第九章.消声器

第九章消声器教学目的消声器技术指标和评价方法(C：理解)阻性消声器消声量计算及设计选型(C：理解)抗性消声器、消声量计算及设计选型(C：理解)4.复合消声器(B：识记)B、教学重点(1)消声器技术指标和评价方法(2)阻性消声器消声量计算及设计选型(3)抗性消声器、消声量计算及设计选型(4)传递矩阵法(5)复合消声器及微穿孔板消声器C、教学难点1、插入损失与传声损失2、阻性消声器消声量的计算3、A.N.别洛夫以及H.J.赛宾推导出的经验式4、抗性消声器消声量的计算；阻抗复合消声器D、教学用具多媒体——幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排3课时G、教学过程前面讲述的室内吸声、隔声主要是关于环境的噪声控制，也就是属于被动噪声控制的范畴，今天讲的消声器是属于噪声控制工程设计中的具体设备，一般认为：消声器在大声场中作为声源的附加设施，即为主动控制；如不被认可为附加设施，则依旧视为被动控制。下面就消声器作简单介绍，也就是本堂课讲述的内容，主要是：设计消声器需要了解的设计目标——可衡量的标准、要求；设计可用的方法——消声器的设计原理；设计完成过程与结论。一．消声器的分类、评价和设计程序——设计目标——可衡量的标准、要求消声器：一种允许气流通过而又能有效阻止或降低声能向外传播的装置。减噪对象：空气动力性噪声（气流噪声）。1．对于一个好的消声器的要求：a.声学性能：在使用现场的正常工作状况下，在较宽的频率范围内具有满足需要的消声量。b.空气动力性能：其气流阻损要小，即对声源设备造成的压力损失或功率损失在实际允许的范围内。c.机械结构性能：材料耐用，结构上能满足如耐高温、耐腐蚀、耐湿等特殊要求，此外，应具有体积小、重量轻、结构简单便于安装和维修。d.外形和装饰：符合外形和体积的总体限制等要求，与整体设备应协调。e.材料损耗：质优价廉，寿命长。2、消声器的四个常用评价量a.插入损失：指声源与测点之间插入消声器的前后，系统外某定点（如：排气口）辐射声功率级之差。在声场条件近似不便下也可认为插入损失为在同一固定测点所测得的消声器安装前后的声压级差。它不仅决定于消声器本身的性能，而且与声源、末端负载以及系统总体装置的情况紧密相关。适于现场测量及评价。b.传声损失：消声器进口端声功率级与出口端透射声的声功率级之差。仅反映消声器自身的特性，与声源、末端反射等因素无关，适宜于理论分析计算及在实验室中检验消声器自身的消声特性。c.减噪量：（也称声压级差）消声器进口端与出口端的平均声压级差，是的粗略简化。d.(轴向声)衰减量：消声器内部任意两点间声功率级的差值，用于描述声波沿管道传播特性，通常以消声器单位长度的衰减量（dB/m）来表征。实际应用中和最常用。实际测量中往往<，但对阻性消声器，与较接近。3、消声器的应用环境标准GB16170-1996《汽车定置噪声限值》；GB12348-90《工业企业厂界噪声标准》；GB12523-90《建筑施工厂界噪声限值》；GB9660-88《机场周围飞机噪声环境标准》；GBJ87-85《工业企业噪声控制设计规范》；二.消声器的设计原理:在书中，主要是通过原理变化划分的五种消声器类型进行的阐述，即：阻尼消声器及其原理、抗性消声器及其原理、阻抗复合式消声器及其原理、微穿孔板消声器及其原理、扩散式消声器及其原理，对于根据不同设施变化延伸出来的消声器种类，无非是在考虑了上述消声器原理基础上的变化种类，大家可以课后看书了解。下面，我们就来分析下这五种消声器及其原理：阻性消声器及其原理阻性消声器是一种吸收型消声器，利用声波在多孔性吸声材料中传播时的摩擦将声能转化为热能而散发掉，从而消声。一般阻性消声器具有良好的中高频消声性能，对低频消声性能较差。通过上面介绍，下面对阻性消声器考虑的设计因素进行分析：下面结合这些设计因素来看看在计算设计中的应如何具体应用：4.(通道长度、截面面积、截面周长)A.N.别洛夫由一维理论推导出：，以及H.J.赛宾推导出的经验式，这两种经验式：前者由一维理论推导而出，适用于单向或是倍频声压级等的测定，后者对应于无规入射的条件，故而适用于多声源或是混响声场等的测定条件。互换关系见书中表9-2、9-3中的关联因子。通过这两种经验式，可以推知：对于阻性消声原理，消声量具有与消声器长度、界面周长同向变化的关系，而与消声器截面面积反向变化关系。