小型汽油機(jī)排氣消聲器有效容積與消聲效果的研究

李 瑋，周新民

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引言

小型汽油機(jī)的噪聲控制，主要使用排氣消聲器。但由于結(jié)構(gòu)空間限制，安裝使用的排氣消聲器尺寸較小，造成其有效容積較過小，消聲效果較差。本文以WB530BDL 小型割草機(jī)用汽油機(jī)為例，探討排氣消聲器有效容積對其降噪效果的影響。

1 原裝消聲器有效容積與降噪量

WB530B-DL 小型割草機(jī)發(fā)動機(jī)用原裝消聲器，由于受安裝空間限制，結(jié)構(gòu)尺寸較小，總長220mm，厚度58mm，為穿孔板式三腔直通結(jié)構(gòu)。經(jīng)計算，原消聲器有效容積為824.8cm3，即使加上20%的允許偏差，也只有989.76cm3。

原裝消聲器降噪量經(jīng)試驗測試得到。實驗嚴(yán)格按照GB1859-2000[1]的規(guī)定進(jìn)行。噪聲測量按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3744[2]工程法的要求執(zhí)行，聲級計為IEC 60651-1979 Type 1 和IEC 60804-2000 Type 1。測量環(huán)境符合要求。測量時，割草機(jī)工作平均轉(zhuǎn)速約為3360rpm，工程法測量的加原裝消聲器時1～5 測點的表面聲壓級[4]如表1 所示。

裝原消聲器時的表面聲壓級LpA1： 因割草機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時測得的聲壓級與背景噪聲聲壓級之差大于10dB，故測量值無需修正，即k=0?！鱈wA=0.8。

表1 加裝原消聲器時1～5（ 9）號測點表面聲壓級Tab.1 Measuring Point Surface Sound Pressure Level when the Installation of the Original Muffler1～5（ 9）

裝原消聲器時的聲功率級LwA1：

LwA1=LpA1+10lg（s1/s0）=100.96+101lg（16.465/1）

=113.126dB

顯然，裝原裝消聲器的聲功率級LwA1，超出了國標(biāo)GB1573-1995[3]（小型汽油機(jī)噪聲限值）規(guī)定的一般型限值為108dB 的界限，也超出了高噪聲型110dB 的界限。

2 原裝消聲器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

為增強(qiáng)消聲器的消聲效果，必需對原消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。由于受安裝空間限制，原消聲器尺寸較小，結(jié)構(gòu)也較為簡單，只設(shè)計為穿孔板式三腔直通結(jié)構(gòu)，故而消聲效果較差。其插入損失僅為5.8dB，總降噪量僅為3.99dB。在不改變其外形尺寸的條件下，將其改進(jìn)設(shè)計為三腔內(nèi)插管回流結(jié)構(gòu)排氣消聲器，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1、圖2 所示。

改進(jìn)后的三腔內(nèi)插管回流結(jié)構(gòu)排氣消聲器，實測1-5 測點的表面聲壓級[4]如表2 所示。

圖1 三腔內(nèi)插管回流排氣消聲器Fig.1 Reflux exhaust muffler of three lumen catheter

圖2 內(nèi)插管－穿孔板回流四腔回流排氣消聲器Fig.2 Four chamber reflux exhaust muffler of inner cannula-perforated plate

表2 三腔內(nèi)插管回流消聲器時1～5（ 9）號測點表面聲壓級Tab.2 1～5（ 9）Measuring point surface sound pressure level when the installation of the three lumen catheter reflux muffler

改進(jìn)后消聲器時的表面聲壓級LpA2：

顯然，該消聲器相對原裝消聲器的100.96dB，消聲效果并不明顯。所以，盡管對原消聲器做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，但由于有效容積不足，消聲效果仍然不佳。為獲得更好的消聲效果，應(yīng)該在割草機(jī)安裝空間允許的條件下，增大排氣消聲器的有效容積。

3 原裝消聲器擴(kuò)容及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

WB530B-DL 小型割草機(jī)用發(fā)動機(jī)型號為：B&S125602。該機(jī)為單缸往復(fù)式四沖程風(fēng)冷發(fā)動機(jī)，額定功率6.5Hp，排量190CC。根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)： JB/T 5414-1991 之規(guī)定，消聲器有效容積Vm可按下式估算：

Vm=KzKτKnKtV

式中： 汽油機(jī)總排量V=190ml=0.19l；氣缸數(shù)修正值；汽油機(jī)沖程數(shù)修正系數(shù)：Kτ=1（四沖程）；消聲器類別修正系數(shù)：Kt=4～5（B 類）；轉(zhuǎn)速修正系數(shù)： Kn=0.7～10-4nb=1.06；標(biāo)定轉(zhuǎn)速： 3600 rpm，則得有效容積Vm：

