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        消聲器
        • 消聲器

        消聲器

        消聲器是一種在允許氣流通過的同時,又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。它主要用于機械設備的進、排氣管道或通風管道的噪聲控制。一個性能好的消聲器,可使氣流噪聲降低20~40dB(A)。但是,消聲器只能降低空氣動力設備的進排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲,不能降低空氣動力設備的機殼、管壁等輻射的噪聲。消聲器類型很多,按其降噪原理主要有如下三種類型:阻性消聲器、抗性消聲器、復合式消聲器、微穿孔消聲器和噴注型消聲器。

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        消聲器是一種在允許氣流通過的同時,又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。它主要用于機械設備的進、排氣管道或通風管道的噪聲控制。一個性能好的消聲器,可使氣流噪聲降低20~40dB(A)。但是,消聲器只能降低空氣動力設備的進排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲,不能降低空氣動力設備的機殼、管壁等輻射的噪聲。消聲器類型很多,按其降噪原理主要有如下三種類型:阻性消聲器、抗性消聲器、復合式消聲器、微穿孔消聲器和噴注型消聲器。

        一、阻性消聲器

        阻式消聲器:是通過吸聲材料來吸收聲能降低噪音,一般的微穿孔板消聲器就屬于這個類型,一般是用來消除高、中頻噪聲。但是由于結構的原因,在高溫、高濕、高速的情況下不適用。阻性消聲器是把吸聲材料固定在氣流通道內壁或按一定的方式在管道中排列起來,就構成了阻性消聲。

        1、阻性消聲包括的形式:直管式、片式、折板式、聲流式、蜂窩式、彎頭式等。適用范圍:消除風機、燃氣輪機進氣噪聲(即氣體流速不大的情況)。

        理論計算公式:

        其中:F-消聲器氣流通道斷面周長,m;

        ? ? ? S-消聲器的氣流通道截面積,m2;

        ? ? ? l-消聲器的有效長度,m;

        ? ? ? Ψ(α0)-與材料的吸聲系數有關的消聲系數。


        H.J. 賽賓經驗公式:

        降噪量與材料吸聲性能和周長/截面比有關。

        衰減量(LA) ?消聲器內部兩點之間的聲壓級之差。通常用消聲器單位長度上的衰減量來表征,dB/m。

        LA是減噪量,l是消聲器消聲有效長度。

        阻性消聲器對消除高、中頻噪聲效果顯著,對低頻噪聲的消除則不是很有效,其消聲量與消聲器的結構形式、空氣通道橫斷面的形狀與面積、氣流速度、消聲器長度以及吸聲材料的種類、密度、厚度等因素有關護面板材料及其型式對消聲效果也有很大影響。護面材料可采用柔軟多孔透氣的織物,如玻璃纖維布,或穿孔板。護面用的穿孔板一般采用薄鋼板、鋁板、不銹鋼板加工制成。為了發揮吸聲材料的吸聲性能穿孔板的穿孔率應大于20%,孔徑3-10mm。 ?阻性消聲器一般宜在風速8m/s以下,不應宜>12m/s,微穿孔板消聲器大風速的情況下(15~20m/s)風阻較大.常用吸聲材料有玻璃纖維絲、低碳鋼絲網、毛氈等。


        2.阻性消聲器的高頻失效頻率

        在單通道直管消聲器中,高頻聲隨著通道面積的增大消聲效果顯著下降。由于頻率超過一定的數值,不符合平面波傳播規律,窄束傳播的聲波不與吸聲材料接觸,消聲效果下降。

        當聲波波長小于通道截面尺寸一半時,消聲效果下降,將這一頻率稱為高頻失效頻率。其經驗公式:

        式中:c-聲速ms-1; ?-消聲器通道截面當量邊長m(圓形管道為直徑;矩形管道為邊長平均值,其他管道取面積的開方值)。

        若f>fc,每增加一個倍頻程,消聲量下降1/3,其估算公式:

        n高于fc的倍頻程帶數將大風量粗管道應設計成多通道。


        3. 氣流速度對阻性消聲器的影響?

