第八章_消声器

第八章消声器8.1消声器分类与性能评价8.2阻性消声器8.3抗性消声器8.4阻抗复合式消声器第八章消声器8.1消声器分类与性能评价8.1.1消声器分类8.1.2消声器性能评价8.1.1消声器分类[返回本节目录]不同消声器的消声原理是不同的，消声效果也不同。阻性消声器是一种能量吸收性消声器，通过在气流通过的途径上固定多孔性吸声材料，利用多孔吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量转化为热能，达到消声的目的。阻性消声器适合于消除中、高频率的噪声，消声频带范围较宽，对低频噪声的消声效果较差，因此，常使用阻性消声器控制风机类进排气噪声等。抗性消声器则利用声波的反射和干涉效应等，通过改变声波的传播特性，阻碍声波能量向外传播，主要适合于消除低、中频率的窄带噪声，对宽带高频率噪声则效果较差，因此，常用来消除如内燃机排气噪声等。鉴于阻性消声器和抗性消声器各自的特点，因此常将它们组合成阻抗复合型消声器，以同时得到高、中、低频率范围内的消声效果，如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合型消声器，其优点是耐高温、耐腐蚀、阻力小等，缺点是加工复杂，造价高。随着声学技术的发展，还有一些特殊类型的消声结构出现。本章主要介绍阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合性消声器这三种典型的消声结构。8.1.2消声器性能评价[返回本节目录]消声器的性能评价主要采用三项指标，即：声学性能、空气动力性能、结构性能。下面分别介绍。1．消声器声学性能消声器的声学性能包括消声量的大小、消声频带范围的宽窄两个方面。设计消声器的目的就是要根据噪声源的特点和频率范围，使消声器的消声频率范围满足需要，并尽可能地在要求的频带范围内获得较大的消声量。消声器的声学性能可以用各频带内的消声量来表征。通常有四种度量方法：传声损失、末端降噪量、插入损失、和声衰减。传声损失定义为消声器进口的噪声声功率级与消声器出口的噪声声功率级的差值。它是从构件的隔声性能的角度，用透射损失来反映构件的消声量，传递损失的数学表达式为，（8.1.1）式中为消声器的传声损失，为消声器进口的声功率，为消声器出口的声功率，为消声器进口的声功率级，为消声器出口的声功率级。消声器的传声损失是消声器本身所具有的特性，它受声源与环境的影响较小。实际工程测试中，由于声功率级难以直接测得，因此通常通过测量消声器前后截面的平均声压级，再按下式计算获得，（8.1.2）（8.1.3）式中为消声器进口处平均声压级，为消声器出口处的平均声压级；为消声器进口处的截面积，为消声器出口处截面积，单位为平方米。末端减噪量也称末端声压级差，它是指消声器输入端与输出端的声压级之差。当严格地按传声损失测量有困难时，可采用这种简便测量方法，即：测量消声器进口端面的声压级与出口端面的声压级，以两者之差代表消声器的消声量，消声量计算公式如下，（8.1.4）利用末端声压级之差来表示消声值的方法，不可避免地包含了反射声的影响，这种测量方法易受环境的影响而产生较大的误差，因此适合在试验台上对消声器性能进行测量分析，而现场测量则很少使用。插入损失是根据系统之外测点的测试结果经计算获得的，实际操作中，在系统之外分别测量系统接入消声器前后的声压级，二者之差即为插入损失。插入损失的测量示意图如图8.l所示。（8.1.5）式中声压级为系统外测试的声压级。图8.1所示是工矿企业现场常用的方法。此外，“管口法”也是现场常用的测试方法，如图8.2所示，安装消声器之前，在距离管口某一位置测量声压级；安装消声器以后，与消声器管口保持同样的距离测量声压级，两者之差作为插入损失。实践表明，采用“管口法”测量数据可靠，符合现场测试的要求。