消声器结构设计

消 音 器 结 构 设 计课 题 目 的 ： 了 解 常 见 消 音 器 种 类 、 消 音 原 理 及 常 见 消音 器 设 计 中 应 注 意 的 问 题 和 设 计 方 法 目 录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 消声设计及总结 1 消声器性能评价消音器的性能主要包括：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。制造成本低，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 。2.传 声 损 失 (IL)： 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 。 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 。3.减 噪 量 (LNR)： 消 声 器 进 、 出 口 端 测 得 的 平 均 声 压 级 之 差 。21 pp LLIL tipppW pW SSLLTLSLL SLL lg10lg10lg10 21222 111 2121lg10 WW LLWWTL 21 ppNR LLL 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。 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 。 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 分 类 图 例消声器 阻 性 消 声 器抗 性 消 声 器阻 抗 复 合 式 消 声 器微 穿 孔 板 消 声 器 扩 散 性 消 声 器 扩 张 室 消 声 器共 振 腔 消 声 器干 涉 式 消 声 器 无 源 消 声 器有 源 消 声 器小 孔 消 声 器多 孔 扩 散 消 声 器节 流 减 压 消 声 器 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 阻性消声器理论计算公式：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； (0)与材料的吸声系数有关的消声系数。 H .J. 赛宾 经验公式：降噪量与材料吸声性能周长/截面比有关。 lSFL 0 lSFL 4.103.1 I 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：截面周长为:声衰减为：mcmSD 437.071.43414.315004 mDL 372.1437.014.31 dBL 4.6215.0372.146.003.1 4.11 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： 声衰减为： 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： 声衰减为： 因此，有：L3L2 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。mL 549.115.042 dBL 2.7215.0549.146.003.1 4.12 m866.05/15.05 m173.05/15.0 mL 078.2)866.0173.0(23 dBL 6.9215.0078.246.003.1 4.13 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：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ffc,每增加一个倍频程，消声量下降1/3，其估算公式： f高于fc的倍频程带数。将大风量粗管道应设计成多通道。Dcfc /85.1D )3/()3(0 SFlnL 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。气流速度越高，气流再生噪声越大。 3.3 气流速度对阻性消声器的影响在直通管道消声器内气流再生噪声的估算公式为：气流再生噪声通常是低频噪声，随着频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：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。 lg60218 zL fL Bz lg20lg6072 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 常 见 阻 性 消 音 器 种 类 及 图 例 3.4 常用阻性消声器的类型1.直管式 优点：结构简单，制作便。缺点：对低频消声效果差。适用范围：适合于截面小、低速的管道。 3.4 常用阻性消声器的类型 2.片式 优点：结构不复杂，中、高频消声效果好，阻力系数较小。缺点：低频消声效果不显著。适用范围：适合于大流量、大 截面的情况。 3.4 常用阻性消声器的类型 3.蜂窝式优点：中、高频消声效果好，可根据不同的适应范围，设计单元结构。缺点：阻力损失较大，阻力系数一般在1-1.5之间。适用范围：用于大截面的管道。风量较大、流速较低的情况。 3.4 常用阻性消声器的类型 4.折板式 优点：增加了声波的传播路程，增大了材料与声波的接触，中高频消声效果较好。缺点：大大增加了阻力损失。适用范围：适用于压力和噪声较高的设备。用于对声学性能要求较高的场合。 3.4 常用阻性消声器的类型 5. 声流式 优点：可达到高消声、低阻损的要求，阻力系数介于片式和折板式消声器之间。缺点：加工复杂，造价较高。适用范围：适用于大断面流通管道，对于阻力损失要求较严格的场合。 3.4 常用阻性消声器的类型 6.室式 优点：消声频带较宽，消声量较大。缺点：阻力损失较大，占用空间也大。适用范围：一般适用于有空间、低速进排风的场合。 3.4 常用阻性消声器的类型 7.迷宫式 优点：可用于流量大、流速低，要求消声量高的情况。缺点：气流速度不能过大，否则产生的阻力损失较大。适用范围：对于阻力损失要求不严的场合。 3.4 常用阻性消声器的类型 8.盘式 优点：阻损小，体积小，重量轻、安装简便，轴向尺寸小。缺点：结构复杂，制作成本高，变截面计算复杂。适用范围：用于锅炉鼓风机进风口消声、各类风机进风口或管道开口端。隔声罩、室顶部散热消声器风口。 3.4 常用阻性消声器的类型 9.弯头式优点：结构简单、体积小，占地少，在通风空调工程中应用普遍缺点：增大了气流阻力适用范围：管道改向等 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. 消声量计算： (单节) 其中m=S2/S1=S2/S3称为消声器扩张比，l为扩张室长度。 S消声器的气流通道截面积m 2， k-转换系数 3. 