消声器设计

本讲内容消声器是一种在允许气流通过的同时，又能有效地阻止或减弱声能向外传播的装置。它主要用于机械设备的进、排气管道或通风管道的噪声控制。一个性能好的消声器，可使气流噪声降低20～40dB（A）。但是，消声器只能降低空气动力设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声，不能降低空气动力设备的机壳、管壁等辐射的噪声。消声器类型很多，按其降噪原理主要有如下三种类型：阻性消声器、抗性消声器和复合式消声器。本章主要介绍阻性消声器、抗性消声器的消声原理及设计，简述其他消声器的消声原理、结构特点及适用的场合。本讲内容本章内容8.1消声器性能评价8.2消声器的分类和消声机理8.3阻性消声器8.4抗性消声器8.5其他消声器8.6消声设计本讲内容8.1消声器性能评价安装在管道中或进、排气口上的消声器，能让气流通过，对噪声具有一定的消减作用，其性能主要包括：声学性能、空气动力性能、结构性能具体来讲，对一个好的消声器要有五方面的基本要求：1）声学性能要求。具有高的消声值和宽的消声频率，即在所需要的消声频率范围有足够大的消声量；2）空气动力性能要求。消声器的气流阻力小，安装消声器后所增加的阻力损失，要控制在实际容许的范围内；3）机械结构性能要求。体积小，重量轻，结构简单，便于加工，安装和维修；4）外形和装饰的要求。符合实际安装空间的需要，美观大方，表面装饰与设备相协调5）价格费用要求。价格便宜，使用寿命长。本讲内容8.1.1声学性能评价消声器声学性能评价量有插入损失(IL)、传声损失(TL)、减噪量(LNR)、衰减量(LA)。1.插入损失(IL)系统中插入消声器前后在系统外某点测得的声功率级之差。在声场分布情况近似保持不变时，也可用指定测点上声压级差代替。21ppLLIL插入损失适合现场测量。它反映了声源、消声器及其末端声学特性的综合效果，不单纯代表消声器的效果。本讲内容8.1.1声学性能评价2.传声损失(IL)消声器进口端声功率级与出口端声功率级之差。由于声功率不宜直接测量，一般通过声压求得。传声损失仅反映消声器本身的特性，不受声源、管道及出口端的影响。2121lg10WWLLWWTLtipppWpWSSLLTLSLLSLLlg10lg10lg1021222111本讲内容8.1.1声学性能评价3.减噪量(LNR)消声器进、出口端测得的平均声压级之差。4.衰减量(LA)消声器内部两点之间的声压级之差。通常用消声器单位长度上的衰减量来表征，dB/m。21ppNRLLL本讲内容8.1.2空气动力性能消声器的空气动力性能是指消声器对气流阻力的大小。通常用阻力系数或阻力损失来表示，包括摩擦阻力损失和局部阻力损失两部分。阻力系数：消声器安装前后的全压差与全压之比。阻力损失：出口端流体静压比进口端降低的数值。摩擦阻损:是由于气流与消声器各壁面之间的摩擦而产生的阻力损失。局部阻损:是指气流通过在消声器截面突变处产生的阻力损失。如扩展、收缩、转弯等。PagvH22PagvDlH22本讲内容8.1.3结构性能消声器结构性能是指它的外形尺寸、坚固程度、维护要求、使用寿命等，它也是评价消声器性能的一项指标。好的消声器除应有好的声学性能和空气动力性能之外；还应该具有体积小、重量轻、结构简单、造型美观、加工方便、同时要坚固耐用、使用寿命长、维护简单和造价便宜等特点。评价消声器的上述三个方面的性能，既互相联系又互相制约。从消声器的消声性能考虑，当然在所需频率范围内的消声量越大越好；但是同时必须考虑空气动力性能的要求。例如，汽车上的排气消声器如果阻损过大，会使功率损失增加，甚至影响车辆行驶。在兼顾消声器声学性能和空气动力性能的同时，还必须考虑结构性能的要求，不但要耐用，还应避免体积过大、安装困难等情况。在实际运用中，对这三方面的性能要求，应根据具体情况做具体分析，并有所侧重。