图8.1消声器插入损失测量示意图图8.2管口法测量消声器插入损失示意图对于阻性消声器“插入损失”与“传声损失”相近，而对于抗性消声器来说，“插入损失”一般要比“传声损失”稍低。采用“插入损失”评价消声器效果，对现场环境要求低，适应各种现场测量，如高温、高流速或有浸蚀作用的环境中。但是“插入损失”值并不单纯反映消声器本身的效果，而是声源、消声器及消声器末端三者的声学特性的综合效果。在现场做“插入损失”测量时，要注意保持声源特性的恒定。声衰减也是比较常用的一种评价参数，它是声学系统中任意两点间声功率级之差，反映了声音沿消声器通道内的衰减特性，以每米衰减的分贝数(dB)表示。实际测量中，可采用“轴向贯穿法”测量，即：将探管插入消声器内部，沿消声器通道轴向每隔一定的距离逐点测量声压级，从而得到消声器内声压级与距离的函数关系，以求得该消声器的总消声量。声衰减量能够反映出消声器内的消声特性及衰减过程，能避免环境对测量结果的干扰。测量时要注意，测点不能靠近管端。图8.3是“轴向贯穿法”的示意图。“轴向贯穿法”特别适用于测量大型的、效果好的消声器。由于这种方法费时、且需要专门的测量传声器，因此一般在现场测量中很少使用。图8.3轴向贯穿法测量消声器声衰减示意图对一个消声器来说，用不同的方法或在不同的声学环境下测量，其结果往往会有一定的差异。因此，在表示消声器的效果时，应注明所用的测量方法和所在的测试环境，以便对消声器的性能进行比较和客观评价。2．空气动力性能消声器的空气动力性能是评价消声性能好坏的另一项重要指标，它反映了消声器对气流阻力的大小，也就是：安装消声器后输气是否通畅，对风量有无影响，风压有无变化。消声器的空气动力性能用阻力系数或阻力损失来表示。阻力系数是指消声器安装前后的全压差与全压之比，对于确定的消声器，其阻力系数为定值。阻力系数的测量比较麻烦，一般只在专用设备上才能测得。阻力损失，简称阻损，是指气流通过消声器时，在消声器出口端的流体静压比进口端降低的数值。很显然，一个消声器的阻损大小是与使用条件下的气流速度大小有密切关系的。消声器的阻损能够通过实地测量求得，也可以根据公式进行估算。阻损分两大类，一类是摩擦阻力，另一类是局部阻力。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，可用下式计算，（8.1.6）式中为摩擦阻力系数(见表8.1)；为消声器的长度；为消声器的通道截面等效直径；表示管道内气体密度；为管道内气流速度；为重力加速度。以上均采用国际标准单位。流体力学中将称为速度头，单位：毫米水柱，显然的单位与速度头一致。摩擦阻力系数与管道内气流速度有关，流体力学中用雷诺数表示流速，雷诺数定义如下，（8.1.7）一般情况下，消声器通道内的雷诺数Re均在以上。上式中为流体运动的粘滞系数，对于的空气，，此时摩擦阻力系数仅取决于管壁的相对粗糙度，见表8.1。表8.1摩擦阻力系数与相对粗糙度的关系相对粗糙度（%）0.20.40.50.81.01.52.03.04.05.0摩擦阻力系数0.0240.0280.0320.0360.0390.0440.0490.0570.0650.072局部阻损表示气流在消声器的结构突然变化处（如折弯、扩张或收缩及遇到障碍物）所产生的阻力损失，局部阻损可用下式估算，（8.1.8）式中为局部阻力系数，局部阻力系数的确定比较复杂，与结构形式关系密切。下面简单介绍几种典型结构的局部阻力系数。垂直入口倾斜入口带光滑圆弧入口带括口的入口图8.4几种常见入口形式管道入口：对于垂直入口，如果管壁厚度与等效直径之比大于0.05，并且管口伸出部分长度与等效直径之比小于0.5，则取；否则取。对于斜入口，情况比较复杂，一般来讲，倾斜角度越大，则局部阻力系数也越大。为了减少入口处的局部阻力系数，工程中常采用入口处带光滑过渡圆弧的做法，圆弧相对直径（圆弧直径/管道直径）越大，局部阻力系数越小，经过这种处理的管道入口，局部阻力系数一般在0.1左右。