第九章.消聲器

第九章消聲器教學(xué)目的消聲器技術(shù)指標(biāo)和評價方法(C：理解)阻性消聲器消聲量計算及設(shè)計選型(C：理解)抗性消聲器、消聲量計算及設(shè)計選型(C：理解)4.復(fù)合消聲器(B：識記)B、教學(xué)重點(1)消聲器技術(shù)指標(biāo)和評價方法(2)阻性消聲器消聲量計算及設(shè)計選型(3)抗性消聲器、消聲量計算及設(shè)計選型(4)傳遞矩陣法(5)復(fù)合消聲器及微穿孔板消聲器C、教學(xué)難點1、插入損失與傳聲損失2、阻性消聲器消聲量的計算3、A.N.別洛夫以及H.J.賽賓推導(dǎo)出的經(jīng)驗式4、抗性消聲器消聲量的計算；阻抗復(fù)合消聲器D、教學(xué)用具多媒體——幻燈片E、教學(xué)方法講授法、討論法F、課時安排3課時G、教學(xué)過程前面講述的室內(nèi)吸聲、隔聲主要是關(guān)于環(huán)境的噪聲控制，也就是屬于被動噪聲控制的范疇，今天講的消聲器是屬于噪聲控制工程設(shè)計中的具體設(shè)備，一般認(rèn)為：消聲器在大聲場中作為聲源的附加設(shè)施，即為主動控制；如不被認(rèn)可為附加設(shè)施，則依舊視為被動控制。下面就消聲器作簡單介紹，也就是本堂課講述的內(nèi)容，主要是：設(shè)計消聲器需要了解的設(shè)計目標(biāo)——可衡量的標(biāo)準(zhǔn)、要求；設(shè)計可用的方法——消聲器的設(shè)計原理；設(shè)計完成過程與結(jié)論。一．消聲器的分類、評價和設(shè)計程序——設(shè)計目標(biāo)——可衡量的標(biāo)準(zhǔn)、要求消聲器：一種允許氣流通過而又能有效阻止或降低聲能向外傳播的裝置。減噪對象：空氣動力性噪聲（氣流噪聲）。1．對于一個好的消聲器的要求：a.聲學(xué)性能：在使用現(xiàn)場的正常工作狀況下，在較寬的頻率范圍內(nèi)具有滿足需要的消聲量。b.空氣動力性能：其氣流阻損要小，即對聲源設(shè)備造成的壓力損失或功率損失在實際允許的范圍內(nèi)。c.機(jī)械結(jié)構(gòu)性能：材料耐用，結(jié)構(gòu)上能滿足如耐高溫、耐腐蝕、耐濕等特殊要求，此外，應(yīng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單便于安裝和維修。d.外形和裝飾：符合外形和體積的總體限制等要求，與整體設(shè)備應(yīng)協(xié)調(diào)。e.材料損耗：質(zhì)優(yōu)價廉，壽命長。2、消聲器的四個常用評價量a.插入損失：指聲源與測點之間插入消聲器的前后，系統(tǒng)外某定點（如：排氣口）輻射聲功率級之差。在聲場條件近似不便下也可認(rèn)為插入損失為在同一固定測點所測得的消聲器安裝前后的聲壓級差。它不僅決定于消聲器本身的性能，而且與聲源、末端負(fù)載以及系統(tǒng)總體裝置的情況緊密相關(guān)。適于現(xiàn)場測量及評價。b.傳聲損失：消聲器進(jìn)口端聲功率級與出口端透射聲的聲功率級之差。僅反映消聲器自身的特性，與聲源、末端反射等因素?zé)o關(guān)，適宜于理論分析計算及在實驗室中檢驗消聲器自身的消聲特性。c.減噪量：（也稱聲壓級差）消聲器進(jìn)口端與出口端的平均聲壓級差，是的粗略簡化。d.(軸向聲)衰減量：消聲器內(nèi)部任意兩點間聲功率級的差值，用于描述聲波沿管道傳播特性，通常以消聲器單位長度的衰減量（dB/m）來表征。實際應(yīng)用中和最常用。實際測量中往往<，但對阻性消聲器，與較接近。3、消聲器的應(yīng)用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GB16170-1996《汽車定置噪聲限值》；GB12348-90《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》；GB12523-90《建筑施工廠界噪聲限值》；GB9660-88《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》；GBJ87-85《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》；二.