频率特性： 当: 当: klmmTL ss 22sin1411lg10 2max )1(411lg101sin2/12n .)2,1,0(4/)12( mmTLklkl nnl ， ， 00sin .)2,1,0(2/ min TLklnkl nnl ， ， 4.1 扩张室消声器（膨胀式消声器）单节扩张室消声器频率特性曲线 4.1 扩张室消声器（膨胀式消声器）n 4. 改善消声特性的方法：n单节扩张室的主要缺点在kl=n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。 4.1 扩张室消声器（膨胀式消声器）两节扩张室消声器频率特性曲线 4.1 扩张室消声器（膨胀式消声器）Dcfu 22.1 5. 上下限截止频率：n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： n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：110 22 VlScffL 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。 3. 共振频率： 某一频带内的消声量： 倍频程 1/3倍频程 221lg10 ffff KTL rr VGcfr 2 )8.0(48.0 20 dt dndt nSG SGVK 2 )21lg(10 2KTL )191lg(10 2KTL fr-共 振 频 率 ； V-空 腔 体 积 ；S-气 流 通 道 截 面 积 ； G-传 导 率 ；K-消 音 系 数 KSfcV r 22VGcfr 2t-共 振 腔 钢 板 厚 度 ； S0-开 孔 面 积 ； d-开 孔 直 径 ； n-开 孔 数 量 4.2 共振式消声器Dcf u 22.1 n 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，共振频率相互 错开。n 5.上限截止频率： 4.2 共振式消声器 6、 设 计 注 意 事 项 为 了 使 消 声 器 的 理 论 计 算 值 与 实 际 结 果 值 一 致 ， 在 考 虑 设 计 方 案时 ， 应 注 意 以 下 条 件 ： (1) 共 振 器 的 几 何 尺 寸 应 小 于 共 振 频 率 波 长 的 1/3 。 当 共 振 频 率 较高 时 ， 此 条 件 不 易 满 足 ， 这 时 不 能 将 共 振 器 看 成 为 一 个 集 中 参 数 系统 ， 而 应 考 虑 声 波 在 空 腔 内 的 传 播 特 性 。 (2) 穿 孔 位 置 应 集 中 在 共 振 消 声 器 的 中 部 ， 穿 孔 范 围 应 小 于 。 相 邻 各 孔 之 间 的 孔 心 距 一 般 应 取 孔 径 的 5 倍 。 当 穿 孔 数 目 较 多时 ， 穿 孔 范 围 集 中 在 内 与 孔 心 距 大 于 孔 径 5 倍 这 两 个 要 求， 往 往 发 生 矛 盾 。 在 这 种 情 况 下 ， 可 采 取 将 空 腔 分 割 成 几 段 来 分 布穿 孔 的 位 置 。 (3) 共 振 消 声 器 的 消 声 频 率 范 围 也 有 高 频 失 效 问 题 。 用 共 振 消 声 器 的 上 限 截 止 频 率 验 证 消 音 器 设 计 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。 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2)12(21 nll 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 5.3 扩散消声器 6 消声器设计6.1 消声器设计原则n 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。n 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； n 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；n 4.注意消声器和管道中的气流速度；n 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。噪声源具体采取措施低、中频为主（离心式通风机）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）抗性消声器或微穿孔板消声器高压、高速排气放空噪声（排气噪声）小孔消声器 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 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 噪 声 源 现 场 调 查及 特 性 分 析 了 解 环 境 特 点 ，选 定 噪 声 控 制 标 准确 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 ） 6.3 阻性消声器设计总结 a.确 定 消 声 量 ： b.选 择 消 声 器 的 结 构 形 式管 道 直 径 ： 500mm片 式 、 蜂 窝 式 或 其 它 形 式 c.选 择 合 适 的 吸 声 材 料 d.确 定 消 声 器 的 长 度 e.合 理 选 择 吸 声 材 料 的 护 面 结 构 f.验 算 消 声 效 果 ： 高 频 失 效 频 率 ： 气 流 再 生 的 影 响 ： 压 力 损 失 lSLLA 4.1)(03.1 Dcfc /85.1 lg60218 zL 6.4 抗性消声器设计总结 a.确 定 消 声 量 ： b.选 择 消 声 器 的 结 构 形 式 c.确 定 消 声 器 的 长 度 d.验 算 消 声 效 果 ： 上 线 截 止 频 率 ： 下 线 截 止 频 率 ： e.根 据 验 算 结 果 修 改 消 音 器 结 构 。 2max )1(411lg10 mmTL 110 22 VlScffL Dcfu 22.1 )21lg(10 2KTL 6.4 抗性消声器设计总结 【 例 题 】 在 管 径 为 100mm的 常 温 气 流 管 道上 ,设 计 一 单 腔 共 振 消 声 器 ， 要 求 使 其 中125Hz的 倍 频 程 上 有 15dB的 消 声 量 。 6.4 抗性消声器设计总结【 解 】 气 流 通 流 面 S=0.00785m2由 式 TL=15dB， 计 算 出 K=3.9134 由 得 出 V=0.027m3， G=0.144m 确 定 设 计 方 案 为 与 原 管 道 同 轴 的 圆 筒 形 共 振 腔 ， 其 内 径 是 100mm， 选 择 外 径 400mm， 则 共 振 腔 的 长 度 为： L= 0.25m; 选 用 厚 度 t=2mm的 钢 板 ， 孔 径 d=5mm， 由 G=nS0/(t+0.8d)可 求 得 开 孔 数 n=44个 。 验 算 ： 高 频 失 效 频 率 ； 声 波 的 波 长 是 否 大 于 共 振 腔 消 声 器 最 大 尺 寸 的 3倍 。 )21lg(10 2KTL VGcfr 2 SGVK 2 KSfcV r Lmfcr 372.2