本讲内容8.2消声器的分类和消声机理消声器类型很多，按其降噪原理主要有如下几种类型：8.2.1阻性消声器8.2.2抗性消声器8.2.3复合式消声器8.2.4微穿孔消声器8.2.5喷注型消声器本讲内容8.2消声器的分类和消声机理消声器阻性消声器抗性消声器阻抗复合式消声器微穿孔板消声器扩散性消声器扩张室消声器共振腔消声器干涉式消声器无源消声器有源消声器小孔消声器多孔扩散消声器节流减压消声器本讲内容8.2消声器的分类和消声机理本讲内容8.2.1阻性消声器消声原理：利用吸声材料消声。把吸声材料固定在气流通道内壁或按一定的方式在管道中排列起来，就构成了阻性消声器，与电学类比，吸声材料就相当于电阻，故称阻性消声器。包括的形式：直管式、片式、折板式、声流式、蜂窝式、弯头式等。消声的频率特性：具有中、高频消声性能。适用范围：消除风机、燃气轮机进气噪声（即气体流速不大的情况）。本讲内容8.2.2抗性消声器消声原理：通过控制声抗的大小来进行消声的。与阻性消声器不同，它不使用吸声材料而是在管道上接截面积突变的管段或旁接共振腔，利用声阻抗的改变，使某些频率的声波在声阻抗突变的界面发生反射、干涉等现象，从而在消声器的外测，达到了消声的目的。包括的形式：扩张室式、共振腔式、干涉型。消声的频率特性：具有中、低频消声性能。适用范围：消除空压机、内燃机、汽车排气噪声（气体流速较高气速的情况）本讲内容8.2.3阻抗复合式消声器消声原理：把阻性与抗性两种消声原理通过适当结构复合起来而构成的。可定性地认为阻性和抗性在同一频带的消声值的叠加（并非简单的叠加关系）。包括的形式：阻~扩型、阻~共型、阻~扩~共型等。消声的频率特性：具有低、中、高频消声性能。适用范围：消除鼓风机、大型风洞、试车台噪声。本讲内容8.2.4微穿孔板消声器消声原理：利用微穿孔板吸声结构制成的消声器。包括的形式：单层微穿孔板、双层微穿孔板等。消声的频率特性：具有低、中、高频的宽带消声性能。适用范围：适于高温、潮湿，有水、有油雾及特别清洁卫生的场合。本讲内容8.2.5小孔喷注消声器消声原理：不是在声音发出后进行消除，而是从发生机理上使干扰噪声减小。喷注噪声值频率与喷口直径成反比，如果喷口直径变小，喷口辐射的噪声能量将从低频移向高频(频移)，于是低频噪声被降低，而高频噪声反而升高，如果孔径小到一定值时，喷注噪声将移到人耳不敏感的频率范围。包括的形式：小孔喷注型、降压扩容型、多孔扩散型、引射掺冷型等。消声的频率特性：具有低、中、高频的宽带消声性能。适用范围：消除压力气体排放噪声，如锅炉排气、高炉放气、化工厂工艺气体放散。本讲内容8.3阻性消声器8.3.1阻性消声器的声衰减量理论计算公式：其中：F－消声器气流通道断面周长，m；S－消声器的气流通道截面积，m2；l－消声器的有效长度，m；Ψ(α0)－与材料的吸声系数有关的消声系数。H.J.赛宾经验公式：降噪量与材料吸声性能和周长/截面比有关。lSFL0lSFL4.103.1本讲内容8.3.1阻性消声器的声衰减量例1见p178~179。例2选用同一种吸声材料(平均吸声系数为0.46)衬贴的消声管道，管道有效长度为2m，管道有效截面积1500cm2。当截面形状分别为圆形、正方形和1:5矩形时，试问哪种截面形状的声音衰减量最大？哪种最小？解：1)当管道为圆形时，因为管道的有效直径为：截面周长为:声衰减为：mcmSD437.071.43414.315004mDF372.1437.014.3dBL4.6215.0372.146.003.14.11Δ本讲内容8.3.1阻性消声器的声衰减量2)当管道为正方形时，管道的截面周长为：声衰减为：3)当管道为1:5矩形，管道的截面长、宽分别为：管道的截面周长为：声衰减为：因此，有：ΔL3＞ΔL2＞ΔL1。即：管道截面面积一定时，截面为矩形管道的声衰减量最大，截面为圆形管道的声衰减量最小。