消聲器結構設計.ppt

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消音器結構設計,課題目的： 了解常見消音器種類、消音原理及常見消音器設計中應注意的問題和設計方法,目錄,1 消聲器性能評價 2 消聲器的分類和消聲機理 3 阻性消聲器 4 抗性消聲器 5 其他消聲器 6 消聲設計及總結,1 消聲器性能評價,消音器的性能主要包括： 聲學性能、空氣動力性能、結構性能 具體來講，對一個好的消聲器要有五方面的基本要求： 1）聲學性能要求。具有高的消聲值和寬的消聲頻率，即在所需要的消聲頻率范圍有足夠大的消聲量； 2）空氣動力性能要求。消聲器的氣流阻力小，安裝消聲器后所增加的阻力損失，要控制在實際容許的范圍內； 3）機械結構性能要求。體積小，重量輕，結構簡單，便于加工，安裝和維修； 4）外形和裝飾的要求。符合實際安裝空間的需要，美觀大方，表面裝飾與設備相協(xié)調 5）價格費用要求。制造成本低，使用壽命長。,1.1 聲學性能評價,消聲器聲學性能評價量有： 插入損失(IL)、傳聲損失(TL)、減噪量(LNR)、衰減量(LA)。 1.插入損失(IL)：系統(tǒng)中插入消聲器前后在系統(tǒng)外某點測得的聲功率級之差。在聲場分布情況近似保持不變時，也可用指定測點上聲壓級差代替。 2.傳聲損失(IL)：消聲器進口端聲功率級與出口端聲功率級之差。由于聲功率不宜直接測量，一般通過聲壓求得。傳聲損失僅反映消聲器本身的特性，不受聲源、管道及出口端的影響。 3.減噪量(LNR)：消聲器進、出口端測得的平均聲壓級之差。,1.2 空氣動力性能,消聲器的空氣動力性能：是指消聲器對氣流阻力的大小。通常用阻力系數(shù)或阻力損失來表示，包括摩擦阻力損失和局部阻力損失兩部分。 阻力系數(shù)：消聲器安裝前后的全壓差與全壓之比。 阻力損失：出口端流體靜壓比進口端降低的數(shù)值。 摩擦阻損:是由于氣流與消聲器各壁面之間的摩擦而產生的阻力損失。 局部阻損:是指氣流通過在消聲器截面突變處產生的阻力損失。如擴展、收縮、轉彎等。,1.3 結構性能,消聲器結構性能: 是指它的外形尺寸、堅固程度、維護要求、使用壽命等，它也是評價消聲器性能的一項指標。好的消聲器除應有好的聲學性能和空氣動力性能之外；還應該具有體積小、重量輕、結構簡單、造型美觀、加工方便、同時要堅固耐用、使用壽命長、維護簡單和造價便宜等特點。 評價消聲器的上述三個方面的性能，既互相聯(lián)系又互相制約。從消聲器的消聲性能考慮，當然在所需頻率范圍內的消聲量越大越好；但是同時必須考慮空氣動力性能的要求。例如，汽車上的排氣消聲器如果阻損過大，會使功率損失增加，甚至影響車輛行駛。在兼顧消聲器聲學性能和空氣動力性能的同時，還必須考慮結構性能的要求，不但要耐用，還應避免體積過大、安裝困難等情況。在實際運用中，對這三方面的性能要求，應根據(jù)具體情況做具體分析，并有所側重。,2 消聲器的分類和消聲機理,消聲器類型很多，按其降噪原理主要有如下幾種類型： 2.1 阻性消聲器 2.2 抗性消聲器 2.3 復合式消聲器 2.4 微穿孔消聲器 2.5 噴注型消聲器,2 消聲器的分類和消聲機理,分類圖例,2.1 阻性消聲器,消聲原理：利用吸聲材料消聲。把吸聲材料固定在氣流通道內壁或按一定的方式在管道中排列起來，就構成了阻性消聲器，與電學類比，吸聲材料就相當于電阻，故稱阻性消聲器。 包括的形式：直管式、片式、折板式、聲流式、蜂窩式、彎頭式等。 消聲的頻率特性：具有中、高頻消聲性能。 適用范圍：消除風機、燃氣輪機進氣噪聲（即氣體流速不大的情況）。,2.2 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、內燃機、汽車排氣噪聲（氣體流速較高氣速的情況）,2.3 阻抗復合式消聲器,消聲原理：把阻性與抗性兩種消聲原理通過適當結構復合起來而構成的?？