利用聲抗的大小消聲，不使用吸聲材料，利用管道截面的突變或旁接共振腔使管道系統(tǒng)的阻抗失配，產(chǎn)生聲波反射、干涉現(xiàn)象，從而降低由消聲器向外輻射的聲能，達(dá)到消聲目的。常用的有擴(kuò)張消聲器和共振腔消聲器兩大類。8.3.1擴(kuò)張性的消聲器擴(kuò)張性的消聲器如圖8.14所示，由管和室組成。圖8.14單擴(kuò)張室的消聲器結(jié)構(gòu)及消聲特性示意圖8.3.1.1消聲原理當(dāng)聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于消聲器各部分尺寸時(shí)，管子內(nèi)的空氣柱像活塞一樣運(yùn)動(dòng)。不同的管子和擴(kuò)張室組合，相當(dāng)于不同聲質(zhì)量和聲順的組合。適當(dāng)?shù)慕M合就可以阻止某些頻率的噪聲通過(guò)消聲器，從而達(dá)到消聲目的。8.3.1.2擴(kuò)張室消聲量的計(jì)算圖8.14中，在截面為s1的管道中插入一段長(zhǎng)度為l、截面為s2的管道(擴(kuò)張室)，即構(gòu)成最簡(jiǎn)單的單節(jié)擴(kuò)張室消聲器。根據(jù)管道傳播理論，聲波通過(guò)擴(kuò)張室時(shí)，其聲強(qiáng)透射系數(shù)為： 4I2T=4cos2(kl)＋(s2/s1＋s1/s2)2sin2(kl)=I1式中k為波數(shù)，k=2m/入，入為聲波波長(zhǎng)；I1和I2分別為通過(guò)擴(kuò)張室前后的聲強(qiáng)。今定義擴(kuò)張比m=s2/s1，上式可改寫為：cosklmsinkl=l＋(m-)2sin2(kl)于是，消聲量(聲壓級(jí)差或聲強(qiáng)級(jí)差)為：AL=Ll-L2=l01g-l01g=l01glll可以看出，管道截面收縮m倍或擴(kuò)張m倍，其消聲作用是相同的，在實(shí)用中為了減少對(duì)氣流的阻力，常用擴(kuò)張管。擴(kuò)張室消聲器的消聲量與sin(kl)有關(guān)，所以消聲量隨頻率作周期性變化，為設(shè)計(jì)方便，將式(8.ll)的計(jì)算結(jié)果繪成圖8.l5，消聲量AL與擴(kuò)張比m可由圖中曲線表示。圖8.l5單節(jié)擴(kuò)張室消聲器的消聲量由式(8.ll)可以看出，當(dāng)sin2(kl)=l時(shí)，有最大的消聲量；當(dāng)sin2(kl)=0時(shí)，消聲量等于0，即不起消聲作用，現(xiàn)分別討論如下：張室消聲量達(dá)最大值，此時(shí)式(8.ll)可寫成：ALmax=l01g[l＋(m-)2](8.l2)由上式可以看出，單節(jié)擴(kuò)張室消聲器要取得顯著的消聲效果，必須選取足夠大的擴(kuò)張比，通常m大于l。當(dāng)m大于5時(shí)，可近似地取：ALmax=201g=201gm-6(8.l3)由kl=(2n＋l)時(shí)，消聲量最大，可以導(dǎo)出消聲量達(dá)最大值時(shí)的相應(yīng)頻l82l83率：率fmax=(2n＋l)(8.l4)波可以無(wú)衰減地通過(guò)消聲器，這是單節(jié)擴(kuò)張室消聲器的主要缺點(diǎn)所在。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率稱為消聲器的通過(guò)頻率：fmin=c(8.l5)為了消除某一頻率的噪聲，可適當(dāng)選擇擴(kuò)張室的長(zhǎng)度，使消聲器在該頻率上有最大消聲量。8.3.l.3擴(kuò)張室消聲器的截止頻率擴(kuò)張室消聲器的消聲量隨擴(kuò)張比m的增大而增加。當(dāng)m增大到一定數(shù)值后，波長(zhǎng)很短的高頻聲波以窄束形式從擴(kuò)張室中央穿過(guò)，使擴(kuò)張室不能充分發(fā)揮作用，從而使消聲量急劇下降。擴(kuò)張室有效消聲的上限截止頻率為：f上=l.22(8.l6)式中c—聲速(m/s)；D—擴(kuò)張室截面當(dāng)量直徑(m)。截面為圓形時(shí)，D為直徑；截面為方形時(shí)，D為邊長(zhǎng)；截面為矩形時(shí)，D為截面積的平方根。顯然，擴(kuò)張室截面積越大，f上越小，其消聲頻率范圍越窄。