        主要表現在兩個方面:

        1)氣流的存在引起了消聲器內聲傳播和聲衰減規律變化。

        A)順流時(氣流與聲傳播方向一致),由于氣體流速在管道內不均一,根據折射原理,聲波向管壁彎曲,促進消聲降噪;

        B)逆流時(氣流與聲傳播方向相反) ,聲波向管道中心彎曲,導致聲波與吸聲材料接觸減少,不利于消聲降噪。

        2)氣流在消聲器內產生一種附加噪聲,即氣流再生噪聲。氣流經過消聲器通道時,因局部阻力或摩擦阻力而產生湍流,相應輻射一些噪聲;氣流激發消聲器構件振動而輻射噪聲。

        4 常用阻性消聲器的類型

        (1)直管式阻性消聲器


        直管式阻性消聲器圖

        它的特點是結構簡單、氣流直通、阻力損失小、適用于流量小的管道消聲。直管式阻性消聲器的通道截面不宜太大,如果太大時,高頻聲的消聲效果顯著下降。這是因為對于給定的消聲器通道來說,當頻率高到一定數值,聲波在消聲器中傳播便不符合平面聲波的條件了。對于小風量粗管道,其消聲器可以使用直管式阻性消聲器,而對風量較大的粗管道,則不能如此。

        (2).片式阻性消聲器

        片式阻性消聲器圖

        由于把通道分成若干個小通道,每個小通道截面小了,就能提高上限失效頻率;同時,因為增加了吸聲材料飾面表面積,則消聲量也會相應增加,每個小通道的尺寸都相同。

        式中為消聲器的有效長度,為氣流通道的寬度(分離的相鄰兩片之間的距離)。從上式可以看出,片式消聲器的消聲量與每個通道的寬度有關,越小,越大,與通道的數目和高度沒有什么關系。片式消聲器的相鄰兩塊消聲片通常并成一片,中間消聲片的厚度 T 為邊緣消聲片厚度 t 的兩倍。工程上設計片式消聲器時,通道寬度通常取 100~200 mm ,片厚 T 在 60~150 mm 之間選取。消聲氣流通道寬度為5O~350n~n。處理風量為10000-1200000m3/h。

        (3)折板式、聲流式、蜂窩式阻性消聲器

        折板式消聲器如圖 ,它實際上是片式消聲器的變種。為了提高其高頻消聲性能,把直片做成折彎狀,這樣能增加聲波在消聲器內反射次數,即增加吸聲層與聲波的接觸機會,從而提高消聲效果。為了減小阻損,其折角做得小一些為好。?

        聲流式消聲器是由折板式消聲器改進的,這種消聲器把吸聲層制成正弦波形。當聲波通過時,增加反射次數,故能改善消聲性能。與折板式比較,它能使氣流通暢流過,減少阻損。其缺點是加工復雜,造價高。?

        蜂窩式消聲器它實際上是由許多平行的小直管式消聲器并聯而成.但由于它是多個通道并聯,而且每個通道的尺寸基本相同,即每個通道消聲特性一樣,因此蜂窩式消聲器的消聲量只算其中的一個小管即可.蜂窩式消聲器對中、高頻聲波的消聲效果好。但其結構復雜,阻損較大。對每個單元通道最好控制在 300 × 300 平方毫米以下。如果按原道通流截面設計消聲器,為了減小阻力損失,蜂窩式消聲器的通流截面可選為原管道通流截面的 1.5~2 倍。

        (4)彎頭消聲器

        彎頭式阻性消聲器圖

        在彎頭上掛貼吸聲襯里,即構成彎頭消聲器,會收到顯著的消聲效果。按圖可定性說明彎頭消聲原理。圖中左邊為沒有掛貼吸聲襯里的彎管,管壁基本上是近似剛性的,聲波在管道中雖有多次反射,最后仍可通過彎頭傳播過去。因此,無襯里彎頭的消聲作用是有限的。圖中右邊為襯貼吸聲材料的彎頭。在彎頭前的平面 B 處,主要存在軸向波,對于斜向波在由平面 A 至平面 B 的途中都會被襯里吸收掉。軸向波到達垂直管道時,由于彎頭壁面的吸收和反射作用,使得軸向波的一部分被吸收掉,另一部分被反射回聲源,其余部分轉換為垂直方向繼續向前傳播。彎頭消聲器在低頻段的消聲效果較差,在高頻段消聲效果好,特別是滿足 的那些頻率,消聲效果將迅速提高。這里, 為彎頭的通道寬度, 為聲波波長。在高頻范圍,有吸聲襯里的彎頭與同樣長的無襯里彎頭相比,其消聲效果可高出 10dB 左右。彎頭上襯貼吸聲材料的長度,一般取相當管道截面尺寸的 2~4 倍。 彎頭消聲量與彎頭的角度有很大關系。粗略地可認為與彎曲角度成正比。例如, 30 0 彎頭的消聲量可估算為 90 0 彎頭的 1/3 ; 180 0 彎頭 ( 管子折回 ) 的消聲量大約為 90 0 彎頭的 1.5 倍。?