啥ㄐ缘卣J為阻性和抗性在同一頻帶的消聲值的疊加（并非簡單的疊加關系）。 包括的形式：阻~擴型、阻~共型、阻~擴~共型等。 消聲的頻率特性：具有低、中、高頻消聲性能。 適用范圍：消除鼓風機、大型風洞、試車臺噪聲。,2.4 微穿孔板消聲器,消聲原理：利用微穿孔板吸聲結構制成的消聲器。 包括的形式：單層微穿孔板、雙層微穿孔板等。 消聲的頻率特性：具有低、中、高頻的寬帶消聲性能。 適用范圍：適于高溫、潮濕，有水、有油霧及特別清潔衛(wèi)生的場合。,2.5 小孔噴注消聲器,消聲原理：不是在聲音發(fā)出后進行消除，而是從發(fā)生機理上使干擾噪聲減小。噴注噪聲值頻率與噴口直徑成反比，如果噴口直徑變小，噴口輻射的噪聲能量將從低頻移向高頻(頻移)，于是低頻噪聲被降低，而高頻噪聲反而升高，如果孔徑小到一定值時，噴注噪聲將移到人耳不敏感的頻率范圍。 包括的形式：小孔噴注型 、降壓擴容型、多孔擴散型 、引射摻冷型等。 消聲的頻率特性：具有低、中、高頻的寬帶消聲性能。 適用范圍：消除壓力氣體排放噪聲，如鍋爐排氣、高爐放氣、化工廠工藝氣體放散。,3 阻性消聲器,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)有關的消聲系數(shù)。 H.J. 賽賓 經驗公式： 降噪量與材料吸聲性能 周長/截面比有關。,,,,I,3.1 阻性消聲器的聲衰減量,例: 選用同一種吸聲材料(平均吸聲系數(shù)為0.46)襯貼的消聲管道，管道有效長度為2m，管道有效截面積1500cm2。當截面形狀分別為圓形、正方形和1:5矩形時，試問哪種截面形狀的聲音衰減量最大？哪種最?。?解：1)當管道為圓形時，因為管道的有效直徑為： 截面周長為: 聲衰減為：,3.1 阻性消聲器的聲衰減量,2)當管道為正方形時，管道的截面周長為： 聲衰減為： 3)當管道為1:5矩形，管道的截面長、寬分別為： 管道的截面周長為： 聲衰減為： 因此，有：ΔL3＞ΔL2 ＞Δ L1。 即：管道截面面積一定時，截面為矩形管道的聲衰減量最大，截面為圓形管道的聲衰減量最小。,3.2 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效果顯著下降。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。其經驗公式： 式中：c－聲速ms-1； －消聲器通道截面當量邊長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ffc,每增加一個倍頻程，消聲量下降1/3，其估算公式： f高于fc的倍頻程帶數(shù)。將大風量粗管道應設計成多通道。,3.3 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) 氣流在消聲器內產生一種附加噪聲，即氣流再生噪聲。 氣流經過消聲器通道時，因局部阻力或摩擦阻力而產生 湍流，相應輻射一些噪聲；氣流激發(fā)消聲器構件振動而 輻射噪聲。氣流速度越高，氣流再生噪聲越大。,3.3 氣流速度對阻性消聲器的影響,在直通管道消聲器內氣流再生噪聲的估算公式為： 氣流再生噪聲通常是低頻噪聲，隨著頻的增高聲級逐漸下降。氣流再生噪聲的倍頻程聲壓級公式為： 一個消聲器具體應用到現(xiàn)場時，氣流究竟對它的性能影響有多大，需結合噪聲源強度、氣流速度大小以及消聲器結構等因素進行具體分析； 不同的結構，氣流在管道中允許風速不同。,3.4 常用阻性消聲器的類型,1.直管式 2.片式 3.蜂窩式 4.折板式 5.聲流式 6.室式 7.迷宮式 8.盤式 9.彎頭式,常見阻性消音器種類及圖例,3.4 常用阻性消聲器的類型,1.直管式 優(yōu)點：結構簡單，制作便。 缺點：對低頻消聲效果差。 適用范圍：適合于截面小、低速的管道。,3.4 常用阻性消聲器的類型,2.