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河北錦泓環(huán)境工程設(shè)備有限公司
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消聲器是一種在允許氣流通過(guò)的同時(shí),又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。它主要用于機(jī)械設(shè)備的進(jìn)、排氣管道或通風(fēng)管道的噪聲控制。一個(gè)性能好的消聲器,可使氣流噪聲降低20~40dB(A)。但是,消聲器只能降低空氣動(dòng)力設(shè)備的進(jìn)排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲,不能降低空氣動(dòng)力設(shè)備的機(jī)殼、管壁等輻射的噪聲。消聲器類(lèi)型很多,按其降噪原理主要有如下三種類(lèi)型:阻性消聲器、抗性消聲器、復(fù)合式消聲器、微穿孔消聲器和噴......
消聲器是一種在允許氣流通過(guò)的同時(shí),又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。它主要用于機(jī)械設(shè)備的進(jìn)、排氣管道或通風(fēng)管道的噪聲控制。一個(gè)性能好的消聲器,可使氣流噪聲降低20~40dB(A)。但是,消聲器只能降低空氣動(dòng)力設(shè)備的進(jìn)排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲,不能降低空氣動(dòng)力設(shè)備的機(jī)殼、管壁等輻射的噪聲。消聲器類(lèi)型很多,按其降噪原理主要有如下三種類(lèi)型:阻性消聲器、抗性消聲器、復(fù)合式消聲器、微穿孔消聲器和噴注型消聲器。
一、阻性消聲器
阻式消聲器:是通過(guò)吸聲材料來(lái)吸收聲能降低噪音,一般的微穿孔板消聲器就屬于這個(gè)類(lèi)型,一般是用來(lái)消除高、中頻噪聲。但是由于結(jié)構(gòu)的原因,在高溫、高濕、高速的情況下不適用。阻性消聲器是把吸聲材料固定在氣流通道內(nèi)壁或按一定的方式在管道中排列起來(lái),就構(gòu)成了阻性消聲。
1、阻性消聲包括的形式:直管式、片式、折板式、聲流式、蜂窩式、彎頭式等。適用范圍:消除風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣噪聲(即氣體流速不大的情況)。
理論計(jì)算公式:
其中:F-消聲器氣流通道斷面周長(zhǎng),m;
S-消聲器的氣流通道截面積,m2;
l-消聲器的有效長(zhǎng)度,m;
Ψ(α0)-與材料的吸聲系數(shù)有關(guān)的消聲系數(shù)。
H.J. 賽賓經(jīng)驗(yàn)公式:
降噪量與材料吸聲性能和周長(zhǎng)/截面比有關(guān)。
衰減量(LA) 消聲器內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)之間的聲壓級(jí)之差。通常用消聲器單位長(zhǎng)度上的衰減量來(lái)表征,dB/m。
LA是減噪量,l是消聲器消聲有效長(zhǎng)度。
阻性消聲器對(duì)消除高、中頻噪聲,對(duì)低頻噪聲的消除則不是很有效,其消聲量與消聲器的結(jié)構(gòu)形式、空氣通道橫斷面的形狀與面積、氣流速度、消聲器長(zhǎng)度以及吸聲材料的種類(lèi)、密度、厚度等因素有關(guān)護(hù)面板材料及其型式對(duì)消聲效果也有很大影響。護(hù)面材料可采用柔軟多孔透氣的織物,如玻璃纖維布,或穿孔板。護(hù)面用的穿孔板一般采用薄鋼板、鋁板、不銹鋼板加工制成。為了發(fā)揮吸聲材料的吸聲性能穿孔板的穿孔率應(yīng)大于20%,孔徑3-10mm。 阻性消聲器一般宜在風(fēng)速8m/s以下,不應(yīng)宜>12m/s,微穿孔板消聲器大風(fēng)速的情況下(15~20m/s)風(fēng)阻較大.常用吸聲材料有玻璃纖維絲、低碳鋼絲網(wǎng)、毛氈等。
2.阻性消聲器的高頻失效頻率