消聲器的設(shè)計原理:在書中，主要是通過原理變化劃分的五種消聲器類型進(jìn)行的闡述，即：阻尼消聲器及其原理、抗性消聲器及其原理、阻抗復(fù)合式消聲器及其原理、微穿孔板消聲器及其原理、擴(kuò)散式消聲器及其原理，對于根據(jù)不同設(shè)施變化延伸出來的消聲器種類，無非是在考慮了上述消聲器原理基礎(chǔ)上的變化種類，大家可以課后看書了解。下面，我們就來分析下這五種消聲器及其原理：阻性消聲器及其原理阻性消聲器是一種吸收型消聲器，利用聲波在多孔性吸聲材料中傳播時的摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉，從而消聲。一般阻性消聲器具有良好的中高頻消聲性能，對低頻消聲性能較差。通過上面介紹，下面對阻性消聲器考慮的設(shè)計因素進(jìn)行分析：下面結(jié)合這些設(shè)計因素來看看在計算設(shè)計中的應(yīng)如何具體應(yīng)用：4.(通道長度、截面面積、截面周長)A.N.別洛夫由一維理論推導(dǎo)出：，以及H.J.賽賓推導(dǎo)出的經(jīng)驗式，這兩種經(jīng)驗式：前者由一維理論推導(dǎo)而出，適用于單向或是倍頻聲壓級等的測定，后者對應(yīng)于無規(guī)入射的條件，故而適用于多聲源或是混響聲場等的測定條件?；Q關(guān)系見書中表9-2、9-3中的關(guān)聯(lián)因子。通過這兩種經(jīng)驗式，可以推知：對于阻性消聲原理，消聲量具有與消聲器長度、界面周長同向變化的關(guān)系，而與消聲器截面面積反向變化關(guān)系。5.(壓力損失)此外，通過上述經(jīng)驗式，以及后面的抗性消聲器及其原理，我們還應(yīng)關(guān)注的是消聲器設(shè)計中的氣流壓力損失變化(194頁：局部壓力損失與沿程阻力損失)、氣流流速變化均與消聲截面面積相關(guān)。6.(當(dāng)量直徑、消聲頻率帶及失效的消聲頻率)此外，阻性消聲器實際消聲量與噪聲頻率相關(guān)，其關(guān)系見176頁公式失效頻率上限：，其中D指當(dāng)量直徑，m——即：對于圓截面，為直徑，對于其他截面，為截面邊長的均值或面積的開方值。C——聲速。7.而高于失效頻率的頻帶消聲量一般低于有效消聲量的2/3。8.(氣流流速、聲速)此外，氣流的影響主要是對吸聲系數(shù)及再造噪聲，參見公式(178頁)吸聲系數(shù)的影響變化：。M——馬赫數(shù)：氣流速度v與聲速c的比值。氣流再造噪聲的A聲級（179頁）：，其中：A為常數(shù)，與管襯結(jié)構(gòu)，特別是表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。9.(阻性結(jié)構(gòu)、設(shè)計選型)最后，是阻性結(jié)構(gòu)的考慮，從書上（176、177頁及圖9-1）的阻性消聲器種類：直管式(適用于低風(fēng)速管道)、片式(適用于大流量時)、蜂窩式(比直管式的消聲量大)、折板式(對中高頻聲波改善性好)、聲流式(低頻消聲性好，造價高)、迷宮式(消聲性好，但損阻高，低風(fēng)速為佳)、盤式(中高頻聲波改善性好,宜低風(fēng)速)、彎頭式消聲器(氣流變向)，我們可以大概了解下其結(jié)構(gòu)的變化，一句話，以實際情況為標(biāo)準(zhǔn)，靈活應(yīng)用設(shè)計結(jié)構(gòu)，沒有死板的固定模式。10.至于書上講述的阻性消聲器的設(shè)計程序：中間的2~5步驟——消聲器的結(jié)構(gòu)形式、吸聲材料、消聲器長度、吸聲材料的護(hù)面長度，都是屬于同時應(yīng)予以考慮的設(shè)計因素，視具體情況及設(shè)計的簡便性，大家應(yīng)該靈活掌握。11.書后應(yīng)用實例中，就主要是關(guān)于阻性消聲器的設(shè)計指標(biāo)考慮，包含了63~8000Hz倍頻程的詳細(xì)列表，是設(shè)計中一個良好范例，大家翻開書198頁（就分頻特點、計算步驟簡要介紹）?？剐韵暺骷捌湓砼c阻性消聲器不同的是，它不使用吸聲材料，僅依靠管道截面的突變或旁接共振腔等在傳播過程中引起阻抗的改變而產(chǎn)生聲能的反射、干涉、從而降低又消聲器向外輻射的能量，達(dá)到消聲目的。一般適用于窄帶噪聲和中低頻噪聲的控制。對比阻性消聲器的參考因素，抗性消聲器需要考慮如下的變化因素：壓力損失與阻性消聲器一樣計算，下面結(jié)合這些設(shè)計因素(同上面一樣)來看看該如何具體的運用于計算設(shè)計中：4.