片式 優(yōu)點：結構不復雜，中、高頻消聲效果好，阻力系數(shù)較小。 缺點：低頻消聲效果不顯著。 適用范圍：適合于大流量、大 截面的情況。,3.4 常用阻性消聲器的類型,3.蜂窩式 優(yōu)點：中、高頻消聲效果好，可根據(jù)不同的適應范圍，設計單元結構。 缺點：阻力損失較大，阻力系數(shù)一般在1-1.5之間。 適用范圍：用于大截面的管道。風量較大、流速較低的情況。,3.4 常用阻性消聲器的類型,4.折板式 優(yōu)點：增加了聲波的傳播路程，增大了材料與聲波的接觸，中高頻消聲效果較好。 缺點：大大增加了阻力損失。 適用范圍：適用于壓力和噪聲較高的設備。用于對聲學性能要求較高的場合。,3.4 常用阻性消聲器的類型,5. 聲流式 優(yōu)點：可達到高消聲、低阻損的要求，阻力系數(shù)介于片式和折板式消聲器之間。 缺點：加工復雜，造價較高。 適用范圍：適用于大斷面流通管道，對于阻力損失要求較嚴格的場合。,3.4 常用阻性消聲器的類型,6.室式 優(yōu)點：消聲頻帶較寬，消聲量較大。 缺點：阻力損失較大，占用空間也大。 適用范圍：一般適用于有空間、低速進排風的場合。,3.4 常用阻性消聲器的類型,7.迷宮式 優(yōu)點：可用于流量大、流速低，要求消聲量高的情況。 缺點：氣流速度不能過大，否則產生的阻力損失較大。 適用范圍：對于阻力損失要求不嚴的場合。,3.4 常用阻性消聲器的類型,8.盤式 優(yōu)點：阻損小，體積小，重量輕、安裝簡便，軸向尺寸小。 缺點：結構復雜，制作成本高，變截面計算復雜。 適用范圍：用于鍋爐鼓風機進風口消聲、各類風機進風口或管道開口端。隔聲罩、室頂部散熱消聲器風口。,3.4 常用阻性消聲器的類型,9.彎頭式 優(yōu)點：結構簡單、體積小，占地少，在通風空調工程中應用普遍 缺點：增大了氣流阻力 適用范圍：管道改向等,4 抗性消聲器,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。 常用抗性消聲器的類型 1.擴張室式消聲器 2.共振式消聲器 3.干涉式消聲器,4.1 擴張室消聲器（膨脹式消聲器）,1. 消聲原理： 聲波在管道截面的突然擴張(或收縮)，造成通道內聲阻抗突變，使聲波傳播方向發(fā)生改變，在管道內發(fā)生反射、干涉等現(xiàn)象，從而達到消聲的目的。 2. 消聲量計算： (單節(jié)) 其中m=S2/S1=S2/S3稱為消聲器擴張比，l為擴張室長度。 S－消聲器的氣流通道截面積m2， k-轉換系數(shù) 3. 頻率特性： 當: 當:,4.1 擴張室消聲器（膨脹式消聲器）,單節(jié)擴張室消聲器頻率特性曲線,4.1 擴張室消聲器（膨脹式消聲器）,4. 改善消聲特性的方法： 單節(jié)擴張室的主要缺點在kl=nπ處傳聲損失為零，即存在很多通過頻率。解決的方法有 多節(jié)擴張室串聯(lián)：每節(jié)的通過頻率不同，提高消聲量。插入內接管：擴張室兩端個插入l/2和l/4的管分別消除n為奇數(shù)和偶數(shù)的通過頻率。,4.1 擴張室消聲器（膨脹式消聲器）,兩節(jié)擴張室 消聲器頻率 特性曲線,4.1 擴張室消聲器（膨脹式消聲器）,5. 上下限截止頻率： 擴張室截面增大同樣存在高頻聲波窄束傳播失效，因此有上線頻率： 對于低于某一頻率的聲波也將失去消聲作用，存在下限頻率：,4.2 共振式消聲器,1. 消聲原理： 利用共振吸聲原理，在聲波的作用下，管壁空氣柱產生振動，振動時，氣柱與腔口壁摩擦使一部分聲能轉化為熱能而耗散；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，導致聲能衰減。當系統(tǒng)固有頻率與聲波頻率發(fā)生共振時，消耗聲能最多，消聲量最大。 2. 消聲量的計算： 聲阻抗的突變而使聲波發(fā)生反射和干涉現(xiàn)象，導致聲能衰減。