在單通道直管消聲器中,高頻聲隨著通道面積的增大消聲下降。由于頻率超過(guò)一定的數(shù)值,不符合平面波傳播規(guī)律,窄束傳播的聲波不與吸聲材料接觸,消聲效果下降。
當(dāng)聲波波長(zhǎng)小于通道截面尺寸一半時(shí),消聲效果下降,將這一頻率稱(chēng)為高頻失效頻率。其經(jīng)驗(yàn)公式:
式中:c-聲速ms-1; -消聲器通道截面當(dāng)量邊長(zhǎng)m(圓形管道為直徑;矩形管道為邊長(zhǎng)平均值,其他管道取面積的開(kāi)方值)。
若f>fc,每增加一個(gè)倍頻程,消聲量下降1/3,其估算公式:
n高于fc的倍頻程帶數(shù)將大風(fēng)量粗管道應(yīng)設(shè)計(jì)成多通道。
3. 氣流速度對(duì)阻性消聲器的影響
主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:
1)氣流的存在引起了消聲器內(nèi)聲傳播和聲衰減規(guī)律變化。
A)順流時(shí)(氣流與聲傳播方向一致),由于氣體流速在管道內(nèi)不均一,根據(jù)折射原理,聲波向管壁彎曲,促進(jìn)消聲降噪;
B)逆流時(shí)(氣流與聲傳播方向相反) ,聲波向管道中心彎曲,導(dǎo)致聲波與吸聲材料接觸減少,不利于消聲降噪。
2)氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生一種附加噪聲,即氣流再生噪聲。氣流經(jīng)過(guò)消聲器通道時(shí),因局部阻力或摩擦阻力而產(chǎn)生湍流,相應(yīng)輻射一些噪聲;氣流激發(fā)消聲器構(gòu)件振動(dòng)而輻射噪聲。
4 常用阻性消聲器的類(lèi)型
(1)直管式阻性消聲器
直管式阻性消聲器圖
它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣流直通、阻力損失小、適用于流量小的管道消聲。直管式阻性消聲器的通道截面不宜太大,如果太大時(shí),高頻聲的消聲下降。這是因?yàn)閷?duì)于給定的消聲器通道來(lái)說(shuō),當(dāng)頻率高到一定數(shù)值,聲波在消聲器中傳播便不符合平面聲波的條件了。對(duì)于小風(fēng)量粗管道,其消聲器可以使用直管式阻性消聲器,而對(duì)風(fēng)量較大的粗管道,則不能如此。
(2).片式阻性消聲器
片式阻性消聲器圖
由于把通道分成若干個(gè)小通道,每個(gè)小通道截面小了,就能提高上限失效頻率;同時(shí),因?yàn)樵黾恿宋暡牧巷椕姹砻娣e,則消聲量也會(huì)相應(yīng)增加,每個(gè)小通道的尺寸都相同。
式中為消聲器的有效長(zhǎng)度,為氣流通道的寬度(分離的相鄰兩片之間的距離)。從上式可以看出,片式消聲器的消聲量與每個(gè)通道的寬度有關(guān),越小,越大,與通道的數(shù)目和高度沒(méi)有什么關(guān)系。片式消聲器的相鄰兩塊消聲片通常并成一片,中間消聲片的厚度 T 為邊緣消聲片厚度 t 的兩倍。工程上設(shè)計(jì)片式消聲器時(shí),通道寬度通常取 100~200 mm ,片厚 T 在 60~150 mm 之間選取。消聲氣流通道寬度為5O~350n~n。處理風(fēng)量為10000-1200000m3/h。
(3)折板式、聲流式、蜂窩式阻性消聲器
折板式消聲器如圖 ,它實(shí)際上是片式消聲器的變種。為了提高其高頻消聲性能,把直片做成折彎狀,這樣能增加聲波在消聲器內(nèi)反射次數(shù),即增加吸聲層與聲波的接觸機(jī)會(huì),從而提高消聲效果。為了減小阻損,其折角做得小一些為好。
聲流式消聲器是由折板式消聲器改進(jìn)的,這種消聲器把吸聲層制成正弦波形。當(dāng)聲波通過(guò)時(shí),增加反射次數(shù),故能改善消聲性能。與折板式比較,它能使氣流通暢流過(guò),減少阻損。其缺點(diǎn)是加工復(fù)雜,造價(jià)高。