Vm=1×1×1.06×5×0.00019=0.001007m3=1007cm3

即該汽油機(jī)排氣消聲器有效容積應(yīng)達(dá)到1007cm3。

根據(jù)WB 530B-DL 型割草機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，原裝消聲器在總長220mm，厚度58mm 保持不變的情況下，可以在高度上向下增加30mm 的高度，使其達(dá)到最大高度120mm。于是消聲器有效容積可以達(dá)到：

V1=V0+V'=824.8+（3×21.8×5.6）=824.8+366.24

=1191.04cm3

則可大于1007cm3，滿足有效容積的基本要求。

根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)： JB/T 5414-1991 的推薦，割草機(jī)配套使用的消聲器可確定為B 類。由于工作地點的特殊性，希望設(shè)計的消聲器具有較好的消聲效果，故根據(jù)JB/T 5414-1991 中推薦的C 類 （要求低噪聲機(jī)械用汽油機(jī)） 消聲器結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計為內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)。如圖2 所示。

消聲器第一腔為邊長58mm 的方形截面，長為120mm。進(jìn)口管直徑為18mm。為改進(jìn)消聲效果，減少功率損失，第一腔采用最大容積?？剐韵暺鲉喂?jié)擴(kuò)張室消聲量的計算公式為：

=10lg11.14=10.47dB

擴(kuò)張室容積： V=0.0582×0.12=0.00040368m3

該發(fā)動機(jī)排量為190ml=190cm3，則有403.68/190=2.125，滿足標(biāo)準(zhǔn)中第一腔容積不小于發(fā)動機(jī)排量的1～3倍之要求。顯然，該擴(kuò)張室抗性消聲器，只對224Hz 的峰值噪聲有效，而對112Hz 的峰值噪聲不起作用。即對于174Hz 以下的噪聲，只能靠多節(jié)擴(kuò)張室串聯(lián)和穿孔板回流共同作用，提高消聲效果。

4 內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)消聲器實驗測試

按照國標(biāo)GB1859-2000 的規(guī)定，測量時，割草機(jī)工作平均轉(zhuǎn)速約為3360rpm，工程法測量內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)消聲器的1-9 測點的表面聲壓級[4]如表3所示。

表3 內(nèi)插管－穿孔板回流四腔消聲器1～9 號測點表面聲壓級Tab.3 1～9 Measuring point surface sound pressure level when the installation of four chamber reflux exhaust muffler of inner cannula- perforated plate

內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)9 點測量時的表面聲壓級LpA4：

與原消聲器時的表面聲壓級LpA1相比，降噪量為：

LpA1-LpA4=100.96-94.80=6.16dB

內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)消聲器的聲功率級LwA4：

LwA4=LpA4+10lg（s1/s0）=94.80+10lg（16.465/1）=106.966dB

顯然，該內(nèi)插管－穿孔板回流四腔結(jié)構(gòu)消聲器的聲功率級為106.966dB，滿足了國標(biāo)GB1573-1995（小型汽油機(jī)噪聲限值） 規(guī)定的一般型限值為108dB的條件。

5 結(jié)論

原消聲器結(jié)構(gòu)尺寸較小，有效容積小于基本要求；結(jié)構(gòu)也較為簡單，只設(shè)計為穿孔板式三腔直通結(jié)構(gòu)，故而消聲效果較差。在不增加有效容積的條件下，只將其結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計為三腔內(nèi)插管回流式，則其消聲效果改進(jìn)甚微。然而，在將原裝消聲器有效容積增加到1191cm3，使其滿足有效容積大于1007cm3的基本要求后，再將其三腔直通結(jié)構(gòu)改為四腔回流結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證實，消聲效果有較大提高： 相對于原裝消聲器增加的降噪量為6.16dB，并且滿足國標(biāo)GB1573-1995（小型汽油機(jī)噪聲限值）規(guī)定的一般型限值為108dB 的基本要求。

由以上分析可得如下結(jié)論： ①消聲器有效容積對消聲效果有較大影響，容積較小，消聲效果較差；②有效容積小于基本要求時，只做一般性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對提高消聲效果作用不大；③有效容積大于基本要求時，合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將顯著提高消聲效果。

[1] GB/T 1859-2000 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法[S].2000，6.

[2] ISO 3744-1994 聲壓法測定噪聲源聲功率[S].

[3] GB15739-1995 小型汽油機(jī)噪聲限值[S].2010，2.

[4] 李瑋，周新民.小型割草機(jī)噪聲測試與分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，4.