擴(kuò)張室消聲器的消聲頻率范圍，還存在下限截止頻率。在低頻范圍內(nèi)，當(dāng)聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于擴(kuò)張室或連接管的長(zhǎng)度時(shí)，擴(kuò)張室和連接管可以看做是一個(gè)集中聲學(xué)元件構(gòu)成的聲振系統(tǒng)，當(dāng)外來(lái)聲波在系統(tǒng)的共振頻率f下附近時(shí)，消聲器不但不消聲，反會(huì)將聲音放大。只有在大于f下的頻率范圍，消聲器才有消聲作用，所以擴(kuò)張室消聲器的下限截止頻率應(yīng)為：f下=式中sl—連接管的截面積(m2)；V—擴(kuò)張室的體積(m3)；1l—連接管的長(zhǎng)度(m)；c—聲速(m/s)。 c·slm^V1l(8.l7)8.3.l.4改善消聲頻率特性的方法單節(jié)擴(kuò)張室消聲器的主要缺點(diǎn)是存在許多通過(guò)頻率，在通過(guò)頻率處的消聲量為0，即聲波會(huì)無(wú)衰減地通過(guò)消聲器而達(dá)不到消聲的目的。解決辦法通常有兩種：一是在擴(kuò)張室內(nèi)插入內(nèi)接管；二是將多節(jié)擴(kuò)張室串聯(lián)。利用內(nèi)接管的方法將擴(kuò)張的入口管和出口管分別插入擴(kuò)張室內(nèi)，如圖8.16(a)所示。由理論分析可知，當(dāng)插入管長(zhǎng)度等于時(shí)，可消除式(8.15)中n為奇數(shù)的通過(guò)頻率。當(dāng)插入管長(zhǎng)度等于時(shí)，可消除式(8.15)中n為偶數(shù)的通過(guò)頻率。將二者結(jié)合，則可得到較為理想的消聲效果，如圖8.16(b)中的虛線所示。圖8.16帶插入管的擴(kuò)張室消聲器及消聲頻率特性(a)帶插入管的擴(kuò)張室消聲器；(b)插入管消聲的作用將多節(jié)擴(kuò)張室消聲器串聯(lián)，使各節(jié)擴(kuò)張室的長(zhǎng)度為不同數(shù)值，可使其通過(guò)頻率互相錯(cuò)開，如圖8.17所示。如使一節(jié)的通過(guò)頻率恰好是前一節(jié)的最大消聲頻率，圖8.17多節(jié)擴(kuò)張室串聯(lián)消聲器這樣的多節(jié)串聯(lián)就可以改善整個(gè)消聲頻率特性，同時(shí)也使總的消聲量提高。但由于各節(jié)之間有耦合現(xiàn)象，總的消聲量并不等于各節(jié)擴(kuò)張室消聲量的算術(shù)和。8.3.1.5擴(kuò)張室消聲器的設(shè)計(jì)程序(1)根據(jù)噪聲源的頻譜特性，合理分布最大消聲頻率，以此確定各節(jié)擴(kuò)張室及其插入管的長(zhǎng)度。如果噪聲源特性中某一頻率的聲壓級(jí)特別高，可考慮用同樣長(zhǎng)的擴(kuò)張室。插入管的長(zhǎng)度一般按1/4或1/2倍腔長(zhǎng)設(shè)計(jì)。(2)根據(jù)需要的消聲量和氣流速度，確定擴(kuò)張比m，設(shè)計(jì)擴(kuò)張室各部分截面尺寸。在允許范圍內(nèi)，盡量選用較大的擴(kuò)張比。一般情況下，取9<m<16；通道直徑小時(shí)，可取m516，但不宜大于20；通道直徑較大時(shí)，可取m<9，但不應(yīng)小于(3)驗(yàn)算所設(shè)計(jì)擴(kuò)張室消聲器的上、下限截止頻率是否在所需要的頻率范圍以外，否則參考有關(guān)要求重新修改設(shè)計(jì)方案。(4)驗(yàn)算氣流對(duì)消聲量的影響，在給定的氣流速度下，消聲量是否能滿足要求，否則應(yīng)重新設(shè)計(jì)。【例8.2】試設(shè)計(jì)一單節(jié)擴(kuò)張室消聲器，要求在125Hz時(shí)有最大消聲量15dB，設(shè)進(jìn)氣口管徑為150mm【解】擴(kuò)張室的最大消聲頻率分布在125Hz，則擴(kuò)張室的長(zhǎng)度(當(dāng)n=0時(shí))為：l===0.68(m)根據(jù)要求的15dB消聲量，查圖8.15可近似確定擴(kuò)張比m=13。