5.(压力损失)此外，通过上述经验式，以及后面的抗性消声器及其原理，我们还应关注的是消声器设计中的气流压力损失变化(194页：局部压力损失与沿程阻力损失)、气流流速变化均与消声截面面积相关。6.(当量直径、消声频率带及失效的消声频率)此外，阻性消声器实际消声量与噪声频率相关，其关系见176页公式失效频率上限：，其中D指当量直径，m——即：对于圆截面，为直径，对于其他截面，为截面边长的均值或面积的开方值。C——声速。7.而高于失效频率的频带消声量一般低于有效消声量的2/3。8.(气流流速、声速)此外，气流的影响主要是对吸声系数及再造噪声，参见公式(178页)吸声系数的影响变化：。M——马赫数：气流速度v与声速c的比值。气流再造噪声的A声级（179页）：，其中：A为常数，与管衬结构，特别是表面结构有关。9.(阻性结构、设计选型)最后，是阻性结构的考虑，从书上（176、177页及图9-1）的阻性消声器种类：直管式(适用于低风速管道)、片式(适用于大流量时)、蜂窝式(比直管式的消声量大)、折板式(对中高频声波改善性好)、声流式(低频消声性好，造价高)、迷宫式(消声性好，但损阻高，低风速为佳)、盘式(中高频声波改善性好,宜低风速)、弯头式消声器(气流变向)，我们可以大概了解下其结构的变化，一句话，以实际情况为标准，灵活应用设计结构，没有死板的固定模式。10.至于书上讲述的阻性消声器的设计程序：中间的2~5步骤——消声器的结构形式、吸声材料、消声器长度、吸声材料的护面长度，都是属于同时应予以考虑的设计因素，视具体情况及设计的简便性，大家应该灵活掌握。11.书后应用实例中，就主要是关于阻性消声器的设计指标考虑，包含了63~8000Hz倍频程的详细列表，是设计中一个良好范例，大家翻开书198页（就分频特点、计算步骤简要介绍）。抗性消声器及其原理与阻性消声器不同的是，它不使用吸声材料，仅依靠管道截面的突变或旁接共振腔等在传播过程中引起阻抗的改变而产生声能的反射、干涉、从而降低又消声器向外辐射的能量，达到消声目的。一般适用于窄带噪声和中低频噪声的控制。对比阻性消声器的参考因素，抗性消声器需要考虑如下的变化因素：压力损失与阻性消声器一样计算，下面结合这些设计因素(同上面一样)来看看该如何具体的运用于计算设计中：4.抗性消声器主要有扩张室式、共振腔式，主要先介绍下扩张室式消声器：5.(空气密度、声速、突变截面积之比、透射、反射)如突变截面积之比S1/S2，又称为抗性消声器的扩张比，其与声反射、声透射之间的关系：声压反射系数：；声强反射系数：；声强透射系数：；声功率透射系数：（参见182页图9-5）通过反射系数、透射系数的求解：注意其中程式反映的截面积比与声能反射与透射的关系，由此可以对设计中主要设计是考虑反射还是透射的降噪方式作选择。6.(扩张管腔长度、波长、抗性消声器的固有频率、突变截面积之比)抗性消声器消声量的计算：，m=S2/S1固有频率：，按照书中所述：对sinkl进行讨论，得出：扩张比越大，传递损失越大，但当kl=nπ时，即，，传递损失将为0，此为单节扩张式消声器的最大缺点。可通过多扩张室、不同管径插管予以改善，如在扩张室两端各插入与的管以分别消除n为奇数和偶数对的通过频率低谷。7.(当量直径、扩张室体积、声速、连接管长度)共振消声器具有独特的上下截止频率计算，这主要是由共振腔的单一主频率消声特性所决定的。上限截至频率：下限截至频率：8.对于共振腔式消声器（参见184页的图9-7，右图），可知：，其中：，从186页的图9-8种可知：K值越小，消声量的变化随频率增加，越为急剧下降。G为传导率(见“10”)，是一个具有长度单位的物理量。9.(共振吸收频率)当声波波长大于共振腔消声器最大尺寸的3倍时，其共振吸收频率为：10.空心距为小孔直径5倍以上时，无干涉现象。，（n为孔数）——孔颈截面积，m3；d——小孔直径，m；t——小孔颈长，m。11.传递矩阵法是抗性消声器消声性能的普遍分析方法概述。由平面波假设，任一截面上的声学状态可用声压p以及体积振动速度V两个状态参数来描述，声学单元两端的声学状态可用一传递矩阵来联系起来，即——等价于为该声学单元的传递矩阵，A、B、C、D为无量纲量，与p有相同的量纲。分别反映声学单元两端的声学状态，叫做状态向量T-1为传递矩阵T的递矩阵。