蜂窩式消聲器它實(shí)際上是由許多平行的小直管式消聲器并聯(lián)而成.但由于它是多個(gè)通道并聯(lián),而且每個(gè)通道的尺寸基本相同,即每個(gè)通道消聲特性一樣,因此蜂窩式消聲器的消聲量只算其中的一個(gè)小管即可.蜂窩式消聲器對(duì)中、高頻聲波的消聲效果好。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,阻損較大。對(duì)每個(gè)單元通道控制在 300 × 300 平方毫米以下。如果按原道通流截面設(shè)計(jì)消聲器,為了減小阻力損失,蜂窩式消聲器的通流截面可選為原管道通流截面的 1.5~2 倍。
(4)彎頭消聲器
彎頭式阻性消聲器圖
在彎頭上掛貼吸聲襯里,即構(gòu)成彎頭消聲器,會(huì)收到顯著的消聲效果。按圖可定性說(shuō)明彎頭消聲原理。圖中左邊為沒(méi)有掛貼吸聲襯里的彎管,管壁基本上是近似剛性的,聲波在管道中雖有多次反射,最后仍可通過(guò)彎頭傳播過(guò)去。因此,無(wú)襯里彎頭的消聲作用是有限的。圖中右邊為襯貼吸聲材料的彎頭。在彎頭前的平面 B 處,主要存在軸向波,對(duì)于斜向波在由平面 A 至平面 B 的途中都會(huì)被襯里吸收掉。軸向波到達(dá)垂直管道時(shí),由于彎頭壁面的吸收和反射作用,使得軸向波的一部分被吸收掉,另一部分被反射回聲源,其余部分轉(zhuǎn)換為垂直方向繼續(xù)向前傳播。彎頭消聲器在低頻段的消聲效果較差,在高頻段消聲效果好,特別是滿足 的那些頻率,消聲效果將迅速提高。這里, 為彎頭的通道寬度, 為聲波波長(zhǎng)。在高頻范圍,有吸聲襯里的彎頭與同樣長(zhǎng)的無(wú)襯里彎頭相比,其消聲效果可高出 10dB 左右。彎頭上襯貼吸聲材料的長(zhǎng)度,一般取相當(dāng)管道截面尺寸的 2~4 倍。 彎頭消聲量與彎頭的角度有很大關(guān)系。粗略地可認(rèn)為與彎曲角度成正比。例如, 30 0 彎頭的消聲量可估算為 90 0 彎頭的 1/3 ; 180 0 彎頭 ( 管子折回 ) 的消聲量大約為 90 0 彎頭的 1.5 倍。
如果有兩個(gè)以上的直角彎頭串聯(lián),當(dāng)各個(gè)彎頭之間的間隔比管道截面尺寸大得多時(shí),則可以認(rèn)為幾個(gè)彎頭的總消聲量等于一個(gè)彎頭的消聲量乘以彎頭的個(gè)數(shù)。為了減少阻力損失,而且不使消聲值下降,可把直角彎頭做成下圖 那樣,內(nèi)側(cè)具有彎曲的形狀。這種形狀彎頭的阻力損失要比一般直角彎頭小得多。
阻力損失小的直角彎頭
(5)迷宮式阻性消聲器
迷宮式消聲器
迷宮式消聲器也稱(chēng)室式消聲器。在輸氣管道中途,例如,在空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)出口、管道分支處或排氣口,設(shè)置容積較大的箱 ( 室 ) ,在它里面加襯吸聲材料或吸聲障板,就組成迷宮式消聲器,如圖所示。這種消聲器除具有阻性作用外,通過(guò)小室斷面的擴(kuò)大與縮小,還具有抗性作用,因此消聲頻率范圍較寬。
迷宮式消聲器的消聲性能與室的尺寸、通道截面、吸聲材料及其面積等因素有關(guān),可用下式估算,
(6)流對(duì)阻性消聲器聲學(xué)性能的影響
氣流對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是氣流的存在會(huì)引起聲傳播和聲衰減規(guī)律的變化;二是氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生一種附加噪聲,稱(chēng)為氣流再生噪聲。下面首先討論氣流對(duì)噪聲傳播的影響。
有氣流時(shí)的消聲系數(shù)的近似公式如下,
式中 為沒(méi)有氣流時(shí) ( 靜態(tài) ) 的消聲系數(shù), 稱(chēng)為馬赫數(shù),數(shù)值上等于消聲器內(nèi)流速與聲速之比。
由上式看出,氣流速度大小與方向不同,導(dǎo)致氣流對(duì)消聲器性能的影響程度也不同。當(dāng)流速高時(shí),馬赫數(shù) 值大,氣流對(duì)消聲器的消聲性能的影響就越厲害;當(dāng)氣流方向與聲傳播方向一致時(shí),馬赫數(shù) 值為正,上式中的消聲系數(shù)將變小;當(dāng)氣流方向與聲傳播方向相反時(shí),馬赫數(shù) 值為負(fù),消聲系數(shù)會(huì)變大。也就是說(shuō),順流與逆流相比,逆流有利于消聲。