减少局部阻力系数的另一个方法就是在入口处括口，括口的角度越大，阻力系数越小，但如果括口角度大于，则减阻性能略差。管道出口：对于平端面或圆端面的出口，湍流时的局部阻力系数为1，层流时的局部阻力系数为2；对于锥形出口，局部阻力系数与出口处直径和管道的直径有关，可用下式计算，（8.1.9）平端面出口圆端面出口锥形出口扩张出口图8.5几种常见出口形式如果管道出口为扩张管形式，则局部阻力系数与管口长度、管道直径、扩张角等都有关系。锥形出口增加局部阻力系数，而扩张管出口可有效降低局部阻力系数。管道在改变方向、突变截面等情况下也存在局部阻力，其系数的计算比较复杂，这里不作专门介绍。消声器总的阻力损失，等于摩擦阻损与局部阻损之和，即（8.1.10）一般而言，在阻性消声器中以摩擦阻损为主；在抗性消声器中以局部阻损为主。气流的阻力损失(无论是摩擦阻损还是局部阻损)都与速度头成正比，即与气流速度的平方成正比。当气流速度增高时，阻损的增加要比气流速度的增加快得多。因此，如果采用较高的气流速度，会使阻损增大，使消声器的空气动力性能变坏。在设计消声器时，从消声器的声学性能和空气动力性能两方面来考虑，都以采用较低的流速为有利。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。8.2阻性消声器8.2.1单通道直管式阻性消声器8.2.2片式消声器8.2.3折板式、声流式、蜂窝式消声器8.2.4弯头消声器8.2.5迷宫式消声器8.2.6气流对阻性消声器声学性能的影响8.2.7气流再生噪声对消声器声学性能的影响8.2.8阻性消声器的设计8.2阻性消声器[返回本节目录]下面首先介绍阻性消声器。阻性消声器的消声原理，就是利用吸声材料的吸声作用，使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减。把吸声材料固定在气流通过的管道周壁，或按一定方式在通道中排列起来，就构成阻性消声器。当声波进入消声器中，会引起阻性消声器内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，就起到消声的作用。阻性消声器应用范围很广，它对中高频范围的噪声具有较好的消声效果。8.2.1单通道直管式阻性消声器[返回本节目录]图8.6直管式阻性消声器示意图单通道直管式消声器是最基本的阻性消声器，其构造如图8.6所示。它的特点是结构简单、气流直通、阻力损失小、适用于流量小的管道消声。声波在消声器通道中传播时情况比较复杂，根据不同的分析模型可以获得不同的消声量估算公式，但都不是十分精确，有待于实验修正。常用的分析理论主要有一维理论和二维理论。对于如图8.6所示的消声器，我们将分别采用一维理论和二维理论进行近似分析讨论，然后作简单对比。一维理论基于一维平面波的假设，即认为管道中传播的声波是沿着管道长度方向传播的，常用的计算公式有很多，但就其起源而言只有两个：一是别洛夫公式，二是赛宾公式，其他公式大都是从这两个公式派生出来的。别洛夫公式的假定条件是：吸声材料的声阻远大于声抗。别洛夫公式如下，(8.2.1)式中P为吸声衬里的通道截面周长；S为吸声衬里的通道截面面积；L为吸声衬里的通道长度；为消声系数，由正入射系数确定。与的关系见表8.2。表8.2消声系数与正入射系数的关系0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.10.20.350.50.650.91.21.62.04.0赛宾公式如下，(8.2.2)式中为混响室法测得的吸声系数，赛宾公式的特定适用条件为：吸声系数，频率范围，管道截面直径，比例为的矩形管道。显然，赛宾公式比别洛夫公式具有更严格的限制条件，其适用范围也就更有局限性。工程中应用较多的公式由别洛夫公式发展而来，其参数的