當系統(tǒng)固有頻率與聲波頻率發(fā)生共振時，消耗聲能最多，消聲量最大。 3. 共振頻率： 某一頻帶內的消聲量： 倍頻程 1/3倍頻程,fr-共振頻率；V-空腔體積； S-氣流通道截面積 ；G-傳導率；K-消音系數(shù),t-共振腔鋼板厚度；S0-開孔面積；d-開孔直徑；n-開孔數(shù)量,4.2 共振式消聲器,4. 改善消聲性能的方法： 選定較大的K 值； 增加聲阻； 多節(jié)共振腔串聯(lián)，共振頻率相互 錯開。 5.上限截止頻率：,4.2 共振式消聲器,6、設計注意事項 為了使消聲器的理論計算值與實際結果值一致，在考慮設計方案時，應注意以下條件： (1) 共振器的幾何尺寸應小于共振頻率波長 的 1/3 。當共振頻率較高時，此條件不易滿足，這時不能將共振器看成為一個集中參數(shù)系統(tǒng)，而應考慮聲波在空腔內的傳播特性。 (2) 穿孔位置應集中在共振消聲器的中部，穿孔范圍應小于 。相鄰各孔之間的孔心距一般應取孔徑的 5 倍。當穿孔數(shù)目較多時，穿孔范圍集中在 內與孔心距大于孔徑 5 倍這兩個要求，往往發(fā)生矛盾。在這種情況下，可采取將空腔分割成幾段來分布穿孔的位置。 (3) 共振消聲器的消聲頻率范圍也有高頻失效問題。用共振消聲器的上限截止頻率驗證消音器設計,4.3 干涉式消聲器,1. 消聲原理： 借助于相干聲波相互抵消作用，來達到消聲目的。 2. 分類： 無源(被動式)消聲器和有源(主動式)消聲器兩類。 3. 特點： 具有顯著的頻率選擇性,5 其他形式的消聲器,5.1 阻抗復合式消聲器,5.2 微穿孔板消聲器,5.3 擴散消聲器,5.3 擴散消聲器,6 消聲器設計,6.1 消聲器設計原則,1.根據(jù)噪聲源所需的噪聲量、空氣動力性能要求以及空氣動力設備管道中的防潮、耐蝕、防火、耐高溫等要求，選擇消聲器的類型。 2.根據(jù)聲源空氣動力性能的要求，考慮消聲器的空氣動力性能，是消聲器的阻力損失控制在機械設備正常的工作范圍內； 3.設計消聲器時，考慮到氣流再生噪聲的影響，是氣流再生噪聲小于環(huán)境允許的噪聲級； 4.注意消聲器和管道中的氣流速度； 5.還應考慮到隔聲及堅固耐用、體積大小與空氣機械設備匹配問題。,6.2 消聲器設計程序,噪聲源 使用條件,設備的空氣 動力特性,,噪聲源現(xiàn)場調查 及特性分析,,了解環(huán)境特點， 選定噪聲控制標準,,,確定受聲點允許的噪聲 級和各頻帶聲壓級,,計算所需消聲量,,設計合適的消聲器,,驗算其消聲效果（上下截止頻率的檢驗、 消聲器的壓力損失、實際消聲效果）,6.3 阻性消聲器設計總結,a.確定消聲量： b.選擇消聲器的結構形式 管道直徑： 500mm片式、蜂窩式或其它形式 c.選擇合適的吸聲材料 d.確定消聲器的長度 e.合理選擇吸聲材料的護面結構 f.驗算消聲效果： 高頻失效頻率： 氣流再生的影響： 壓力損失,6.4 抗性消聲器設計總結,a.確定消聲量： b.選擇消聲器的結構形式 c.確定消聲器的長度 d.驗算消聲效果： 上線截止頻率： 下線截止頻率： e.根據(jù)驗算結果修改消音器結構。,6.4 抗性消聲器設計總結,【例題】在管徑為100mm的常溫氣流管道上,設計一單腔共振消聲器，要求使其中125Hz的倍頻程上有15dB的消聲量。,6.4 抗性消聲器設計總結,【解】⑴ 氣流通流面 S=0.00785m2 由式 TL=15dB，計算出K=3.913≈4 ⑵ 由 得出V=0.027m3，G=0.144m ⑶ 確定設計方案為與原管道同軸的圓筒形共振腔， 其內徑是100mm，選擇外徑400mm，則共振腔的長度為：L= 0.25m; 選用厚度t=2mm的鋼板，孔徑d=5mm，由G=nS0/(t+0.8d)可求得開孔數(shù)n=44個。 ⑷ 驗算：高頻失效頻率；聲波的波長是否大于共振腔消聲 器最大尺寸的3倍。,