消聲器

消聲器是一種在允許氣流通過的同時，又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播的裝置。它主要用于機械設(shè)備的進、排氣管道或通風(fēng)管道的噪聲控制。一個性能好的消聲器，可使氣流噪聲降低20～40dB（A）。但是，消聲器只能降低空氣動力設(shè)備的進排氣口噪聲或沿管道傳播的噪聲，不能降低空氣動力設(shè)備的機殼、管壁等輻射的噪聲。消聲器類型很多，按其降噪原理主要有如下三種類型：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：是通過吸聲材料來吸收聲能降低噪音，一般的微穿孔板消聲器就屬于這個類型，一般是用來消除高、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，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、燃?xì)廨啓C進氣噪聲（即氣體流速不大的情況）。

理論計算公式：

其中：F－消聲器氣流通道斷面周長，m；

S－消聲器的氣流通道截面積，m2；

l－消聲器的有效長度，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)驗公式：

降噪量與材料吸聲性能和周長/截面比有關(guān)。

衰減量(LA) 消聲器內(nèi)部兩點之間的聲壓級之差。通常用消聲器單位長度上的衰減量來表征，dB/m。

LA是減噪量，l是消聲器消聲有效長度。

阻性消聲器對消除高、中頻噪聲，對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、消聲器長度以及吸聲材料的種類、密度、厚度等因素有關(guān)護面板材料及其型式對消聲效果也有很大影響。護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)聲波波長小于通道截面尺寸一半時，消聲效果下降，將這一頻率稱為高頻失效頻率。其經(jīng)驗公式：

式中：c－聲速m_s^-1； －消聲器通道截面當(dāng)量邊長m(圓形管道為直徑；矩形管道為邊長平均值，其他管道取面積的開方值)。

若f>fc,每增加一個倍頻程，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)計成多通道。

3. 氣流速度對阻性消聲器的影響

主要表現(xiàn)在兩個方面：

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(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，促進消聲降噪；

B)逆流時(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)過消聲器通道時，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)件振動而輻射噪聲。

4 常用阻性消聲器的類型

（1）直管式阻性消聲器

直管式阻性消聲器圖

它的特點是結(jié)構(gòu)簡單、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，高頻聲的消聲下降。這是因為對于給定的消聲器通道來說，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小通道，每個小通道截面小了，就能提高上限失效頻率；同時，因為增加了吸聲材料飾面表面積，則消聲量也會相應(yīng)增加，每個小通道的尺寸都相同。

式中為消聲器的有效長度，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通道的寬度有關(guān)，越小，越大，與通道的數(shù)目和高度沒有什么關(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)計片式消聲器時，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會，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的，這種消聲器把吸聲層制成正弦波形。當(dāng)聲波通過時，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，減少阻損。其缺點是加工復(fù)雜，造價高。

蜂窩式消聲器它實際上是由許多平行的小直管式消聲器并聯(lián)而成.但由于它是多個通道并聯(lián)，而且每個通道的尺寸基本相同，即每個通道消聲特性一樣，因此蜂窩式消聲器的消聲量只算其中的一個小管即可.蜂窩式消聲器對中、高頻聲波的消聲效果好。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻損較大。對每個單元通道控制在 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，會收到顯著的消聲效果。按圖可定性說明彎頭消聲原理。圖中左邊為沒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，最后仍可通過彎頭傳播過去。因此，無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，對于斜向波在由平面 A 至平面 B 的途中都會被襯里吸收掉。軸向波到達(dá)垂直管道時，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。在高頻范圍，有吸聲襯里的彎頭與同樣長的無襯里彎頭相比，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。

如果有兩個以上的直角彎頭串聯(lián)，當(dāng)各個彎頭之間的間隔比管道截面尺寸大得多時，則可以認(rèn)為幾個彎頭的總消聲量等于一個彎頭的消聲量乘以彎頭的個數(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，通過小室斷面的擴大與縮小，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）流對阻性消聲器聲學(xué)性能的影響

氣流對消聲器聲學(xué)性能的影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是氣流的存在會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，稱為氣流再生噪聲。下面首先討論氣流對噪聲傳播的影響。

有氣流時的消聲系數(shù)的近似公式如下，

式中 為沒有氣流時 ( 靜態(tài) ) 的消聲系數(shù)， 稱為馬赫數(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)致氣流對消聲器性能的影響程度也不同。當(dāng)流速高時，馬赫數(shù) 值大，氣流對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，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，馬赫數(shù) 值為負(fù)，消聲系數(shù)會變大。也就是說，順流與逆流相比，逆流有利于消聲。