mL549.115.04dBL2.7215.0549.146.003.14.12Δm866.05/15.05m173.05/15.0mF078.2)866.0173.0(2dBL6.9215.0078.246.003.14.13Δ本讲内容8.3.2阻性消声器的高频失效频率在单通道直管消声器中，高频声随着通道面积的增大消声效果显著下降。由于频率超过一定的数值，不符合平面波传播规律，窄束传播的声波不与吸声材料接触，消声效果下降。当声波波长小于通道截面尺寸一半时，消声效果下降，将这一频率称为高频失效频率。其经验公式：式中：c－声速ms-1；－消声器通道截面当量边长m(圆形管道为直径；矩形管道为边长平均值，其他管道取面积的开方值)。若ffc,每增加一个倍频程，消声量下降1/3，其估算公式：n高于fc的倍频程带数。将大风量粗管道应设计成多通道。Dcfc/85.1D)3/()3(0SFlnL本讲内容8.3.3气流速度对阻性消声器的影响主要表现在两个方面：1)气流的存在引起了消声器内声传播和声衰减规律变化。A)顺流时(气流与声传播方向一致)，由于气体流速在管道内不均一，根据折射原理，声波向管壁弯曲，促进消声降噪；B)逆流时(气流与声传播方向相反)，声波向管道中心弯曲，导致声波与吸声材料接触减少，不利于消声降噪。2)气流在消声器内产生一种附加噪声，即气流再生噪声。气流经过消声器通道时，因局部阻力或摩擦阻力而产生湍流，相应辐射一些噪声；气流激发消声器构件振动而辐射噪声。本讲内容8.3.3气流速度对阻性消声器的影响气流速度越高，气流再生噪声越大。在直通管道消声器内气流再生噪声的估算公式为：气流再生噪声通常是低频噪声，随着平的增高声级逐渐下降。气流再生噪声的倍频程声压级公式为：一个消声器具体应用到现场时，气流究竟对它的性能影响有多大，需结合噪声源强度、气流速度大小以及消声器结构等因素进行具体分析；不同的结构，气流在管道中允许风速不同。lg60218zLfLBzlg20lg6072本讲内容8.3.4常用阻性消声器的类型1.直管式2.片式3.蜂窝式4.折板式5.声流式6.室式7.迷宫式8.盘式9.弯头式本讲内容8.4抗性消声器抗性消声器具有不需要使用多孔吸声材料耐高温、抗潮流速较大，洁净对低频、窄带噪声有较好的效果。常用抗性消声器的类型1.扩张室式消声器2.共振式消声器3.干涉式消声器本讲内容1.消声原理：声波在管道截面的突然扩张(或收缩)，造成通道内声阻抗突变，使声波传播方向发生改变，在管道内发生反射、干涉等现象，从而达到消声的目的。2.消声量计算：(单节)其中m=S2/S1=S2/S3称为消声器扩张比，l2为扩张室长度。3.频率特性：当当222sin1411lg10klmmTLss2max)1(411lg101sin2/12n....)2,1,0(4/)12(mmTLklklnnl，，00sin....)2,1,0(2/minTLklnklnnl，，8.4.1扩张室消声器（膨胀式消声器）本讲内容4.改善消声特性的方法：单节扩张室的主要缺点在kl=nπ处传声损失为零，即存在很多通过频率。解决的方法有多节扩张室串联：每节的通过频率不同，提高消声量。插入内接管：扩张室两端个插入l/2和l/4的管分别消除n为奇数和偶数的通过频率。8.4.1扩张室消声器（膨胀式消声器）5.上下限截止频率：扩张室截面增大同样存在高频声波窄束传播失效，因此有上线频率：对于低于某一频率的声波也将失去消声作用，存在下限频率：Dcfu22.111022VlScffL本讲内容1.消声原理：利用共振吸声原理，在声波的作用下，管壁空气柱产生振动，振动时，气柱与腔口壁摩擦使一部分声能转化为热能而耗散；同时由于声阻抗的突变而使声波发生反射和干涉现象，导致声能衰减。当系统固有频率与声波频率发生共振时，消耗声能最多，消声量最大。2.消声量的计算：声阻抗的突变而使声波发生反射和干涉现