氣流在管道中的流動(dòng)速度并不均勻,就同一截面而言,管道流速高;離開(kāi)中心位置越遠(yuǎn),速度越低;到接近管壁處,流速就近似為零了。如下圖示,順流時(shí)管道聲速高,周壁聲速低;逆流時(shí)正好相反。
根據(jù)聲折射原理,聲波要向管壁彎曲,對(duì)阻性消聲器來(lái)說(shuō),由于周壁襯貼有吸聲材料,所以順流時(shí)恰好聲能被吸收;而在逆流時(shí),聲波要向管道中心彎曲,因此對(duì)阻性消聲器的消聲是不利的。
綜合上述兩方面的分析,消聲器用在順流與逆流各有利弊。由于工廠輸氣管道中的氣流速度與聲速比較起來(lái)都很小,因此氣流對(duì)聲傳播與衰減規(guī)律的影響一般不很明顯。一般來(lái)講,在低頻范圍逆向比順向消聲效果好;而在高頻范圍情況恰好相反,順向比逆向消聲效果好。但綜合起來(lái)看,順向與逆向的消聲性能并沒(méi)有很大差別。
氣流對(duì)聲折射的影響
二、抗性消聲器
消聲原理:通過(guò)控制聲抗的大小來(lái)進(jìn)行消聲的。與阻性消聲器不同,它不使用吸聲材料而是在管道上接截面積突變的管段或旁接共振腔,利用聲阻抗的改變,使某些頻率的聲波在聲阻抗突變的界面發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象,從而在消聲器的外測(cè),達(dá)到了消聲的目的。
包括的形式:擴(kuò)張室式、共振腔式 、干涉型。
消聲的頻率特性:具有中、低頻消聲性能。
適用范圍:消除空壓機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽車(chē)排氣噪聲(氣體流速較高氣速的情況)
抗性消聲器具有:不需要使用多孔吸聲材料、耐高溫、抗潮、流速較大,潔凈對(duì)低頻、窄帶噪聲有較好的效果。
(1)擴(kuò)張室消聲器(膨脹式消聲器)
擴(kuò)張室消聲器
消聲原理:擴(kuò)張室消聲器也稱(chēng)為膨脹室消聲器,它是由管和室組成的。它是利用管道截面的突然擴(kuò)張 ( 或收縮 ) 造成通道內(nèi)聲阻抗突變,使沿管道傳播的某些頻率的聲波通不過(guò)消聲器而反射回聲源去。由于聲波通不過(guò)消聲器,也就傳不出來(lái),在管道內(nèi)發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象,也就達(dá)到消聲的目的。
消聲量計(jì)算(單節(jié)) :
其中TL是消聲量,單位dB, ms=S2/S1=S2/S3稱(chēng)為消聲器擴(kuò)張比,l2為擴(kuò)張室長(zhǎng)度。S1、S3為管道截面積,S2擴(kuò)張室截面積。
擴(kuò)張管消聲器的消聲特性是周期性變化的,即某些頻率的聲波能夠無(wú)衰減地通過(guò)消聲器。由于噪聲的頻率范圍一般較寬,如果消聲器只能消除某些頻率成分,而讓另一些頻率成分順利通過(guò),這顯然是不利的。為了克服擴(kuò)張室消聲器這一缺點(diǎn),必須對(duì)擴(kuò)張室消聲性能進(jìn)行改善處理,方法有二:
(1) 在擴(kuò)張室消聲器內(nèi)插入內(nèi)接管,以改善它的消聲性能。由理論分析可知,當(dāng)插入的內(nèi)接管長(zhǎng)度等于擴(kuò)張部分長(zhǎng)度的 1/2 時(shí),能消除那部分奇數(shù)倍的通過(guò)頻率;當(dāng)插入的內(nèi)接管長(zhǎng)度為擴(kuò)張部分長(zhǎng)度的 1/4 時(shí),能消除那部分偶數(shù)倍的通過(guò)頻率。這樣,如果綜合兩者,即在擴(kuò)張管消聲器內(nèi)從一端插入長(zhǎng)度等于 1/2 倍的內(nèi)接管,從另一端插入長(zhǎng)度等于 1/4 倍的內(nèi)接管,如圖所示,就可以得到在理論上沒(méi)有通過(guò)頻率的消聲特性。