抗性消聲器主要有擴(kuò)張室式、共振腔式，主要先介紹下擴(kuò)張室式消聲器：5.(空氣密度、聲速、突變截面積之比、透射、反射)如突變截面積之比S1/S2，又稱為抗性消聲器的擴(kuò)張比，其與聲反射、聲透射之間的關(guān)系：聲壓反射系數(shù)：；聲強(qiáng)反射系數(shù)：；聲強(qiáng)透射系數(shù)：；聲功率透射系數(shù)：（參見182頁圖9-5）通過反射系數(shù)、透射系數(shù)的求解：注意其中程式反映的截面積比與聲能反射與透射的關(guān)系，由此可以對設(shè)計中主要設(shè)計是考慮反射還是透射的降噪方式作選擇。6.(擴(kuò)張管腔長度、波長、抗性消聲器的固有頻率、突變截面積之比)抗性消聲器消聲量的計算：，m=S2/S1固有頻率：，按照書中所述：對sinkl進(jìn)行討論，得出：擴(kuò)張比越大，傳遞損失越大，但當(dāng)kl=nπ時，即，，傳遞損失將為0，此為單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的最大缺點?？赏ㄟ^多擴(kuò)張室、不同管徑插管予以改善，如在擴(kuò)張室兩端各插入與的管以分別消除n為奇數(shù)和偶數(shù)對的通過頻率低谷。7.(當(dāng)量直徑、擴(kuò)張室體積、聲速、連接管長度)共振消聲器具有獨特的上下截止頻率計算，這主要是由共振腔的單一主頻率消聲特性所決定的。上限截至頻率：下限截至頻率：8.對于共振腔式消聲器（參見184頁的圖9-7，右圖），可知：，其中：，從186頁的圖9-8種可知：K值越小，消聲量的變化隨頻率增加，越為急劇下降。G為傳導(dǎo)率(見“10”)，是一個具有長度單位的物理量。9.(共振吸收頻率)當(dāng)聲波波長大于共振腔消聲器最大尺寸的3倍時，其共振吸收頻率為：10.空心距為小孔直徑5倍以上時，無干涉現(xiàn)象。，（n為孔數(shù)）——孔頸截面積，m3；d——小孔直徑，m；t——小孔頸長，m。11.傳遞矩陣法是抗性消聲器消聲性能的普遍分析方法概述。由平面波假設(shè)，任一截面上的聲學(xué)狀態(tài)可用聲壓p以及體積振動速度V兩個狀態(tài)參數(shù)來描述，聲學(xué)單元兩端的聲學(xué)狀態(tài)可用一傳遞矩陣來聯(lián)系起來，即——等價于為該聲學(xué)單元的傳遞矩陣，A、B、C、D為無量綱量，與p有相同的量綱。分別反映聲學(xué)單元兩端的聲學(xué)狀態(tài)，叫做狀態(tài)向量T-1為傳遞矩陣T的遞矩陣。若所研究的消聲系統(tǒng)由N個串接的聲學(xué)單元組成，則逐個考慮各聲學(xué)單元的作用，可得：∏0=T1﹒T2…TN﹒∏N∏N=TN-1﹒TN-1-1…T1-1﹒∏0即各單元傳遞矩陣連乘后所得矩陣就是總的傳遞矩陣。12.總之，共振消聲器適用于中低頻消聲，但消聲頻帶較窄。可通過選用K值大的設(shè)計或增加聲阻，即增加些吸聲材料、再有就是多節(jié)不同的共振腔串聯(lián)。書后例2的應(yīng)用實例介紹了其設(shè)計的具體過程，大家看一下，同時也可以知道，共振腔式的消聲器為什么消聲頻率范圍較窄了。對于抗性消聲器中后面的干涉消聲器與有源消聲器，分別采用了分支管路與聲源主動干涉方法，主要是利用了聲波的疊加原理，一般用得較少。下面還有阻抗復(fù)合式消聲器及其原理、微穿孔板消聲器及其原理、擴(kuò)散式消聲器及其原理，前者是阻性消聲器與抗性消聲器的綜合運用，后者則有一定的應(yīng)用條件特點，下面對它們的應(yīng)用特點予以簡要介紹：阻抗復(fù)合式消聲器及其原理是將阻性和抗性兩種消聲器原理組合起來使用的，故此具有寬頻帶的適用范圍，而且由于組合的多樣性，其可以控制高強(qiáng)度的寬頻帶噪聲。一般阻抗復(fù)合式消聲器具有：阻性-擴(kuò)張室復(fù)合式、阻性-共振復(fù)合式、阻性-擴(kuò)張室-共振腔復(fù)合式等多種形式。需要說明的是：由于聲波的反射、干涉、衍射等現(xiàn)象，復(fù)合式消聲器的消聲量并不是簡單的疊加關(guān)系。其考慮的因素也不僅僅是上述兩者(阻性、抗性)中的因素，還包含了連接部位的變化及組合方式與聲遠(yuǎn)距離的關(guān)系。