? 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臵。 ? 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。 主要内容 ?1 消声器性能评价 ?2 消声器的分类和消声机理 ?3 阻性消声器 ?4 抗性消声器 ?5 其他消声器 ?6 消声设计 ?7 案例分析 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。 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。 IL ? L p1 ? L p2 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。 1.1 声学性能评价 2.传声损失(TL) 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。 W1 TL ? 10 lg ? LW 1 ? LW 2 W2 LW 1 ? L p1 ? 10 lg S1 LW 2 ? L p 2 ? 10 lg S 2 Si TL ? L p1 ? L p 2 ? 10 lg St 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。 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。 LNR ? L p1 ? L p 2 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。 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。 l ?v 2 ?H ? ? ? D 2g ?Pa? 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。 ?H? ? ? ?v 2 2g ?Pa? 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。 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: ?2.1 阻性消声器 ?2.2 抗性消声器 ?2.3 复合式消声器 ?2.4 微穿孔消声器 ?2.5 喷注型消声器 2 消声器的分类和消声机理 阻性消声器 抗性消声器 消 声 器 扩张室消声器 共振腔消声器 无源消声器 干涉式消声器 阻抗复合式消声器 有源消声器 微穿孔板消声器 扩散性消声器 小孔消声器 多孔扩散消声器 节流减压消声器 2 消声器的分类和消声机理 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)。 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) 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。 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。 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。 3 阻性消声器 3.1 阻性消声器的声衰减量 F 理论计算公式: ?L ? ? ?? 0 ? ? l S 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 ?L ? 1.03?? ?1.4 F l S 经验公式: 降噪量与材料吸声性能 和周长/截面比有关。 3.1 阻性消声器的声衰减量 例: 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: S 1500 ? 43.71cm ? 0.437m 3.14 4 截面周长为: 声衰减为: D? ? 4 ? F ? ?D ? 3.14 ? 0.437 ? 1.372 m 1.372 Δ L1 ? 1.03 ? 0.46 ? ? 2 ? 6.4dB 0.15 1.4 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: L ? 4 ? 0.15 ? 1.549m 声衰减为: Δ L2 ? 1.03 ? 0.461.4 ? 5 ? 0.15/ 5 ? 0.866m 1.549 ? 2 ? 7.2dB 0.15 0.15/ 5 ? 0.173m 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: F ? 2 ? (0.173? 0.866) ? 2.078m 声衰减为: 2.078 1.4 Δ L3 ? 1.03 ? 0.46 ? 0.15 ? 2 ? 9.6dB 因此,有:ΔL3>ΔL2 >Δ L1。 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。 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: f c ? 1.85c / D D 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f>fc,每增加一个倍频程,消声量下降1/3,其估算公式: ?L ? ??? 0 ?(3 ? n) Fl /(3S ) n高于fc的倍频程带数。将大风量粗管道应设计成多通道。 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。 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: Lz ? ?18 ? 2? ? 