復(fù)合式小孔消聲器的設(shè)計與應(yīng)用

高興元，楊秋英

1北京航空航天大學(xué) 北京 100191

2首都醫(yī)科大學(xué) 北京 100069

正常工作的氣動馬達(dá)排氣時會產(chǎn)生很高的噪聲，此噪聲對工人和環(huán)境的危害很大，解決辦法是在排氣口安裝消聲器以達(dá)到降噪的目的。常用的消聲器主要有微穿孔板消聲器、阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器、小孔消聲器和有源消聲器 6種。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在消聲器方面進(jìn)行了很多研究[1-4]，其中主要包括飛機使用的高流速、高低溫專用復(fù)合消聲器，煤礦專用降低消聲器阻力的抗性消聲器，入口管、回流腔與回流板處增加插入管的單級三腔式消聲器，根據(jù)流場速度、湍動能和壓力分布設(shè)計的多孔管消聲器，針對聲波反射阻抗變化設(shè)計的二級抗性消聲器。

現(xiàn)有礦用氣動油泵的氣動馬達(dá)排氣口截面面積小、噪聲高，無法滿足其使用要求。因此，筆者利用節(jié)流降壓與小孔噴注相結(jié)合的原理設(shè)計了復(fù)合式小孔消聲器，以供氣動油泵的氣動馬達(dá)使用，達(dá)到合理降噪的目的。

1 復(fù)合式小孔消聲器

1.1 設(shè)計原理

充分利用節(jié)流降壓和小孔噴注原理，根據(jù)噴口直徑和噴注噪聲峰值頻率成反比，實現(xiàn)復(fù)合式小孔消聲器設(shè)計。小孔噴注利用其孔徑較小時的移頻效應(yīng)特殊功能，將噪聲頻率轉(zhuǎn)移到人耳不敏感的頻率。節(jié)流降壓不僅能降低小孔噴注前氣體的壓力，而且能提前消耗噪聲能量。

1.1.1 小孔噴注

當(dāng)小孔直徑 ≤ 4 mm 時，噴注噪聲能將噪聲頻率轉(zhuǎn)移到人耳不敏感的頻率 (>8 000 Hz)，一般選擇小孔的直徑為 1～3 mm。但是，從實際應(yīng)用的角度考慮，孔徑太小時，不僅增加了加工難度和加工成本，而且小孔也容易被堵塞，影響排氣。因此，小孔的直徑設(shè)計為 2 mm。

1.1.2 節(jié)流降壓

排氣噪聲功率與壓力降的高次方成正比例[5]。通過串聯(lián)多級節(jié)流孔板，實現(xiàn)多個小的壓降代替排空的一次壓降，排氣壓力由突變排空改為漸變排空。因此，節(jié)流降壓后小孔噴注層的駐壓變小，可以減小小孔噴注層的壁厚，同時也降低了加工小孔噴注層的難度和加工成本。

1.2 參數(shù)設(shè)計

1.2.1 節(jié)流降壓

(1) 節(jié)流孔板級數(shù)確定 各種消聲器入口處的壓力通常是給定的，如果氣體排放壓力較高，則需要經(jīng)過幾次節(jié)流降壓處理，以獲得滿意的消聲值。通過幾次合理的節(jié)流降壓，消聲器入口處壓力按比例被降低，降壓后的氣體直接進(jìn)入小孔噴注。

設(shè)計時選擇各級壓力按照等比級數(shù)下降原則，且各級節(jié)流孔板所承擔(dān)的壓降按臨界比計算，第n級節(jié)流孔板后的壓力

式中：p1為節(jié)流孔板前的壓力，即消音器入口壓力，MPa；q為臨界壓力比。

(2) 節(jié)流降壓流通截面積計算 根據(jù)計算得到的孔板級數(shù)n，分別計算各級的節(jié)流降壓流通截面積。第 1 級節(jié)流降壓流通截面積

式中：A為排放介質(zhì)系數(shù)，對于空氣，A＝13，對于過熱蒸汽，A＝13.4，對于過熱飽和蒸汽，A＝14；μ為保證排汽量截面的修正系數(shù)，取μ=1.2～2.0；G為排放氣體的質(zhì)量流量，t/h；V1為節(jié)流前氣體的比容，m3/kg。

