一種多級阻抗復合型消聲器的優(yōu)化方法

摘 要：柴油發(fā)電機組工作過程中，產(chǎn)生大量排氣噪聲，為降低排氣噪聲，大部分的柴油發(fā)電機都安裝有消聲器，但現(xiàn)有的各種不同原理的消聲器效果都不太理想，未能有效解決其排氣噪聲問題。通過分析柴油機排氣噪聲特點，剖析阻性、抗性消聲器的消聲機理，結(jié)合兩者優(yōu)缺點，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，針對性地選取吸聲材料，設計了一種多級阻抗復合型結(jié)構(gòu)的消聲器。最后通過理論計算、分析對比，并實驗驗證了此結(jié)構(gòu)的消聲器能有效降低柴油發(fā)電機的排氣噪聲，為消聲器降噪提出一種優(yōu)化方法參考。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機 消聲器 阻抗復合型 設計 試驗

中圖分類號：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0001-03

隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，以及現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的飛速發(fā)展與改革創(chuàng)新，環(huán)境污染也成為越來越嚴重的問題，噪聲污染就是其中之一。而發(fā)動機工作產(chǎn)生的噪聲所占比例相對較大，影響人們正常生活。柴油發(fā)電機組作為重要場所的備用電源裝置，保持正常的電力供應，但由于其特殊工作方式，一般產(chǎn)生較大噪聲，而怎樣更好地降低或減弱其噪聲，是當前研究發(fā)展的方向。

目前，消聲器降噪是相對較好的一種方式，設計降噪效果好、功率損失小的消聲器是實現(xiàn)柴油發(fā)電機組低噪、高效工作的首要前提。

1 消聲器原理與發(fā)展現(xiàn)狀

消聲器是一種在允許氣流通過的情況下運用消聲技術(shù)阻止聲音或減弱聲能向外傳播的裝置，用于降低柴油機排氣噪聲[1]。一個性能好的消聲器，可使排氣噪聲降低20～40dB。消聲器的種類很多，究其消聲機理，主要分為6大類型，即阻性、抗性、阻抗復合式、微穿孔板、小孔和有源[2]。其中，阻性消聲器對中高頻噪聲效果相對于低頻噪聲較好；而抗性消聲器對高頻噪聲效果相對于中低頻噪聲效果則較差。由于柴油機的排氣噪聲主要是中低頻噪聲，少部分的高頻噪聲，因此采用以抗性結(jié)構(gòu)為主的多級阻抗復合式消聲器，可以達到比較明顯的降噪效果。

如今，消聲器的研究進展并沒有取得較大的突破，主要是通過改變消聲器的結(jié)構(gòu)，來增強消聲器的降噪能力，提高消聲器的效率。在今后的一段時間內(nèi)，針對廢氣排放產(chǎn)生的噪聲，一方面是不斷改進和完善消聲器的技術(shù)性能，對聲源進行有效的控制；另一方面是從傳播途徑上進行降噪，通過改變消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，用消聲、隔振的降噪方式降低主要噪聲，再以吸聲、隔聲相結(jié)合的綜合降噪方式進行綜合治理。

2 多級阻抗復合型消聲器的設計

消聲器的設計應從合理設計排氣管的長度與形狀，避免氣流產(chǎn)生共振和減少渦流等方面入手[3]，我們綜合了阻性消聲和抗性消聲的結(jié)構(gòu)特點，運用抗性消聲器的原理，采用兩級內(nèi)插管式的抗性結(jié)構(gòu)，并且將內(nèi)插管的前段改為阻性結(jié)構(gòu)，在不減低柴油機效率的情況下實現(xiàn)了對柴油發(fā)電機組排氣噪聲的有效控制。

如圖1所示，柴油機排氣的氣流經(jīng)消聲器的進氣口進入第一段擴張室，聲波受到擴張室壁面的阻擋，在多次反射和干涉中使聲能衰減，同時氣流速度由于流通截面的擴大而降低，也抑制了再生噪聲的產(chǎn)生；然后氣流通過四個內(nèi)插管進入第二段擴張室，這四個內(nèi)插管與普通的內(nèi)插管有很大的不同，四個內(nèi)插管的面積之和與進氣口面積相等，內(nèi)插管的前端是用吸音棉包裹的穿孔板制作而成阻性消聲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的作用是：當氣流進入內(nèi)插管以后，阻性消聲結(jié)構(gòu)中的吸音棉吸收了排氣的部分高頻噪聲。該內(nèi)插管另一端是封閉的，并在靠近出口的內(nèi)插管壁上開設了面積等于該內(nèi)插管截面積的一些微孔，微孔直徑取2mm，這樣的結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)移頻率功能，能夠?qū)⒉糠种械皖l噪聲轉(zhuǎn)移到人耳感覺不到的頻段接受范圍，實現(xiàn)降低可聽聲的目的。該消聲器的第三段中左右兩部分內(nèi)插管相互交叉，對聲波產(chǎn)生有效阻擋，在回流過程中可消耗聲能，降低噪聲。最后，氣流通過消聲器第四段流出。綜上可知，整個消聲器結(jié)構(gòu)能夠很好的降噪，同時氣流阻力小，使柴油發(fā)電機組有較小的功率損失。

