消声器设计

第 八 章 消声器设计,太原理工大学,机械工程学院,本讲内容,工程噪声,控制学,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置,。,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。,本章内容,8.1,消声器性能评价,8.2,消声器的分类和消声机理,8.3,阻性消声器,8.4,抗性消声器,8.5,其他消声器,8.6,消声设计,8.1,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。,8.1.1,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,(L,NR,),、衰减量,(L,A,),。,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。,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。,8.1.1,声学性能评价,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。,8.1.1,声学性能评价,3.,减噪量,(L,NR,),消声器进、出口端测得的平均声压级之差。,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,。,8.1.2,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。,8.1.3,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。,8.2,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：,8.2.1,阻性消声器,8.2.2,抗性消声器,8.2.3,复合式消声器,8.2.4,微穿孔消声器,8.2.5,喷注型消声器,8.2,消声器的分类和消声机理,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,8.2,消声器的分类和消声机理,8.2.1,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）。,8.2.2,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）,8.2.3,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。,8.2.4,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。,8.2.5,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。,8.3,阻性消声器,8.3.1,阻性消声器的声衰减量,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，,m,2,；,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,和周长,/,截面比有关。,8.3.1,阻性消声器的声衰减量,例,1,见,p178179,。,例,2,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,1500cm,2,。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：,8.3.1,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：,L,3,L,2, L,1,。,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。,8.3.2,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,f,f,c,每增加一个倍频程，消声量下降,1/3,，其估算公式：,n,高于,f,c,的倍频程带数。将大风量粗管道应设计成多通道。,8.3.3,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。,8.3.3,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：,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：,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。,8.3.4,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,8.4,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,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=S,2,/S,1,=S,2,/S,3,称为消声器扩张比，,l,2,为扩张室长度。,3.,频率特性,：,当,当,8.4.1,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,=,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。,8.4.1,扩张室消声器（膨胀式消声器）,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：,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：,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,8.4.2,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：,8.4.2,共振式消声器,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。,8.4.3,干涉式消声器,8.5,其他形式的消声器,8.5.1,阻抗复合式消声器,8.5.2,微穿孔板消声器,8.5.3,扩散消声器,8.5.3,扩散消声器,8.5.3,扩散消声器,8.5.3,扩散消声器,8.6,消声器设计,8.6.1,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,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,8.6.2,消声器设计程序,噪声源现场调查,及特性分析,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）,了解环境特点，,选定噪声控制标准,计算所需消声量,设计合适的消声器,确定受声点允许的噪声,级和各频带声压级,噪声源,使用条件,设备的空气,动力特性,8.3.4,常用阻性消声器的类型,1.,直管式,优点：结构简单，制作方便。,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。,8.3.4,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：适合雨大流量、大截面的情况。,8.3.4,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。,8.3.4,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。,8.3.4,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。,8.3.4,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、低速低速进排风的场合。,8.3.4,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。,8.3.4,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。,8.3.4,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,单节扩张室消声器结构,单节扩张室消声器频率特性曲线,两节扩张室,消声器频率,特性曲线,REFERence01,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。,REFERence02,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。,