一種多級阻抗復合型消聲器的優化方法

摘 要：柴油發電機組工作過程中，產生大量排氣噪聲，為降低排氣噪聲，大部分的柴油發電機都安裝有消聲器，但現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，結合兩者優缺點，優化結構，針對性地選取吸聲材料，設計了一種多級阻抗復合型結構的消聲器。最后通過理論計算、分析對比，并實驗驗證了此結構的消聲器能有效降低柴油發電機的排氣噪聲，為消聲器降噪提出一種優化方法參考。

關鍵詞：柴油發電機 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

隨著社會的發展和科學技術的進步，以及現代工業化生產的飛速發展與改革創新，環境污染也成為越來越嚴重的問題，噪聲污染就是其中之一。而發動機工作產生的噪聲所占比例相對較大，影響人們正常生活。柴油發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柴油發電機組低噪、高效工作的首要前提。

1 消聲器原理與發展現狀

消聲器是一種在允許氣流通過的情況下運用消聲技術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，因此采用以抗性結構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構，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，針對廢氣排放產生的噪聲，一方面是不斷改進和完善消聲器的技術性能，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，通過改變消聲器內部結構形狀，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構特點，運用抗性消聲器的原理，采用兩級內插管式的抗性結構，并且將內插管的前段改為阻性結構，在不減低柴油機效率的情況下實現了對柴油發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生；然后氣流通過四個內插管進入第二段擴張室，這四個內插管與普通的內插管有很大的不同，四個內插管的面積之和與進氣口面積相等，內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構，該結構的作用是：當氣流進入內插管以后，阻性消聲結構中的吸音棉吸收了排氣的部分高頻噪聲。該內插管另一端是封閉的，并在靠近出口的內插管壁上開設了面積等于該內插管截面積的一些微孔，微孔直徑取2mm，這樣的結構具有轉移頻率功能，能夠將部分中低頻噪聲轉移到人耳感覺不到的頻段接受范圍，實現降低可聽聲的目的。該消聲器的第三段中左右兩部分內插管相互交叉，對聲波產生有效阻擋，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，整個消聲器結構能夠很好的降噪，同時氣流阻力小，使柴油發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分析

為了驗證該消聲器的降噪性能，我們依據設計的結構制作了樣機，對消聲器的降噪量與消聲器的結構的關系進行了分析研究。

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）的規定。柴油發電機組采用西電公司WESTINPOWER品牌的柴油發電機組，所選型號產品主要由康明斯發動機和斯坦福發電機構成，發動機的主要性能參數如下。

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，數據如表2所示。

根據上述數據可以看出，當左右兩邊的內插管都為3L/4時，消聲量最大。原因是左右兩個內插管交叉布置，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，左右內插管有一部分重疊，聲波及氣流經過180°的回轉，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，壓強隨著空氣介質膨脹狀態的變化而變小，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的比值的常用對數的20倍，

即：

（dB） （3）

（4） 聲功率。

聲功率是一定的時間內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。聲功率與聲強的關系為I=W/S。

（5） 聲強。

在傳播方向上，單位時間內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。

媒質中某一點的聲壓和質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，是聲音傳播介質的密度大小，通常情況下指的是空氣密度，A是介質位移的幅值，k是波數，，是波長，是角頻率。

聲阻抗率的本質是聲波傳播介質的聲學屬性，并且跟溫度和壓強有較大的物理關系。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。

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點，使其能夠將噪聲降低到最小化。

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，消聲器結構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之外，還應在機械和材料方面有所改進，結構復雜，體積龐大，加工復雜，使用壽命短，保養復雜的消聲器逐漸被拋棄，隨之而來的是具備優良材質，結構簡單、外型美觀等眾多優點的新型消聲器。

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，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、導熱系數小、吸收系數大、阻燃性能好等優點，在耐熱、耐腐蝕和抗震、抗凍等方面化學穩定性良好，并且施工方便，是一種高效經濟和持續耐久的保溫材料。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。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。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，技術先進，優勢明顯，前景可觀，具備一定的科學性，順應當前國家可持續發展，節能減排。通過不斷地技術創新，結構優化，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，推動消聲器技術以及消聲器行業發展，將會有良好的社會效益。

7 結語

通過設計、生產及試驗驗證，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插管相互交叉疊加的結構，對發動機的功率損失小，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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