3 多級阻抗復合型消聲器的消聲技術(shù)分析

為了驗證該消聲器的降噪性能，我們依據(jù)設計的結(jié)構(gòu)制作了樣機，對消聲器的降噪量與消聲器的結(jié)構(gòu)的關(guān)系進行了分析研究。

試驗是在廣東西電動力科技股份有限公司的標準測試機房中進行的，采用國家標準GB/T1859（idt ISO6798）中規(guī)定的簡易方法來測量噪聲，測試儀器主要有：噪聲計、壓力表、風速儀等，測試儀器符合ISO3744（IEC651或IEC804中1型聲級計）的規(guī)定。柴油發(fā)電機組采用西電公司W(wǎng)ESTINPOWER品牌的柴油發(fā)電機組，所選型號產(chǎn)品主要由康明斯發(fā)動機和斯坦福發(fā)電機構(gòu)成，發(fā)動機的主要性能參數(shù)如下。

如圖2所示，測量平面、測量平面上兩個測點的布置以及球形測量表面面積S的計算。

設第三級消聲段的長度為L，分別設置內(nèi)插管伸出的長度為L/4，L/2和3L/4，分別研究這三個長度下的消聲量，數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，當左右兩邊的內(nèi)插管都為3L/4時，消聲量最大。原因是左右兩個內(nèi)插管交叉布置，排氣聲波通過時路程增加，有更多反射和干涉的機會，能有效的消耗聲波能量。同時，由于第三段有較大的空間，能減緩氣流的速度，內(nèi)插管的總面積等于消聲器進口面積，其阻力損失也較小，抑制了再生噪聲。

所以，左右內(nèi)插管有一部分重疊，聲波及氣流經(jīng)過180°的回轉(zhuǎn)，導致聲波折射率和聲能損耗量得以提高，有利于噪聲的降低；同時，也有利于降低氣流速度，保證發(fā)動機較小的功率損失。

4 多級阻抗復合型消聲器基本理論與評價指標

4.1 消聲器的基本理論

（1） 聲速的計算。

空氣中聲音速度的大小稱為聲速C。

（m.） （1）

式中K——彈性模量（kg.m-1.）；

r——空氣密度的大?。╧g.m-3）。

聲速的大小對于消聲器的減噪有一定的影響。另外，對聲速影響比較大的，還有溫度的變化。

（2） 聲壓的計算。

聲壓是有聲波存在時，媒介中的壓力和靜壓強之間的差值。聲源在空氣中傳播時，壓強隨著空氣介質(zhì)膨脹狀態(tài)的變化而變小，也會隨著空氣形成的壓縮形式的變化而變大；在時間范圍內(nèi)的瞬時聲壓的平方根稱為有效聲壓，即

（2）

式中 T——壓縮周期（s）；

——瞬時聲壓（Pa）。

（3） 聲壓級的計算

聲壓級的定義，取待測聲壓值p與參考聲壓值po的比值的常用對數(shù)的20倍，

即：

（dB） （3）

（4） 聲功率。

聲功率是一定的時間內(nèi)物體向外輻射的聲能[4]。在噪聲檢測中，聲功率指的是聲源總聲功率，單位為W。聲功率與聲強的關(guān)系為I=W/S。

（5） 聲強。

在傳播方向上，單位時間內(nèi)聲波通過垂直于單位面積的聲能量定義為聲強[5]，記為I，其中I=W/S。單位面積上的聲強隨著聲能的減小而減??；一定時間內(nèi)的聲源輻射，輻射總面積隨著距離的增大而增大。