又因?yàn)椋簊2m===13所以D==x0.15=0.54(m)驗(yàn)算截止頻率：f上=1.22=1.22x=768(Hz)由已知條件知進(jìn)氣管長(zhǎng)3m，設(shè)接入的消聲器另一端也帶有1m長(zhǎng)度的150mm的尾管，則有：l1=3+1=4(m)擴(kuò)張室容積：V=(s2-s1)l=(0.23-0.0177)×0.68=0.144(m3)m^Vl1×3.14^0.144×4f上=cs1=340m^Vl1×3.14^0.144×4消聲頻率fmax=125Hz，在f上和f下之間，符合要求。其結(jié)構(gòu)尺寸如圖8.18所示。圖8.18擴(kuò)張室消聲器計(jì)算實(shí)例8.3.2在圖8.19共振腔消聲器通道的管壁上開一些小孔，與管外閉合的空腔相通，就構(gòu)成共振腔消聲器，如圖8.19所示。實(shí)際上它是共振吸聲結(jié)構(gòu)在排氣管道消聲中的具體應(yīng)用。其消聲原理是：小孔孔頸中的空氣柱和空腔構(gòu)成共振系統(tǒng)。在共振頻率下，空氣柱振動(dòng)速度很大，同時(shí)克服摩擦阻力消耗的聲能也最大，因此在共振頻率附近，這種消聲器有較大的消聲量。作為一種模型，可取一個(gè)小孔及它占有的那部分空腔，如圖8.20所示的共振系統(tǒng)。該系統(tǒng)的固有頻率/0為：/0=2m^v/0=2m^v式中c—聲速(m/s)；v—空腔體積(m3)； 圖8.20單腔共振消聲器G—傳導(dǎo)率(m)，定義為小孔孔頸的截面積與孔頸的有效長(zhǎng)度之比，即：(8.19(8.19)l＋md/4式中s0—孔頸截面積(m2)，s0=md2；l0—孔頸深(m)；d—小孔直徑(m)。共振腔消聲器可以看做是許多這樣的模型組合。當(dāng)管道壁上各小孔的孔心距大于孔徑的5倍時(shí)，各孔間的聲輻射互不干涉。消聲器的共振頻率和模型的共振頻率有相同的計(jì)算公式，但傳導(dǎo)率G應(yīng)為模型傳導(dǎo)率的n倍(n為開孔個(gè)理論分析得出消聲器對(duì)頻率為/的純音消聲量AL計(jì)算公式為：(8.20)(8.20)式中s—?dú)饬魍ǖ赖慕孛娣e(m2)；v—空腔體積(m3)；/0—共振頻率。G—傳導(dǎo)率，由式(8.19)得，G=，式中l(wèi)0為氣流通道管壁厚度。度實(shí)際噪聲一般都有較寬的頻帶，所以人們感興趣的不是純音的消聲量，而是某頻帶內(nèi)的消聲量。工程中常要計(jì)算倍頻程或1/3倍頻程帶的消聲量，計(jì)算公式如下：對(duì)倍頻程對(duì)1/3倍頻程(8.22)(8.23)共振腔消聲器的消聲量主要由ζ和G控制，因氣流管道的截面積V一般總是給定了的。設(shè)計(jì)這類消聲器，通常先確定一些量，如管壁的厚度S0(一般取2~5mm)，小孔的孔徑(一般取3~15mm)等。根據(jù)所需消聲頻率及消聲量，確定7值，即確定ζ和G。但共振器的尺寸應(yīng)控制在共振波長(zhǎng)的1/3以下。共振腔消聲器的上限失效頻率可用f上=1.22c/D計(jì)算。式中c為聲速(m/s)；D為共振徑(m)?！纠?.3】如圖8.19所示共振腔消聲器，試計(jì)算該消聲器的消聲量最大頻率，并估計(jì)頻率為100Hz處的消聲量、倍頻程消聲量和上限截止頻率。設(shè)已知內(nèi)壁管壁厚2mm，開孔50個(gè)，每個(gè)孔直徑均為6mm，擴(kuò)張室直徑為40cm，通風(fēng)管道直徑為10cm。因此2m^G6.28^0.047f0=cζ=3400.199=2m^G6.28^0.047在100Hz處的消聲量為：倍頻程消聲量為：A1=101g(1+272)=101g(1+2ζG/4V2)上限截止頻率為：f上=1.22=1.22x=1037(Hz)8.4消聲器的應(yīng)用8.4.1阻性消聲器的應(yīng)用D型羅茨鼓風(fēng)機(jī)配套消聲器是專門為羅茨鼓風(fēng)機(jī)配備的產(chǎn)品，由華東建筑設(shè)計(jì)研究院與上海鼓風(fēng)機(jī)廠、長(zhǎng)沙鼓風(fēng)機(jī)廠共同研制成功。其結(jié)構(gòu)為：D型消聲器是阻性折板式消聲器，采用折線形聲通道，利用聲波在通道內(nèi)的多次反射吸收以及吸聲層厚度的連續(xù)變化，可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)具有較高的消聲效果。如圖8.21所示。