        ? ? 如果有兩個以上的直角彎頭串聯,當各個彎頭之間的間隔比管道截面尺寸大得多時,則可以認為幾個彎頭的總消聲量等于一個彎頭的消聲量乘以彎頭的個數。為了減少阻力損失,而且不使消聲值下降,可把直角彎頭做成下圖 ?那樣,內側具有彎曲的形狀。這種形狀彎頭的阻力損失要比一般直角彎頭小得多。

        阻力損失小的直角彎頭


        (5)迷宮式阻性消聲器


        迷宮式消聲器


        ? ? 迷宮式消聲器也稱室式消聲器。在輸氣管道中途,例如,在空調系統的風機出口、管道分支處或排氣口,設置容積較大的箱 ( 室 ) ,在它里面加襯吸聲材料或吸聲障板,就組成迷宮式消聲器,如圖所示。這種消聲器除具有阻性作用外,通過小室斷面的擴大與縮小,還具有抗性作用,因此消聲頻率范圍較寬。?

        ? ? 迷宮式消聲器的消聲性能與室的尺寸、通道截面、吸聲材料及其面積等因素有關,可用下式估算,

        (6)流對阻性消聲器聲學性能的影響

        ? ? 氣流對消聲器聲學性能的影響,主要表現在兩個方面:一是氣流的存在會引起聲傳播和聲衰減規律的變化;二是氣流在消聲器內產生一種附加噪聲,稱為氣流再生噪聲。下面首先討論氣流對噪聲傳播的影響。?

        ? ? 有氣流時的消聲系數的近似公式如下,?

        ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

        式中 為沒有氣流時 ( 靜態 ) 的消聲系數, 稱為馬赫數,數值上等于消聲器內流速與聲速之比。?

        ? ? 由上式看出,氣流速度大小與方向不同,導致氣流對消聲器性能的影響程度也不同。當流速高時,馬赫數 值大,氣流對消聲器的消聲性能的影響就越厲害;當氣流方向與聲傳播方向一致時,馬赫數 值為正,上式中的消聲系數將變??;當氣流方向與聲傳播方向相反時,馬赫數 值為負,消聲系數會變大。也就是說,順流與逆流相比,逆流有利于消聲。?

        ? ? 氣流在管道中的流動速度并不均勻,就同一截面而言,管道中央流速高;離開中心位置越遠,速度越低;到接近管壁處,流速就近似為零了。如下圖示,順流時管道中央聲速高,周壁聲速低;逆流時正好相反。?

        ? ? 根據聲折射原理,聲波要向管壁彎曲,對阻性消聲器來說,由于周壁襯貼有吸聲材料,所以順流時恰好聲能被吸收;而在逆流時,聲波要向管道中心彎曲,因此對阻性消聲器的消聲是不利的。?

        ? ? 綜合上述兩方面的分析,消聲器用在順流與逆流各有利弊。由于工廠輸氣管道中的氣流速度與聲速比較起來都很小,因此氣流對聲傳播與衰減規律的影響一般不很明顯。一般來講,在低頻范圍逆向比順向消聲效果好;而在高頻范圍情況恰好相反,順向比逆向消聲效果好。但綜合起來看,順向與逆向的消聲性能并沒有很大差別。?

        氣流對聲折射的影響

        二、抗性消聲器

        消聲原理:通過控制聲抗的大小來進行消聲的。與阻性消聲器不同,它不使用吸聲材料而是在管道上接截面積突變的管段或旁接共振腔,利用聲阻抗的改變,使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面發生反射、干涉等現象,從而在消聲器的外測,達到了消聲的目的。

        包括的形式:擴張室式、共振腔式 、干涉型。

        消聲的頻率特性:具有中、低頻消聲性能。

        適用范圍:消除空壓機、內燃機、汽車排氣噪聲(氣體流速較高氣速的情況)

        抗性消聲器具有:不需要使用多孔吸聲材料、耐高溫、抗潮、流速較大,潔凈對低頻、窄帶噪聲有較好的效果。

        (1)擴張室消聲器(膨脹式消聲器)

        擴張室消聲器

        消聲原理:擴張室消聲器也稱為膨脹室消聲器,它是由管和室組成的。它是利用管道截面的突然擴張 ( 或收縮 ) 造成通道內聲阻抗突變,使沿管道傳播的某些頻率的聲波通不過消聲器而反射回聲源去。由于聲波通不過消聲器,也就傳不出來,在管道內發生反射、干涉等現象,也就達到消聲的目的。