60lg? 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: LBz ? 72 ? 60lg? ? 20lg f 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。 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 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 4.1 扩张室消声器(膨胀式消声器) 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 ? 1? ? 1 ? 2 TL 2. 消声量计算: ? 10lg?1 ? ? ms ? ? sin kl2 ? ? ms ? ? 4? ? ? ? ? (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: l ? (2n ? 1)? / 4 (n ? 0,1,2....) , 当 1 ? ? 1 kl ? ?2n ? 1?? / 2, kl ? 1 ? TLmax ? 10lg ?1 ? (m ? ) 2 ? sin m ? ? 4 当 l ? n? / 2(n ? 0,1,2....) , kl ? n?, kl ? 0 ? TLmin ? 0 sin 4.1 扩张室消声器(膨胀式消声器) 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。 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: c D 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: f u ? 1.22 f L ? 2 f0 ? c ? S1 2Vl1 4.2 共振式消声器 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。 ? ? K2 TL ? 10 lg ?1 ? ? f f r ? f r f ?2 ? ? ? K? GV 2S 3. 共振频率: c fr ? GV 2? S0 ?d 2 G? ? t ? 0.8d 4(t ? 0.8d ) 某一频带内的消声量:倍频程 1/3倍频程 TL ? 10 lg( 1 ? 2K 2 ) TL ? 10 lg( 1 ? 19K 2 ) 4.2 共振式消声器 4. 改善消声性能的方法: 选定较大的K 值; 增加声阻; 多节共振腔串联。 5.上限截止频率: c f u ? 1.22 D 4.3 干涉式消声器 1. 消声原理: 借助于相干声波相互抵消作用, 来达到消声目的。 l1 ? l2 ? (2n ? 1) ? 2 2. 分类: 无源(被动式)消声器和有源(主动 式)消声器两类。 3. 特点: 具有显著的频率选择性。 5 其他形式的消声器 5.1 阻抗复合式消声器 5.2 微穿孔板消声器 5.3 扩散消声器 6 消声器设计 6.1 消声器设计原则 1.根据噪声源所需的噪声量、空气动力性能要求以及空气动力设备管 道中的防潮、耐蚀、防火、耐高温等要求,选择消声器的类型。 2.根据声源空气动力性能的要求,考虑消声器的空气动力性能,是消 声器的阻力损失控制在机械设备正常的工作范围内; 3.设计消声器时,考虑到气流再生噪声的影响,是气流再生噪声小于 环境允许的噪声级; 4.注意消声器和管道中的气流速度; 5.还应考虑到隔声及坚固耐用、体积大小与空气机械设备匹配问题。 噪声源 低、中频为主(离心式通风机) 具体采取措施 阻性或阻抗复合式消声器 带宽噪声源(高速旋转鼓风机、燃气轮机) 阻抗复合式消声器或微穿孔板消声器 脉动性低频噪声源(空气内燃机) 高压、高速排气放空噪声(排气噪声) 潮湿高温、油雾,有火焰空气动力设备 抗性消声器或微穿孔板消声器 小孔消声器 抗性消声器或微穿孔板消声器 6.2 消声器设计程序 噪声源 使用条件 设备的空气 动力特性 了解环境特点, 选定噪声控制标准 噪声源现场调查 及特性分析 确定受声点允许的噪声 级和各频带声压级 计算所需消声量 设计合适的消声器 验算其消声效果(上下截止频率的检验、 消声器的压力损失、实际消声效果) 总结01 阻性消声器主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。把吸 声材料固定在气流通道的内壁上,或使之按一定的方式排 列在管道中,就构成了阻性消声器。当声波进入消声器后, 由于摩擦力和粘滞阻力的作用,部分声能转化为热能散失, 起到了消声作用。阻性消声器结构简单,能较好地消除中、 高频噪声,但不适合在高温、高湿环境中使用,对低频噪 声消声效果也较差。在实际应用中被广泛用于消除风机、 燃气轮机等的进气噪声。 常见阻性消声器的结构形式有直管式、折板式、片式、 蜂窝式、迷宫式、声流式、盘式及室式等。 总结02 抗性消声器不使用吸声材料,它是利用管道截面的突变或 旁接共振腔,使声波发生反射或干涉,从而使部分声波不 再沿管道继续传播、达到消声的目的。 抗性消声器耐高温、耐气流冲击,适用于消除中低频 噪声,实际应用中常用于消除空压机、内燃机和汽车排气 噪声。常用的抗性消声器主要有扩张室(也叫膨胀室)消 声器和共振腔消声器。 扩张室消声器的基本结构是扩张室和接管的组合。 阻性消声器在中高频范围内有较好的效果,而抗性消声器 可以有效地降低中低频噪声。两者结合起来组成阻抗复合 消声器,便可在较宽的频率范围内获得良好的消声效果。 ? ? ? ? ? ? 7 案例分析 离心风机所要消声的主要频率: f=n*z/60 其中f为频率,HZ;n为转速,r/min; z为叶片数。 一般离心鼓风机,叶片数在14-24之间,n 为2980r/min,f一般在695-1192HZ,属于中 高频,选用阻性消声器。 谢谢大家!