8.4.2抗性消聲器的應(yīng)用汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)等使用的排氣消聲器多屬抗性消聲器。用在中小型卡圖8.21D圖8.21D型羅茨鼓風(fēng)機(jī)消聲器結(jié)構(gòu)在消聲器中經(jīng)過(guò)2個(gè)180。的彎折后排出，如圖8.22所示。該消聲器消聲值在30dB(A)左右，功率損失在4%左右。圖8.22中小型卡車上的消聲器8.4.3阻性-共振腔復(fù)合型消聲器的應(yīng)用圖8.23所示為L(zhǎng)G25/16-40/7型螺桿壓縮機(jī)上的消聲器，是阻性與共振腔圖8.23阻性-共振腔消聲器復(fù)合的消聲器。阻性部分以泡沫塑料為吸聲材料粘貼在消聲器通道的四壁上，用于清除該壓縮機(jī)的中、高頻噪聲成分；抗性部分由具有不同消聲頻率的3對(duì)共振腔串聯(lián)組成，設(shè)置在通道中間，用以消除350Hz以下的低頻噪聲成分。在共噪聲級(jí)噪聲級(jí)頻譜(Hz)響度阻力 AC631252505001000200040008000(%)(Pa)白噪聲(m/s)343112263036.539.538.538.538.588白噪聲+氣流(20m/s)770202628.5414439367798白噪聲+氣流(40m/s)23.5602326.54176235降低損失降低損失振腔前、后兩端各有一個(gè)用泡沫塑料制成的尖劈，用以吸收高頻聲和改善消聲器的空氣動(dòng)力性能，提高消聲效果。消聲器有效長(zhǎng)度為1.2m，外徑為640mm。圖8.24所示為消聲器安裝在螺桿壓縮機(jī)上時(shí)，用插入損失法測(cè)得的消聲性能。在低、中、高頻的寬廣范圍上都有較好的消聲效果。8.4.4阻抗復(fù)合消聲器的應(yīng)用圖8.24阻.共式消聲器消聲性能LGA.40/3500型風(fēng)機(jī)進(jìn)、出氣口上的消聲器如圖8.25所示，這種消聲器由阻性和抗性兩部分消聲器組成。抗性消聲部分由兩節(jié)不同長(zhǎng)度的擴(kuò)張室組成，主要用于消除該400mm，擴(kuò)張比m=6.25。在每個(gè)擴(kuò)張室內(nèi)分別插入等于它們各自長(zhǎng)度的1/2和1/4的插入管以消除通過(guò)頻率；為了減少對(duì)氣流的阻力，改善空氣動(dòng)力性能，用穿孔率為30%的穿孔管將插入管連接起來(lái)，這樣的兩節(jié)擴(kuò)張室串聯(lián)，在低、中圖8.25阻抗復(fù)合式消聲器1—阻性；2—擴(kuò)張室；3—共振腔頻部分有10-20dB的消聲量。阻性部分就附在擴(kuò)張室的插入管上，而未單獨(dú)設(shè)計(jì)阻性段，這樣既不增加消聲器的長(zhǎng)度又不影響擴(kuò)張室插入管的作用。在四節(jié)插入管上全部襯貼容積密度為25kg/m3的超細(xì)玻璃棉吸聲層，共長(zhǎng)1125mm。襯貼方法是在插入管上開直徑6mm的小孔，孔心距11mm，正方形均勻分布，然后貼一層玻璃棉，最好填充50mm厚的玻璃絲棉做吸聲層。阻性部分主要用于消除中、高頻噪聲，約有20dB的消聲量。表8.4所示為消聲器在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果，分別測(cè)試消聲器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)消聲性能。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，只用白噪聲源，不存在氣流的影響；動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是指送氣流后的消聲性能。表8.4消聲器實(shí)驗(yàn)結(jié)果聲聲源白噪聲+氣流(60m/s)9.52097322265735實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該消聲器的靜態(tài)消聲值達(dá)34dB(A)，響度降低88%，消聲性能良好，動(dòng)態(tài)消聲值隨氣流速度的增高而降低。在風(fēng)機(jī)正常使用下的20m/s氣流速度下，消聲量仍有2