氣流在管道中的流動速度并不均勻，就同一截面而言，管道流速高；離開中心位置越遠(yuǎn)，速度越低；到接近管壁處，流速就近似為零了。如下圖示，順流時管道聲速高，周壁聲速低；逆流時正好相反。

根據(jù)聲折射原理，聲波要向管壁彎曲，對阻性消聲器來說，由于周壁襯貼有吸聲材料，所以順流時恰好聲能被吸收；而在逆流時，聲波要向管道中心彎曲，因此對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都很小，因此氣流對聲傳播與衰減規(guī)律的影響一般不很明顯。一般來講，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。但綜合起來看，順向與逆向的消聲性能并沒有很大差別。

氣流對聲折射的影響

二、抗性消聲器

消聲原理：通過控制聲抗的大小來進行消聲的。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，達(dá)到了消聲的目的。

包括的形式：擴張室式、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、內(nèi)燃機、汽車排氣噪聲（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，潔凈對低頻、窄帶噪聲有較好的效果。

(1)擴張室消聲器（膨脹式消聲器）

擴張室消聲器

消聲原理：擴張室消聲器也稱為膨脹室消聲器，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消聲器而反射回聲源去。由于聲波通不過消聲器，也就傳不出來，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。

消聲量計算(單節(jié)) ：

其中TL是消聲量，單位dB, m_s=S2/S1=S2/S3稱為消聲器擴張比，l₂為擴張室長度。S1、S3為管道截面積，S2擴張室截面積。

擴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衰減地通過消聲器。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，這顯然是不利的。為了克服擴張室消聲器這一缺點，必須對擴張室消聲性能進行改善處理，方法有二：

(1) 在擴張室消聲器內(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)接管長度等于擴張部分長度的 1/2 時，能消除那部分奇數(shù)倍的通過頻率；當(dāng)插入的內(nèi)接管長度為擴張部分長度的 1/4 時，能消除那部分偶數(shù)倍的通過頻率。這樣，如果綜合兩者，即在擴張管消聲器內(nèi)從一端插入長度等于 1/2 倍的內(nèi)接管，從另一端插入長度等于 1/4 倍的內(nèi)接管，如圖所示，就可以得到在理論上沒有通過頻率的消聲特性。

(2) 采用多節(jié)不同長度的擴張室串聯(lián)的方法，可解決擴張室對某些頻率不消聲的問題，如下圖所示。把各節(jié)擴張室的長度設(shè)計得互不相等，使它們的通過頻率互相錯開。比如，使第二節(jié)擴張室的消聲量的頻率設(shè)計得恰好為節(jié)擴張室消聲量為 0 的通過頻率。這樣，多節(jié)擴張室消聲器串聯(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)擴張室之間有耦合現(xiàn)象，故總的消聲量不等于各節(jié)擴張室消聲量的算術(shù)相加。

長度不等的多節(jié)擴張室串聯(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，振動時，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，消耗聲能多，消聲量大。

消聲量的計算：

式中管道截面為 , S₀ 為小孔截面積， 為密閉空腔容積， 為孔頸有效長度， ，這里為小孔頸長，如為穿孔板，則為板厚； 為修正項，對于直徑為 的圓孔， 。

定義傳導(dǎo)率 ，對于圓孔得到，

工程上的共振器很少是開一個孔的，而是由多個孔組成，此時應(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，來達(dá)到消聲目的。

分類：無源(被動式)消聲器和有源(主動式)消聲器兩類。

特點：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，是按阻性與抗性兩種消聲原理通過適當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)合起來而構(gòu)成的。常用的阻抗復(fù)合式消聲器有“阻性 - 擴張室復(fù)合式”消聲器、“阻性 - 共振腔復(fù)合式”消聲器、“阻性 - 擴張室 - 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，對一些高強度的寬頻帶噪聲，幾乎都采用這幾種復(fù)合式消聲器來消除，圖所示是常見的一些阻抗復(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，其消聲值并不是簡單的迭加關(guān)系。對于波長較長的聲波來說，當(dāng)消聲器以阻與抗的形式復(fù)合在一起時有聲的耦合作用。在實際應(yīng)用中，阻抗復(fù)合式消聲器的消聲值通常由實驗或?qū)嶋H測量確定。

常見的阻抗復(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。

微穿孔板消聲器的理論計算模