（6） 聲阻抗率。

媒質(zhì)中某一點的聲壓和質(zhì)點速度的比值定義為聲阻抗率[6]，表達式為Zs=p/v。利用正弦平面波可以計算自由聲場的聲壓值：

（4）

（5）

上述公式中，是聲音傳播介質(zhì)的密度大小，通常情況下指的是空氣密度，A是介質(zhì)位移的幅值，k是波數(shù)，，是波長，是角頻率。

聲阻抗率的本質(zhì)是聲波傳播介質(zhì)的聲學屬性，并且跟溫度和壓強有較大的物理關(guān)系。而從以上可得，。這可明顯地看出，一個共同的可以表示不同點處的聲阻抗率。在一般情況下，跟的相位是不相同的，因此聲阻抗率就是兩個物理量的復數(shù)比值，而聲阻抗的定義則為測量點處的聲壓大小和測量點體積速度的比值。那么，聲導納即為聲阻抗的倒數(shù)。

4.2 消聲性能評價指標

消聲器的性能指標一般從聲學、空氣動力學、機械與材料和經(jīng)濟效率這四個方面進行評價。評價消聲器聲學性能的一個重要指標是傳遞損失。聲學性能有兩個方面的內(nèi)容：一方面是消聲器能夠在怎樣的頻段下具有較好的效果；另一方面則是能夠降低噪聲的程度大小[7]。根據(jù)消聲器的設計情況以及設計要求，消聲器的設計研究應以噪聲源為出發(fā)點，使其能夠?qū)⒃肼暯档偷阶钚』?/p>

消聲器的空氣動力學也是評價消聲性能的重要指標，用阻力系數(shù)或阻力損耗反映消聲器對氣流阻力的大小[8]。另外，消聲器結(jié)構(gòu)性能主要是指它的外形尺寸、使用壽命、維護要求和堅固程度等[7]。較完美的消聲器除了在聲學和空氣動力學具有良好的表現(xiàn)之外，還應在機械和材料方面有所改進，結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，加工復雜，使用壽命短，保養(yǎng)復雜的消聲器逐漸被拋棄，隨之而來的是具備優(yōu)良材質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單、外型美觀等眾多優(yōu)點的新型消聲器。

5 吸聲材料的選取

在噪聲控制過程中，吸聲材料的選擇很重要，其必須有較高的吸聲系數(shù)，以及具備耐高溫、耐腐蝕的特性。在研究過程中，人們往往忽略了其他方面的綜合評價，只針對聲學特性方面進行考慮。因此，對于吸聲材料的選擇，我們應從多方面多角度進行綜合評價。

研究人員選擇吸聲材料一般在玻璃棉、石棉、礦渣棉和工業(yè)毛氈等材料中選擇，這些材料符合吸聲材料的特性，但滿足不了排氣管的特殊性，為了使排氣管具備更好的吸聲效果及耐高溫效果，我們選擇了超細玻璃棉。超細玻璃棉絕熱材料具有重量輕、導熱系數(shù)小、吸收系數(shù)大、阻燃性能好等優(yōu)點，在耐熱、耐腐蝕和抗震、抗凍等方面化學穩(wěn)定性良好，并且施工方便，是一種高效經(jīng)濟和持續(xù)耐久的保溫材料。我們選擇的超細玻璃棉不僅具備良好的消聲、吸聲性能，而且可在900℃的高溫下保持良好的工作狀態(tài)。除此之外，消聲器的吸聲性能還與吸聲材料的厚度及密度有關(guān)。吸聲頻率的最佳頻段取決于材料厚度及密度，材料的厚度越大或者密度越大，吸聲頻率則越傾向低頻方向，那么，中低頻的消聲效果也就得以提高。為了使整個消聲器的機械和材料性能達到最佳，取得良好的消聲效果，密度為40 kg·m-3，厚度為30 mm的超細玻玻璃棉成為了我們消聲器材料的最終選擇。

6 多級阻抗復合式消聲器經(jīng)濟及社會效益

該多級阻抗復合型消聲器項目角度獨特，技術(shù)先進，優(yōu)勢明顯，前景可觀，具備一定的科學性，順應當前國家可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排。通過不斷地技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及市場挖掘，該項目定能在消聲器市場領域中占有一席之地，推動消聲器技術(shù)以及消聲器行業(yè)發(fā)展，將會有良好的社會效益。

7 結(jié)語

通過設計、生產(chǎn)及試驗驗證，這種多級阻抗復合型消聲器的消聲量可以達到28 dB，具有非常好的降噪效果。該文所述消聲器其內(nèi)插管相互交叉疊加的結(jié)構(gòu)，對發(fā)動機的功率損失小，可以很好的抑制氣流的再生噪聲，降噪效果明顯。在“超靜音柴油發(fā)電機組”項目應用了該多級阻抗復合型消聲器，取得了良好的效果。

參考文獻

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