(2) 采用多節(jié)不同長(zhǎng)度的擴(kuò)張室串聯(lián)的方法,可解決擴(kuò)張室對(duì)某些頻率不消聲的問(wèn)題,如下圖所示。把各節(jié)擴(kuò)張室的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得互不相等,使它們的通過(guò)頻率互相錯(cuò)開(kāi)。比如,使第二節(jié)擴(kuò)張室的消聲量的頻率設(shè)計(jì)得恰好為節(jié)擴(kuò)張室消聲量為 0 的通過(guò)頻率。這樣,多節(jié)擴(kuò)張室消聲器串聯(lián),不但能提高總的消聲量,而且能改善消聲器的頻率特性。由于各節(jié)擴(kuò)張室之間有耦合現(xiàn)象,故總的消聲量不等于各節(jié)擴(kuò)張室消聲量的算術(shù)相加。
長(zhǎng)度不等的多節(jié)擴(kuò)張室串聯(lián)結(jié)構(gòu)
(2) 共振式消聲器
共振消聲器
共振消聲原理
消聲原理:利用共振吸聲原理,在聲波的作用下,管壁空氣柱產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)時(shí),氣柱與腔口壁摩擦使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散;同時(shí)由于聲阻抗的突變而使聲波發(fā)生反射和干涉現(xiàn)象,導(dǎo)致聲能衰減。當(dāng)系統(tǒng)固有頻率與聲波頻率發(fā)生共振時(shí),消耗聲能多,消聲量大。
消聲量的計(jì)算:
式中管道截面為 , S0 為小孔截面積, 為密閉空腔容積, 為孔頸有效長(zhǎng)度, ,這里為小孔頸長(zhǎng),如為穿孔板,則為板厚; 為修正項(xiàng),對(duì)于直徑為 的圓孔, 。
定義傳導(dǎo)率 ,對(duì)于圓孔得到,
工程上的共振器很少是開(kāi)一個(gè)孔的,而是由多個(gè)孔組成,此時(shí)應(yīng)注意各孔之間要有足夠大的距離。
(3)干涉式消聲器:
消聲原理:借助于相干聲波相互抵消作用,來(lái)達(dá)到消聲目的。
分類(lèi):無(wú)源(被動(dòng)式)消聲器和有源(主動(dòng)式)消聲器兩類(lèi)。
特點(diǎn):具有顯著的頻率選擇性。
三、阻抗復(fù)合式消聲器
阻抗復(fù)合式消聲器,是按阻性與抗性?xún)煞N消聲原理通過(guò)適當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)合起來(lái)而構(gòu)成的。常用的阻抗復(fù)合式消聲器有“阻性 - 擴(kuò)張室復(fù)合式"消聲器、“阻性 - 共振腔復(fù)合式"消聲器、“阻性 - 擴(kuò)張室 - 共振腔復(fù)合式"消聲器以及“微穿孔板"消聲器。在噪聲控制工作中,對(duì)一些高強(qiáng)度的寬頻帶噪聲,幾乎都采用這幾種復(fù)合式消聲器來(lái)消除,圖所示是常見(jiàn)的一些阻抗復(fù)合式消聲器。
阻抗復(fù)合式消聲器,可以認(rèn)為是阻性與抗性在同一頻帶的消聲值相迭加。但由于聲波在傳播過(guò)程中具有反射、繞射、折射、干涉等特性,所以,其消聲值并不是簡(jiǎn)單的迭加關(guān)系。對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的聲波來(lái)說(shuō),當(dāng)消聲器以阻與抗的形式復(fù)合在一起時(shí)有聲的耦合作用。在實(shí)際應(yīng)用中,阻抗復(fù)合式消聲器的消聲值通常由實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H測(cè)量確定。
常見(jiàn)的阻抗復(fù)合式消聲器
微穿孔板消聲器是一種特殊的消聲結(jié)構(gòu),它利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)而制成,是一種新型消聲器。通過(guò)選擇微穿孔板上的不同穿孔率與板后的不同腔深,能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。因此,微穿孔板消聲器能起到阻抗復(fù)合式消聲器的消聲作用。
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