若所研究的消声系统由N个串接的声学单元组成，则逐个考虑各声学单元的作用，可得：∏0=T1﹒T2…TN﹒∏N∏N=TN-1﹒TN-1-1…T1-1﹒∏0即各单元传递矩阵连乘后所得矩阵就是总的传递矩阵。12.总之，共振消声器适用于中低频消声，但消声频带较窄。可通过选用K值大的设计或增加声阻，即增加些吸声材料、再有就是多节不同的共振腔串联。书后例2的应用实例介绍了其设计的具体过程，大家看一下，同时也可以知道，共振腔式的消声器为什么消声频率范围较窄了。对于抗性消声器中后面的干涉消声器与有源消声器，分别采用了分支管路与声源主动干涉方法，主要是利用了声波的叠加原理，一般用得较少。下面还有阻抗复合式消声器及其原理、微穿孔板消声器及其原理、扩散式消声器及其原理，前者是阻性消声器与抗性消声器的综合运用，后者则有一定的应用条件特点，下面对它们的应用特点予以简要介绍：阻抗复合式消声器及其原理是将阻性和抗性两种消声器原理组合起来使用的，故此具有宽频带的适用范围，而且由于组合的多样性，其可以控制高强度的宽频带噪声。一般阻抗复合式消声器具有：阻性-扩张室复合式、阻性-共振复合式、阻性-扩张室-共振腔复合式等多种形式。需要说明的是：由于声波的反射、干涉、衍射等现象，复合式消声器的消声量并不是简单的叠加关系。其考虑的因素也不仅仅是上述两者(阻性、抗性)中的因素，还包含了连接部位的变化及组合方式与声远距离的关系。如汽车尾气排放的消声装置，就是一个消声器，在设计时，要考虑与声源接管的连续性，以确保气流的传递中不会产生压力值的突然变化，造成压力损失。此外，根据设计，一般阻性消声器设计的离声源远一些，抗性消声器设计的离声源近一些，这样高频声在离声源较远处的消声效果要好得多(涉及到声波的干涉、衍射)。微穿孔板消声器及其原理是一种高声阻、低声质量的吸声元件，理论上，声阻与穿孔板上的孔径成反比，即孔径越小，声阻越大，但限于加工工艺，现有孔径一般取0.5~1.0mm，穿孔率一般为1%~3%。为保证宽频带有较高的吸声系数，可采用双层微穿孔板结构，从而形成实质上的阻抗复合式消声器。勿需吸声材料，消声频带宽，重量轻，耐高温，耐蒸汽，摩擦阻损小。；其中：；微穿孔板的共振频率：还有一个经验公式(193页)，主要适用于高频噪声，一般少用。扩散式消声器及其原理是一种研究喷气噪声辐射的理论和实验中开发出的新型消声器，主要用于降低高压排气放空的空气动力性噪声，原来的书中讲述的较少。这里只提示一点：喷注噪声是宽频带噪声，其峰值频率为：3.其应用原理是：采用众多的小孔代替大截面喷口，转移噪声频率，使之趋于高频，超出人耳感觉范围，达到消声目的。，4.此外还有多孔扩散消声器，其是利用了气流通过多孔装置的速度及驻点压力下降的原理设计的。对于书中介绍的节流减压消声器、喷雾消声器、引射掺冷消声器，大家了解下就可以了，在实际应用中，主要根据实际的气流压力要求、噪声的主流频率、以及消声量要求而采用多种方式的复合予以灵活设计。需要强调设计原理中的事项是关于消声器的压力损失，这是一个消声器设计中常见的涉及因素之一，了解其原理，有助于设计应用性能更好的消声器。忽略它，往往导致消声器设计的失败。三．设计完成过程与结论。消声器的设计程序：（五个程序）噪声源现场调查及特性分析；噪声标准的确定；消声量的计算；选择消声器类型；检验。在上述五个设计程序中大家要注意的是：噪声源现场调查及特性分析：要达到了解生源状况、现场环境条件、安装条件。测试标准对声源的针对性。噪声标准的确定：要注意环境的噪声质量标准、国家相关噪声质量标准、地方相关法规。消声器类型选择：根据气流性质、安装现场条件、各频带的消声量、综合平衡后确定消声器的类型、结构、材质。消声量的计算：在考虑其他设计前提条件下，从材料、管径、结构(包括阻性消声器的管路安排、抗性消声器的共振腔室、传导率等)考虑，总之尽最大可能的达到设计要求的消声量。检验：验算消声效果、包括上下截止频率，消声器的压力损失、是否在允许范围内。对未达要求的，提出改进、补救措施。结论：消声器的设计是一个综合性的设计，和其它专业设计一样，最接近产品的制造与实现，因此，对消声器的设计要考虑的不仅仅是噪声的消声量，还包含了相关的技术设计，如空气动力——气流量等方面，此外，历史经验表明，一门课的知识点，往往是与其它专业知识点相通，举最简单的例子，光纤传导，最早就与声学知识相关，是由声在铜金属线的传导过程中发现了金属表面的氧化膜层的反约束作用而不断创新而引出来的成果。总之，期望大家学到