        消聲量計算(單節) :

        其中TL是消聲量,單位dB, ms=S2/S1=S2/S3稱為消聲器擴張比,l2為擴張室長度。S1、S3為管道截面積,S2擴張室截面積。

        擴張管消聲器的消聲特性是周期性變化的,即某些頻率的聲波能夠無衰減地通過消聲器。由于噪聲的頻率范圍一般較寬,如果消聲器只能消除某些頻率成分,而讓另一些頻率成分順利通過,這顯然是不利的。為了克服擴張室消聲器這一缺點,必須對擴張室消聲性能進行改善處理,方法有二:

        (1) 在擴張室消聲器內插入內接管,以改善它的消聲性能。由理論分析可知,當插入的內接管長度等于擴張部分長度的 1/2 時,能消除那部分奇數倍的通過頻率;當插入的內接管長度為擴張部分長度的 1/4 時,能消除那部分偶數倍的通過頻率。這樣,如果綜合兩者,即在擴張管消聲器內從一端插入長度等于 1/2 倍的內接管,從另一端插入長度等于 1/4 倍的內接管,如圖所示,就可以得到在理論上沒有通過頻率的消聲特性。


        (2) 采用多節不同長度的擴張室串聯的方法,可解決擴張室對某些頻率不消聲的問題,如下圖所示。把各節擴張室的長度設計得互不相等,使它們的通過頻率互相錯開。比如,使第二節擴張室的消聲量的頻率設計得恰好為第一節擴張室消聲量為 0 的通過頻率。這樣,多節擴張室消聲器串聯,不但能提高總的消聲量,而且能改善消聲器的頻率特性。由于各節擴張室之間有耦合現象,故總的消聲量不等于各節擴張室消聲量的算術相加。


        長度不等的多節擴張室串聯結構

        (2) 共振式消聲器

        共振消聲器

        共振消聲原理

        消聲原理:利用共振吸聲原理,在聲波的作用下,管壁空氣柱產生振動,振動時,氣柱與腔口壁摩擦使一部分聲能轉化為熱能而耗散;同時由于聲阻抗的突變而使聲波發生反射和干涉現象,導致聲能衰減。當系統固有頻率與聲波頻率發生共振時,消耗聲能多,消聲量大。

        消聲量的計算:

        式中管道截面為 , ?S0?為小孔截面積, 為密閉空腔容積, 為孔頸有效長度, ,這里為小孔頸長,如為穿孔板,則為板厚; 為修正項,對于直徑為 的圓孔, 。?

        定義傳導率?,對于圓孔得到,

        工程上的共振器很少是開一個孔的,而是由多個孔組成,此時應注意各孔之間要有足夠大的距離。

        (3)干涉式消聲器:

        消聲原理:借助于相干聲波相互抵消作用,來達到消聲目的。

        分類:無源(被動式)消聲器和有源(主動式)消聲器兩類。

        特點:具有顯著的頻率選擇性。


        三、阻抗復合式消聲器

        阻抗復合式消聲器,是按阻性與抗性兩種消聲原理通過適當結構復合起來而構成的。常用的阻抗復合式消聲器有“阻性 - 擴張室復合式”消聲器、“阻性 - 共振腔復合式”消聲器、“阻性 - 擴張室 - 共振腔復合式”消聲器以及“微穿孔板”消聲器。在噪聲控制工作中,對一些高強度的寬頻帶噪聲,幾乎都采用這幾種復合式消聲器來消除,圖所示是常見的一些阻抗復合式消聲器。?

        ? ? 阻抗復合式消聲器,可以認為是阻性與抗性在同一頻帶的消聲值相迭加。但由于聲波在傳播過程中具有反射、繞射、折射、干涉等特性,所以,其消聲值并不是簡單的迭加關系。對于波長較長的聲波來說,當消聲器以阻與抗的形式復合在一起時有聲的耦合作用。在實際應用中,阻抗復合式消聲器的消聲值通常由實驗或實際測量確定。?


        常見的阻抗復合式消聲器?

        微穿孔板消聲器是一種特殊的消聲結構,它利用微穿孔板吸聲結構而制成,是一種新型消聲器。通過選擇微穿孔板上的不同穿孔率與板后的不同腔深,能夠在較寬的頻率范圍內獲得良好的消聲效果。因此,微穿孔板消聲器能起到阻抗復合式消聲器的消聲作用。?


        微穿孔板消聲器的理論計算模

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