在第 1 級節(jié)流降壓流通截面積基礎(chǔ)上，第n級節(jié)流降壓流通截面積

(3) 節(jié)流降壓消聲量

式中：k為修正系數(shù)，取k＝0.9±0.2，當(dāng)壓力較高時k取偏低值，壓力較低時k取偏高值；p0為環(huán)境大氣絕對壓力，MPa。

1.2.2 小孔噴注

(1) 小孔直徑及孔間距選擇 根據(jù)經(jīng)驗選擇小孔直徑為 1～3 mm。孔間距一般為小孔直徑的 5～10 倍。

(2) 小孔數(shù)量

式中：Q為氣體總排氣流量，kg/h；qs為單個小孔流量，kg/h。

(3) 單個小孔流量

式中：ψ為與小孔直徑有關(guān)的試驗系數(shù)，ψ＝7.96；ps為駐壓，MPa；Ts為消聲器室溫度，℃；D為小孔直徑，mm。

(4) 小孔噴注層消音量

2 實例驗證

礦用氣動油泵的氣動馬達(dá)相關(guān)工藝參數(shù)：排氣口絕對壓力p1＝0.6 MPa；排氣口所排出的氣體流速為 4 m3/min；排氣管外徑為 22 mm，內(nèi)徑為 18 mm，排氣溫度為 25 ℃。根據(jù)上述參數(shù)，得到壓縮空氣比容V1=0.171 0 m3/kg，排氣流量G＝1.4 t/h，噪聲高達(dá) 110.00 dB。此排氣口噪聲較高，不符合國家環(huán)保要求。因此，添加消聲器降噪，使得排出氣體的噪聲小于國家環(huán)保要求的 85.00 dB。取q＝0.45，將進(jìn)入末級小孔前的駐壓控制在 0.1 MPa。

根據(jù)式 (1) 得到節(jié)流孔板級數(shù)n＝2；根據(jù)經(jīng)驗取μ=1.6，使用式 (2) 得到節(jié)流降壓第 1 級的流通截面積S1＝0.552 8 cm2。

選取第 1 級節(jié)流板穿孔直徑d1＝5 mm。在流通截面積及節(jié)流板穿孔直徑基礎(chǔ)上，第 1 級節(jié)流板穿孔的小孔數(shù)

氣流在消聲器中高速流動，不會與外界發(fā)生熱交換就可直接排出，因此經(jīng)過各級降壓后，氣體的溫度基本保持不變。于是，根據(jù)式 (1)～ (3) 計算得到消聲器其他參數(shù)，如表 1 所列。

表1 消聲器參數(shù)Tab.1 Muffler parameters

當(dāng)壓力為 0.6 MPa，取k＝0.9，根據(jù)式 (4)～ (7)計算得，節(jié)流降壓的消聲量為 12.23 dB，小孔單孔流量為 0.018 t/h，噴注小孔數(shù)量為 78 個，小孔噴注層消聲量為 18.50 dB，則消聲器總消聲量為 12.23 dB＋18.50 dB＝30.73 dB。

氣動馬達(dá)通過消聲器后的排放噪聲為 110.00 dB -30.73 dB＝79.27 dB，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) (<85.00 dB)，滿足氣動馬達(dá)排氣設(shè)計要求，可以供礦用氣動油泵使用。

3 實際應(yīng)用

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合氣動馬達(dá)的實際需要，使用 SolidWorks 構(gòu)建復(fù)合式小孔消聲器三維模型，如圖 1 所示。安裝了復(fù)合式小孔消聲器的礦用氣動油泵如圖 2 所示。

圖1 復(fù)合式小孔消聲器Fig.1 Composite small-hole muffler

圖2 安裝了復(fù)合式小孔消聲器的礦用氣動油泵Fig.2 Mine pneumatic oil pump with compound small hole muffler installed

復(fù)合式小孔消聲器安裝前后，對氣動馬達(dá)不同頻率下聲壓級對比發(fā)現(xiàn)，氣動馬達(dá)安裝復(fù)合式小孔消聲器前，在距離其排氣口 5 m 處測得的最大聲壓級為110.00 dB；安裝復(fù)合式小孔消聲器后，在同等條件下測得的最大聲壓級為 79.30 dB。通過試驗，測得安裝復(fù)合式小孔消聲器前后不同頻率下的聲壓級，結(jié)果如表 2 所列。

表2 不同頻率下復(fù)合式小孔消聲器安裝前后的聲壓級對比Tab.2 Comparison of sound pressure levels at various frequencies before and after installing composite small-hole muffler

4 結(jié)語

針對礦用氣動油泵的氣動馬達(dá)，利用小孔噴注和節(jié)流降壓原理，設(shè)計了復(fù)合式小孔消聲器。通過現(xiàn)場試驗，該消聲器有效地將氣動馬達(dá)的排氣噪聲從110.00 dB 降到了 79.30 dB，使氣動馬達(dá)的排放氣體噪聲達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，避免了對操作工人身體健康和周圍環(huán)境的危害，符合實際要求。該消聲器不僅適用于煤礦井下，也可以應(yīng)用于化工、能源等其他行業(yè)。