如汽車尾氣排放的消聲裝置，就是一個消聲器，在設(shè)計時，要考慮與聲源接管的連續(xù)性，以確保氣流的傳遞中不會產(chǎn)生壓力值的突然變化，造成壓力損失。此外，根據(jù)設(shè)計，一般阻性消聲器設(shè)計的離聲源遠(yuǎn)一些，抗性消聲器設(shè)計的離聲源近一些，這樣高頻聲在離聲源較遠(yuǎn)處的消聲效果要好得多(涉及到聲波的干涉、衍射)。微穿孔板消聲器及其原理是一種高聲阻、低聲質(zhì)量的吸聲元件，理論上，聲阻與穿孔板上的孔徑成反比，即孔徑越小，聲阻越大，但限于加工工藝，現(xiàn)有孔徑一般取0.5~1.0mm，穿孔率一般為1%~3%。為保證寬頻帶有較高的吸聲系數(shù)，可采用雙層微穿孔板結(jié)構(gòu)，從而形成實質(zhì)上的阻抗復(fù)合式消聲器。勿需吸聲材料，消聲頻帶寬，重量輕，耐高溫，耐蒸汽，摩擦阻損小。；其中：；微穿孔板的共振頻率：還有一個經(jīng)驗公式(193頁)，主要適用于高頻噪聲，一般少用。擴(kuò)散式消聲器及其原理是一種研究噴氣噪聲輻射的理論和實驗中開發(fā)出的新型消聲器，主要用于降低高壓排氣放空的空氣動力性噪聲，原來的書中講述的較少。這里只提示一點：噴注噪聲是寬頻帶噪聲，其峰值頻率為：3.其應(yīng)用原理是：采用眾多的小孔代替大截面噴口，轉(zhuǎn)移噪聲頻率，使之趨于高頻，超出人耳感覺范圍，達(dá)到消聲目的。，4.此外還有多孔擴(kuò)散消聲器，其是利用了氣流通過多孔裝置的速度及駐點壓力下降的原理設(shè)計的。對于書中介紹的節(jié)流減壓消聲器、噴霧消聲器、引射摻冷消聲器，大家了解下就可以了，在實際應(yīng)用中，主要根據(jù)實際的氣流壓力要求、噪聲的主流頻率、以及消聲量要求而采用多種方式的復(fù)合予以靈活設(shè)計。需要強(qiáng)調(diào)設(shè)計原理中的事項是關(guān)于消聲器的壓力損失，這是一個消聲器設(shè)計中常見的涉及因素之一，了解其原理，有助于設(shè)計應(yīng)用性能更好的消聲器。忽略它，往往導(dǎo)致消聲器設(shè)計的失敗。三．設(shè)計完成過程與結(jié)論。消聲器的設(shè)計程序：（五個程序）噪聲源現(xiàn)場調(diào)查及特性分析；噪聲標(biāo)準(zhǔn)的確定；消聲量的計算；選擇消聲器類型；檢驗。在上述五個設(shè)計程序中大家要注意的是：噪聲源現(xiàn)場調(diào)查及特性分析：要達(dá)到了解生源狀況、現(xiàn)場環(huán)境條件、安裝條件。測試標(biāo)準(zhǔn)對聲源的針對性。噪聲標(biāo)準(zhǔn)的確定：要注意環(huán)境的噪聲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、國家相關(guān)噪聲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、地方相關(guān)法規(guī)。消聲器類型選擇：根據(jù)氣流性質(zhì)、安裝現(xiàn)場條件、各頻帶的消聲量、綜合平衡后確定消聲器的類型、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)。消聲量的計算：在考慮其他設(shè)計前提條件下，從材料、管徑、結(jié)構(gòu)(包括阻性消聲器的管路安排、抗性消聲器的共振腔室、傳導(dǎo)率等)考慮，總之盡最大可能的達(dá)到設(shè)計要求的消聲量。檢驗：驗算消聲效果、包括上下截止頻率，消聲器的壓力損失、是否在允許范圍內(nèi)。對未達(dá)要求的，提出改進(jìn)、補救措施。結(jié)論：消聲器的設(shè)計是一個綜合性的設(shè)計，和其它專業(yè)設(shè)計一樣，最接近產(chǎn)品的制造與實現(xiàn)，因此，對消聲器的設(shè)計要考慮的不僅僅是噪聲的消聲量，還包含了相關(guān)的技術(shù)設(shè)計，如空氣動力——氣流量等方面，此外，歷史經(jīng)驗表明，一門課的知識點，往往是與其它專業(yè)知識點相通，舉最簡單的例子，光纖傳導(dǎo)，最早就與聲學(xué)知識相關(guān)，是由聲在銅金屬線的傳導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)了金屬表面的氧化膜層的反約束作用而不斷創(chuàng)新而引出來的成果。總之，期望大家學(xué)到